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

本研究旨在探讨一种实验方案的可行性，该方案涉及将下肢连接至机器人装置进行运动，同时采集功能性近红外光谱（fNIRS）数据。目前，仅有少数研究采用fNIRS技术来研究脑卒中、运动功能恢复以及下肢运动，且主要集中于单关节动作、步行或骑行。本研究首次探索了多关节下肢训练在靶向康复中的应用。

功能性近红外光谱技术（fNIRS）能够有效测量大脑血氧水平的时序变化，作为脑活动的间接指标，其功能类似于功能磁共振成像（fMRI）信号。与fMRI不同，fNIRS可与机器人硬件兼容，具有便携性，且对运动伪影更具耐受性。该技术主要有两种通道类型。

第一个目标是将机器人装置的运动与fNIRS数据同步。第二个目标是在仅六分钟的时间内保留足够的数据，以获得检测血流动力学变化所需的统计效力。我们的研究证实了该方案的可行性及其产出，并预测了研究结果。

而仅在辅助条件下，受试者表现出显著的脑部激活。需要更多努力的非辅助运动显示出更高的HbO浓度变化。随后，与对侧心房PNC相比，差异显著。

首先准备功能性近红外光谱（fNIRS）系统。使用16个光极，包括8个发射光源（波长分别为760和850纳米）和8个光探测器，装配好光极帽。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赫兹。向受试者简要说明研究的相关性及实验方案。

指导志愿者坐在机器人前方的扶手椅上，距离计算机显示器约150厘米。脱鞋后，使用维可牢（Velcro）绑带将受试者的脚舒适地固定在机器人臂上。将带有光学探头的fNIRS帽戴在受试者头部，并用下巴下方的魔术贴牢固固定。

将遮光帽盖在探头帽上，以减少环境光的干扰。在为受试者准备好下肢机器人治疗疗程后，开始进行数据采集。指导每位受试者避免突然的头部运动，以尽量降低运动伪影的风险。

校准功能性近红外光谱（fNIRS）系统，以获得最佳信号质量。确保所有通道均具有良好的质量，如界面所示。若未达到要求，可尝试清除头皮与光学探头尖端之间的头发。

向参与者解释如何通过移动与机器人相连的脚来触达屏幕上显示的目标，从而进行游戏。说明实验将包含两种条件：无机器人辅助和有机器人辅助。操作系统初始化后，第一个游戏界面将出现。

将机械臂置于标准位置，并等待接收机械臂已正确就位的反馈信息。在系统中输入有关受试者和实验者的描述性信息，以登录机器人游戏界面。在游戏选择界面中，将单次会话时间设置为六分钟，休息间隔设置为30秒。

选择受试者将要使用的腿部。选择“野餐游戏”并点击“开始”以进行游戏。对于每位受试者，与HbO变化相关的脑图应在实验条件下显示出具有统计学意义的激活，且该条件不包含机器人辅助。

尽管仅有两名受试者在机器人辅助的实验条件下表现出具有统计学意义的激活。关于HbR，四名受试者在两种条件下均表现出具有统计学意义的激活，但在较HbO更少的通道中出现。仅在无机器人辅助的游戏或玩耍过程中，左侧前运动皮层相对于静息状态显示出HbO激活的统计学显著增加。

此外，与使用机器人辅助的条件相比，该 ROI 在无机器人辅助的条件下表现出更强的激活。