身体康复过程中“看到”身体的内部结构

一个监测运动和肌肉接合的系统可以帮助老年人和运动员进行无监督的身体康复。

　　

越来越多的人生活在可以从身体康复中受益的状况中，但没有足够的物理治疗师(PTs)。随着人口增长，对PTs的需求不断增长，老龄化以及严重疾病发病率的上升也加剧了这一问题。

基于传感器的技术(如身体运动传感器)的兴起，为患者提供了一定的自主权和精确性，他们可以从机器人系统中受益，以补充人类治疗师。不过，目前市面上的极简风格手表和戒指主要依赖运动数据，除了运动之外，缺乏由物理治疗师拼凑起来的更全面的数据，包括肌肉接触和张力。

这种肌肉运动语言障碍最近促使麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)和麻省总医院的研究人员创建了一个无监督的身体康复系统，MuscleRehab。它有三个组成部分:捕捉运动活动的运动跟踪，测量肌肉活动的成像技术——电阻抗断层扫描(EIT)，以及让患者在理疗师的帮助下观看自己表现的虚拟现实(VR)头盔和跟踪服。

患者穿上时尚的忍者式全黑追踪服，然后进行各种锻炼，如箭步、膝盖弯曲、抬腿、抬腿、膝盖伸直、下蹲、消防栓和桥，以测量股四头肌、缝匠肌、腿筋肌和外展肌的活动。VR捕捉3D运动数据。

在虚拟环境中，病人有两种情况。在这两种情况下，他们的虚拟形象都与理疗师一起表演。在第一种情况下，只有运动跟踪数据被覆盖到病人的化身上。在第二种情况下，病人戴上EIT感应带，然后他们就有了运动和肌肉接合的所有信息。

在这两种情况下，研究团队比较了运动的准确性，并将结果交给了专业的治疗师，后者解释了在每项运动中应该使用哪些肌肉群。通过在这些没有监督的练习中可视化肌肉接触和运动数据，而不仅仅是运动，锻炼的整体准确性提高了15%。

然后，研究小组对两种情况下正确的肌肉群在运动中被触发的时间进行了交叉比较。在他们实时显示肌肉接触数据的情况下，这就是反馈。通过监测和记录大多数参与数据，PTs报告了对患者运动质量的更好理解，并有助于基于这些数据更好地评估他们当前的状态和运动。

麻省理工学院电子工程和计算机科学博士生Junyi Zhu说:“我们希望我们的传感场景不局限于临床环境，更好地为受伤恢复中的运动员、目前正在接受物理治疗的患者或患有身体局限性疾病的人提供数据驱动的无监督康复，最终看看我们是否不仅可以帮助恢复，而且可能有助于预防。”Junyi Zhu是CSAIL的附属机构，也是一篇关于MuscleRehab的新论文的主要作者。“通过主动测量深层肌肉接触，我们可以观察到与患者的基线相比，数据是否异常，从而洞察潜在的肌肉轨迹。”

目前的传感技术主要专注于跟踪行为和心率，但朱感兴趣的是找到一种比肌电图(EMG)更好的方法来感知肌肉不同层的接触(血流、拉伸、收缩)。肌电图只能捕捉到皮肤下的肌肉活动，除非是侵入性的。

朱教授研究个人健康感应设备已经有一段时间了。他在2021年的项目中使用了测量肌肉导电性的EIT，该项目使用了无创成像技术，创建了一个工具包，用于设计和制造健康和运动传感设备。据他所知，EIT通常用于监测肺功能、检测胸部肿瘤和诊断肺栓塞，此前从未有人使用过。

对于MuscleRehab, EIT传感板充当了系统背后的“大脑”。它还配有两条充满电极的带子，可以套在用户的大腿上部，以捕捉3D体积数据。动作捕捉过程使用39个标记和许多感知每秒非常高帧率的摄像机。EIT传感数据显示，显示屏上突出显示了积极触发的肌肉，特定肌肉的颜色随着参与程度的增加而变深。

目前，MuscleRehab的重点是大腿上部和里面的主要肌肉群，但接下来他们想扩展到臀部。该团队还与布里格姆妇女医院和丹娜-法伯癌症研究所的医学物理学家、哈佛医学院放射学副教授Piotr Zygmanski合作，探索在放射治疗中使用EIT的潜在途径。

Zygmanski说:“我们正在探索利用电场和电流来检测辐射，以及在放疗治疗期间或治疗结果中对患者解剖的介电特性进行成像。除了在分子水平上造成直接损伤(DNA损伤)外，辐射还会在组织、细胞和其他介质(例如探测器)内部诱导电流。我们发现由MIT团队开发的EIT仪器特别适合于探索EIT在放射治疗中的这种新应用。我们希望通过对EIT系统电子参数的定制，我们可以实现这些目标。”

加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院电子与计算机工程助理教授Yang Zhang说:“这项工作推进了EIT，一种通常用于临床的传感方法，与虚拟现实巧妙而独特的结合。”Yang Zhang没有参与这篇论文。“促进康复的启用应用程序可能对整个社会产生广泛影响，帮助患者在家里安全有效地进行身体康复。长期以来，由于医疗保健行业缺乏劳动力，人们一直需要这样的工具来消除对临床资源和人员的需求。”