据估计，全球约有六分之一的人在一生中会发生中风，导致长期残疾，而其康复机制目前仍不甚清楚。本研究提出了一种方案，用于在下肢机器人治疗过程中，通过功能性近红外光谱技术（fNIRS）评估大脑激活情况。
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方法文章
使用功能性近红外光谱技术与机器人辅助下肢多关节指物运动的实验
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
每年全球约有1700万人遭受中风影响，中风是导致长期残疾的主要原因之一。机器人疗法在帮助中风患者恢复丧失的运动功能方面已显示出潜力。为进一步理解运动功能恢复的机制，一种可能的途径是研究健康个体在接受治疗时所涉及运动过程中的脑部激活情况。功能性近红外光谱成像（fNIRS）作为一种有前景的神经影像技术，可用于探究运动功能的神经基础。本研究旨在探讨健康受试者在执行复杂下肢运动时的fNIRS神经相关性。受试者被要求使用一种用于运动康复的机器人设备，完成持续6分钟的静息与运动交替循环任务。该任务需要协调膝关节和踝关节的运动，以指向计算机屏幕上显示的目标。研究设置了两种实验条件，机器人在不同条件下提供不同程度的运动辅助。结果显示，fNIRS方案能够有效检测到任务过程中与运动控制相关的脑区活动。值得注意的是，所有受试者在无辅助条件下，其对侧前运动区的激活程度均高于有辅助条件。综上所述，fNIRS似乎是检测与下肢多关节指向运动相关的氧合血红蛋白浓度变化的有效方法。本研究可能有助于理解中风后运动功能恢复的机制，并为改善中风患者的康复治疗提供新思路。然而，仍需进一步研究以全面阐明fNIRS在运动功能研究及其临床应用中的潜力。
引言
流行病学数据显示，全球每年约有1700万例新发中风病例，且中低收入国家的发病率呈上升趋势1。预计到2030年，每年新增病例数将上升至7700万例2。中风导致的运动功能障碍常影响患者的行动能力及参与日常活动的能力，从而导致生活质量下降。传统的运动康复包括手法治疗，但在过去几十年中，康复用机器人系统已逐步发展起来。这些系统能够以高强度、大剂量、可量化、可靠、可重复和灵活的方式提供治疗3，并已被证明对急性期和慢性期中风患者均具有作为有效康复治疗手段的潜力4,5,6。除了提供治疗外，康复机器人系统还可作为评估工具，因其可配备传感器以测量患者的运动学/动力学数据7,8。在上肢运动康复中，此类数据不仅已被证实可用于评估机器人治疗所诱发的患者运动功能恢复水平，并作为传统临床评估的补充工具9,10，还有助于加深对中风后运动功能恢复过程的理解11
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方案
本研究获得了UNICEP（保利斯塔大学中心）当地伦理审查委员会的批准。所有参与者均按照涉及人类的科学研究相关的机构指南和联邦规范签署了知情同意书。根据巴西联邦法规的要求，未向参与者提供任何经济补偿。
1. fNIRS 系统
- 使用16个光极制备帽：8个光源（760 nm和850 nm）和8个光探测器（见图2；光源位置：FC1、FC2、C3、Cz、C4、CP1、CP2和Pz；探测器位置：FCz、C1、C2、CPz、P1和P3）。将第八个探测器连接至短距离适配器，该适配器与每个光源光极相连。
- 打开fNIRS采集软件，并加载包含每个光极位置的蒙太奇图。
- 将fNIRS信号的时间采样率设置为10.17 Hz。
2. 参与者
- 向参与者简要说明研究的相关性及实验方案。
- 若参与者同意参与实验，需确保其在遵守所有机构指南及涉及人类受试者的联邦规范的前提下，签署知情同意书。
- 指导参与者坐在机器人前方的扶手椅上，距离计算机显示器约150 cm。
- 脱鞋后，使用维可牢（钩环扣带）将参与者的足部牢固地固定在机器人臂上（见图1....
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结果
所有六名受试者均完成了两项实验。在无辅助条件下，每名受试者平均完成了76.67次试验（标准差10.73）（注：每位受试者的试验次数取决于成功到达目标的次数，因为只有在前一个目标被成功触及后才会显示新目标）。在辅助条件下，受试者的运动完全由机器人辅助，所有受试者均完成了70次试验。所有受试者的fNIRS数据均成功记录。
图4展示了单个受试者在游戏/玩耍与静息时段之间HbO和HbR的脑激活图谱。对于每位受试者，HbO变化相关的图谱在无机器人辅助的实验条件下显示出具有统计学意义的激活（p < 0.01），而在有机器人辅助的实验条件下，仅有两名受试者显示出具有统计学意义的激活。关于HbR，在两种条件下均有四名受试者表现出具有统计学意义的激活（p < 0.01），但激活的通道数量少于HbO。
图5总结了基于感兴趣区域（ROI）的假设驱动分析中各个受试者的个体结果。在所有被检测的感兴趣区域中，只有左侧前运动皮.......
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讨论
在本项概念验证研究中，探讨了利用健康受试者在使用下肢康复机器人进行不同类型运动时采集的 fNIRS 数据，推断脑激活图谱的可行性。成人典型的 fNIRS 记录时长通常超过 6 分钟54。然而，为了使记录在康复环境中切实可行，必须尽量缩短实验总时长，以避免受试者产生不必要的疲劳和负担。本研究还检验了采用包含 6 个任务重复区组的区组设计实验（每次会话持续 6 分钟）是否足以评估血流动力学反应，并检测辅助与无辅助条件之间的差异。研究结果表明，此类记录具有信息性，fNIRS 可能确实是一种可用于检测与不同水平机器人下肢辅助运动方案相关的 HbO 浓度变化的有效方法。即使样本量较小，在比较任务与静息区组时，HbO 测量结果显示存在显著的对侧前运动区激活；所有受试者在无辅助条件下该脑区的激活程度均高于机器人辅助条件。
在两种不同条件下记录了fNIRS数据，这两种条件对应受试者完成运动任务所需努力程度的不同水平。在第一组实验中，机器人的K值设定为10，对应无机器人辅助状态。在第二组实验中，K值设定为150；在此K值下，受试者的下肢几乎完全由机器人.......
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披露
AMM 是 Vivax Ltda 公司的所有者，该公司开发了 Vivax 辅助康复机器（ARM）。LD 是 Highland Instruments 公司的一名管理人员，这是一家医疗设备公司。她个人或作为公司管理人员拥有与成像、脑刺激、诊断、建模和仿真相关的待批准或已授权专利。其他作者声明不存在利益冲突。
致谢
本研究的观点、假设、结论和建议均为作者个人观点，不一定代表资助机构的意见。JRS 感谢圣保罗研究基金会（FAPESP，资助编号 2021/05332-8、2018/04654-9、 2018/21934-5 和 2023/02538-0）以及 Jackson Cionek 提供的技术支持。AMM 和 Vivax Ltda 感谢 FAPESP（圣保罗研究基金会）和 FINEP（巴西创新署）的支持。本项目由 FAPESP（资助编号 2018/09559-4）和 FINEP（资助编号 2019/09933-6）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 32 英寸智能电视 | Samsung | 不适用 | 通过 HDMI 线缆连接至机器人的电视 |
| 带双端探头的 8 探测器硅光电二极管（SiPD）光学探头，用于光学检测 | NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA) | https://nirx.net/nirsport | |
| 带双端探头的 8 光源探头束，用于光学照明 | NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA) | https://nirx.net/nirsport | |
| Aurora 数据采集软件 | NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA) | https://nirx.net/nirsport | |
| 笔记本电脑 Precision XPS 13 | Dell Technologies (Round Rock, TX, USA) | ||
| nirsLAB fNIRS 分析软件 | NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA) | https://nirx.net/nirsport | |
| NIRSports2 fNIRS 数据采集系统 | NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA) | https://nirx.net/nirsport | 该系统具有两种不同的连续波光学信号（760 和 850 nm）、8 个双端 LED 光源和 8 个双端有源探测器。 |
| R | R-project.org (开源软件) | https://www.r-project.org/ | |
| 标准剪裁帽，黑色，最多可容纳 128 个探头 holder | Easycap GmbH (Wörthsee, Germany) | https://www.easycap.de/ | |
| Vivax 辅助康复机器（ARM） | Vivax Ltda (São Paulo, Brazil) | https://vivaxbr.com/home/ | 这是一种专为下肢康复设计的便携式机器人。其具有三维可达工作空间，结构紧凑且重量轻，约重 35 磅，便于运输和安装。 |
参考文献
- GBD 2016 Stroke Collaborators. Global, regional, and national burden of stroke, 1990-2016: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016. The Lancet. Neurology. 18 (5), 439-458 (2019).
- GBD 2019 Stroke Collaborators.
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重印与许可
