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北航樊瑜波教授团队在虚拟现实的康复机制及应用领域取得进展

发布时间:2022-12-15 11:19   点击次数:


 

伴随着老龄化加剧,以脑卒中为代表的神经系统疾病患者数量呈逐年上升。卒中后常会遗留不同程度的运动和认知功能障碍,且康复难度高、恢复周期长,给患者及其家庭和社会带来巨大的困扰。基于虚拟现实构造的沉浸式康复任务,不仅可以增加康复训练的趣味性,也可以对损伤的神经进行有效刺激,成为运动和认知功能康复的重要手段。然而其内在机制仍存在大量待揭示的科学问题,康复效果存在显著的不确定性。近期,北航医工板块樊瑜波教授团队在相关机理研究、技术突破、设备研发和应用方面取得了系列成果。

机理研究方面,为了探究神经系统对虚拟现实深度线索的响应和应答特征,构建了虚拟立体渲染和平面二维图像显示两种类型的视觉刺激,利用脑电图研究了三维感知过程中的神经振荡及其功能连通性。研究表明,脑电信号中的低频振荡(DeltaTheta频段)对三维深度信息的响应特别敏感,并且在与视觉通路相关的皮层区域中的功能连通性显著增加。这一结果揭示了低频振荡在深度线索的三维感知中起着极其重要的作用,将为探索虚拟现实和低频刺激神经反馈疗法相结合的手段,对空间认知障碍的治疗与干预提供理论支撑。相关成果发表NeuroImagehttps://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.119328)。

 

虚拟现实提供的三维空间线索对神经振荡及视觉通路的功能连通性的影响

设备研发方面,搭建了一套便携式上肢康复机器人,通过控制系统同沉浸式虚拟现实场景的双向通讯,实现了视觉、本体感觉和触觉的多感觉协同刺激与精确调控。该系统的轨迹追踪误差小于0.1°追踪误差敏感度小于0.6%、同虚拟环境通讯的平均延迟时间小于15ms,上述性能达到甚至超过目前市场上占有率最高的同类型设备的参数水平。基于该设备,设计并构建了“肢体匹配”任务,对本体感觉进行量化评估。结果表明,该系统具有足够的灵敏性,可分辨不同受试者本体感觉上的微小差异,为脑卒中患者感觉障碍的精准识别提供了新思路。相关成果发表于IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (https://doi.org/10.1109/TIM.2021.3104027 )

 

多感觉刺激与调控的上肢康复机器人及基于“肢体匹配”任务的本体感觉评估

 

技术应用方面,提出了将力反馈与虚拟现实技术相结合,设计了虚拟盒块任务(Blocks and Box Task)评估脑卒中患者的精细运动功能。通过招募113名健康受试者16脑卒中患者,采集交互过程的运动学和动力学参数,量化表征他们的抓握、搬运和避障等能力。结果表明,该项技术的临床有效性、可靠性和功能障碍的识别准确性均显著高于传统的上肢功能评估效果。内在动机调查表明,患者倾向于使用虚拟现实系统而非传统工具,进行上肢运动功能评估。该研究为远程虚拟康复提供了临床依据,探索了现代康复新技术。相关成果发表Virtual Realityhttps://doi.org/10.1007/s10055-022-00727-2

 

结合力反馈与虚拟现实技术的康复任务用于脑卒中患者的精细运动功能评估

 

上述研究在国家重点研发计划项目(2020YFC2007904, 2020YFC2004203, 2020YFC2005902、虚拟现实技术与系统全国重点实验室开放项目和国家自然基金项目(11972066, U20A20390, 11827803)支持下完成北航生物与医学工程学院、医学科学与工程学院、北京生物医学工程高精尖创新中心、生物力学与力学生物学教育部重点实验室为第一完成单位,博士研究生唐智莉、霍洪强、董英分别为上述成果的第一作者,刘笑宇副教授、樊瑜波教授为通讯作者。