關(guān)于“雙向神經(jīng)通路的智能上肢假肢研究”成果登記的公示
成果名稱:雙向神經(jīng)通路的智能上肢假肢研究
登記日期:2024-09-02
完成單位:深圳市羅伯醫(yī)療科技有限公司;中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院;上海交通大學(xué);重慶大學(xué);山東大學(xué);深圳市華誼智測(cè)科技股份有限公司
完成人:李光林;楊嘉林;陳世雄;耿艷娟;吳小鷹;李可;郝蔓釗;鄭悅;田嵐;黃邦宇;胡慶浩;龍飛
研究起止日期:2020-04-01至2023-04-01
主要應(yīng)用行業(yè):科學(xué)研究和技術(shù)服務(wù)業(yè)
高新技術(shù)領(lǐng)域:電子信息
評(píng)價(jià)單位:廣東省科學(xué)技術(shù)廳
評(píng)價(jià)日期:2024-01-11
成果簡(jiǎn)介:1.課題來(lái)源與背景 近年來(lái)上肢假肢技術(shù)雖然有了很大發(fā)展,但假肢的拒用和棄用率仍然很高。主要原因是缺乏精準(zhǔn)的意圖識(shí)別、安全有效的感知反饋以及兼顧運(yùn)動(dòng)相容性與穿戴舒適性的仿人手臂。雙向神經(jīng)通路的智能上肢假肢研究課題,來(lái)源于廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目中的智能機(jī)器人與裝備制造重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)。致力于研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),可再現(xiàn)人體手臂靈巧運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)功能的假肢系統(tǒng),突破上肢假肢的模塊化仿生機(jī)械創(chuàng)成、多源信息融合的運(yùn)動(dòng)模式精確識(shí)別方法、假肢手接觸信息解析及多模態(tài)感覺(jué)反饋、基于力觸覺(jué)信息的假肢手自適應(yīng)閉環(huán)調(diào)控等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)智能上肢假肢系統(tǒng)的直覺(jué)操控與快速適配。 2.技術(shù)原理及性能指標(biāo) 在項(xiàng)目執(zhí)行的三年期間,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在上肢假肢的仿生設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法、利用運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信息實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)意圖的精準(zhǔn)識(shí)別、感覺(jué)信息的柔性傳感、假肢感覺(jué)信息的神經(jīng)傳入、基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的假肢控制器設(shè)計(jì)和具有雙向神經(jīng)通路上肢假肢的人機(jī)交互與閉環(huán)控制技術(shù)六個(gè)方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究,研究總體進(jìn)展順利,項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書(shū)的計(jì)劃目標(biāo)和各項(xiàng)主要指標(biāo)要求,按照計(jì)劃方案開(kāi)展研究,完成了任務(wù)書(shū)的技術(shù)和成果指標(biāo)。項(xiàng)目總體研究成果如下: 1)上肢假肢的仿生設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法:完成仿生設(shè)計(jì)的模塊化假肢原型機(jī)(12個(gè)自由度(5個(gè)主動(dòng)自由度)假肢手模塊、3自由度前臂模塊及2自由度大臂模塊)。 2)感覺(jué)信息柔性傳感技術(shù):研發(fā)了基于柔性材料的傳感陣列,并和商業(yè)化傳感器一起集成在假肢手上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)觸覺(jué)、溫度覺(jué)的多點(diǎn)檢測(cè),檢測(cè)點(diǎn)數(shù)8個(gè)。 3)上肢運(yùn)動(dòng)意圖的精準(zhǔn)、穩(wěn)定識(shí)別算法:研究了基于神經(jīng)信息的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別方法,實(shí)現(xiàn)上肢10個(gè)動(dòng)作識(shí)別率≥92%。 4)基于柔性傳感的無(wú)創(chuàng)假肢手感覺(jué)信息獲取及神經(jīng)傳入技術(shù):開(kāi)發(fā)了具備觸覺(jué)、溫覺(jué)、本體感覺(jué)的多通道便攜式電刺激感知反饋系統(tǒng),通道數(shù)6個(gè)(5個(gè)通道用于觸覺(jué)和溫覺(jué),1個(gè)通道用于本體感覺(jué))。 5)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的假肢控制器設(shè)計(jì):開(kāi)發(fā)前饋控制和反饋控制相結(jié)合的混合控制器。 6)具有雙向神經(jīng)通路上肢假肢的人機(jī)交互與閉環(huán)控制技術(shù):建立人-假肢-環(huán)境的完整閉環(huán)交互系統(tǒng),并驗(yàn)證有效性。搭建雙向神經(jīng)通路上肢假肢系統(tǒng)平臺(tái),完成了10例上肢截肢患者穿戴實(shí)驗(yàn)及示范應(yīng)用。 7)項(xiàng)目共發(fā)表論文21篇,申請(qǐng)專(zhuān)利18項(xiàng)。 3.技術(shù)的創(chuàng)造性與先進(jìn)性 該項(xiàng)目以上臂截肢者運(yùn)動(dòng)-感覺(jué)雙向神經(jīng)通路的重建為研究重點(diǎn),研制兼顧運(yùn)動(dòng)相容性與穿戴舒適性的上肢假肢;利用高效解碼方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)意圖的精準(zhǔn)穩(wěn)定識(shí)別;通過(guò)感覺(jué)信號(hào)的檢測(cè)及編解碼,實(shí)現(xiàn)上肢假肢觸覺(jué)和溫度等感覺(jué)信號(hào)的神經(jīng)傳入;研發(fā)雙向神經(jīng)通路上肢假肢閉環(huán)控制系統(tǒng),通過(guò)假肢系統(tǒng)集成及應(yīng)用,驗(yàn)證假肢系統(tǒng)的性能。 該項(xiàng)目研發(fā)的高性能多通道柔性可拉伸陣列電極能夠?qū)崿F(xiàn)電生理信息的高質(zhì)量獲取,該成果2023年發(fā)表于Nature雜志正刊;研發(fā)的具有雙向神經(jīng)通路的智能假肢系統(tǒng)原型樣機(jī)包括12自由度的靈巧假肢手和5自由度的假肢上臂;研發(fā)的假肢系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于肌電信號(hào)的神經(jīng)假肢操控,并集成了觸覺(jué)、位置、溫度等多模態(tài)感覺(jué)信息感覺(jué)反饋功能。研發(fā)的智能假肢技術(shù)及系統(tǒng)有望打破國(guó)外假肢巨頭對(duì)高端肌電假肢產(chǎn)品的技術(shù)壟斷,解決國(guó)內(nèi)高端肌電假肢的“卡脖子”問(wèn)題,促進(jìn)我國(guó)智能假肢及康復(fù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 4.技術(shù)的成熟度,適用范圍和安全性 目前項(xiàng)目已完成系統(tǒng)樣機(jī)的制備,技術(shù)就緒度的成熟度為6級(jí),并招募10例程度的上肢截肢患者佩戴假肢系統(tǒng),開(kāi)展了假肢系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)功能、感覺(jué)反饋方面的性能驗(yàn)證。未來(lái)會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的成熟度,和醫(yī)院緊密合作,讓更多的截肢患者使用假肢。該項(xiàng)目主要用于前臂截肢患者,可居家或者在醫(yī)院應(yīng)用。在安全性方面,系統(tǒng)在研發(fā)過(guò)程中的加入了安全設(shè)計(jì)。1)材料選擇:選用與人體組織相容性良好的材料,避免引起過(guò)敏、排異等不良反應(yīng)2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):平衡性方面,通過(guò)合理的假肢長(zhǎng)度、關(guān)節(jié)位置和角度設(shè)計(jì),可以使假肢與人體的自然運(yùn)動(dòng)相匹配;在關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方面,考慮到人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和力學(xué)特性,確保假肢能夠?qū)崿F(xiàn)自然、流暢的運(yùn)動(dòng)。同時(shí),關(guān)節(jié)的鎖定和解鎖機(jī)制應(yīng)安全可靠,防止意外解鎖導(dǎo)致使用者受傷;控制系統(tǒng)安全:配備了電子控制系統(tǒng),用于實(shí)現(xiàn)各種功能,如運(yùn)動(dòng)控制、力反饋等,防止出現(xiàn)故障導(dǎo)致使用者受傷。 5.應(yīng)用情況及存在的問(wèn)題 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在上肢假肢的仿生設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法、利用運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信息實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)意圖的精準(zhǔn)識(shí)別、感覺(jué)信息的柔性傳感、假肢感覺(jué)信息的神經(jīng)傳入、基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的假肢控制器設(shè)計(jì)和具有雙向神經(jīng)通路上肢假肢的人機(jī)交互與閉環(huán)控制技術(shù)六個(gè)方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究,最終形成具有“運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號(hào)傳出”與“感覺(jué)神經(jīng)信號(hào)傳入”功能的上肢假肢系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)人-假肢-環(huán)境的自然交互。 該系統(tǒng)以及系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中開(kāi)發(fā)的技術(shù),將彌補(bǔ)我國(guó)在假肢相關(guān)行業(yè)方面的不足,推動(dòng)假肢相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步,有利于我國(guó)假肢行業(yè)的發(fā)展。 6.歷年獲獎(jiǎng)情況 暫無(wú)。
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