Name: 使用功能性近红外光谱和机器人辅助下肢多关节指向运动的实验 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-06-07T12:40:00.000+00:00
Duration: 5 min 25 s
Description: 了解功能性近红外光谱技术在机器人辅助下肢多关节运动康复中的应用。本研究通过同步采集fNIRS数据与机器人运动数据，评估脑卒中患者运动恢复过程中的大脑激活模式，为神经康复机制研究提供新见解。

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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、&#160;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。

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
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>打开fNIRS采集软件，并加载包含每个光极位置的蒙太奇图。</li>
	<li>将fNIRS信号的时间采样率设置为10.17 Hz。</li>
</ol>
2. 参与者
<ol>
	<li>向参与者简要说明研究的相关性及实验方案。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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左上图）。</li>
	<li>将带有光学探头的fNIRS帽戴在参与者头部，并用下巴下方的钩环扣带固定。</li>
	<li>将外层帽戴在光学探头帽上，以减少环境光的干扰。</li>
</ol>
3. 数据采集
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>校准 fNIRS 系统以获得最佳信号质量。</li>
	<li>确认所有通道的质量均良好，如界面所示。若不符合要求，尝试清除头皮与探头尖端之间的头发。</li>
	<li>向受试者说明如何通过移动与机器人相连的脚来触达屏幕上指示的目标，从而进行游戏。</li>
	<li>向受试者说明实验将包含两种条件：无机器人辅助和有机器人辅助。</li>
</ol>
4. 机器人系统
<ol>
	<li>通过将显示器和机器人连接到电源，启动系统。操作系统初始化后，首个游戏界面将出现。</li>
	<li>将机械臂置于标准位置，并等待系统反馈机械臂已正确就位的消息。</li>
	<li>在系统中输入参与者和实验者的描述性信息，以登录机器人游戏界面。</li>
	<li>在游戏选择界面中，将单次会话时间设置为 6 分钟，并配置 30 秒的休息间隔。</li>
	<li>选择参与者将使用的腿部（右侧或左侧）。</li>
	<li>选择野餐游戏，然后点击开始以启动游戏。</li>
</ol>
5. 数据分析
<ol>
	<li>使用修正的比尔-朗伯方程将原始信号转换为血流动力学状态（氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR））49。</li>
	<li>采用具有稳健估计和自相关估计的广义线性模型（GLM）生成个体激活图，该方法受运动伪影影响较小50。将实验设计（静息 = 0；游戏/执行 = 1）与典型的血流动力学响应函数（HRF）进行卷积后作为自变量，将观测到的HbO或HbR信号作为因变量。</li>
	<li>针对每个通道，提取游戏/执行阶段相对于静息阶段的beta系数（反映该通道激活强度）。</li>
	<li>将三个感兴趣区域（ROI）内的通道合并，并对各ROI内通道的激活系数（GLM beta值）取平均。ROI定义如下（见图2）：（1）左侧半球的前运动区（通道 [FC1-FCz, C1-FC1, C1-Cz, C3-C1]）；（2）左侧半球的躯体运动区（通道 [C3-CP1, CP1-P1, CP1-CPz, P1-Pz]）；（3）辅助运动区（SMA）（通道 [Cz-FCz, CPz-Cz]）。 
	注意：根据以往关于类似本研究中所采用运动任务的文献51,52,53&#160;，且鉴于所有受试者均使用右腿执行运动任务，推测在两种条件下，左侧（对侧）前运动区、躯体运动区以及SMA区域在游戏/执行过程中均会出现激活，且在无辅助条件下激活更强。</li>
	<li>对这些beta值应用非参数Wilcoxon检验。设定I类错误率为5%（单尾分析）。</li>
</ol>

Evaluating Brain Activation by fNIRS During a Lower Limb Robotic Therapy Session

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。

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带动运动。如图4所示，所有受试者在无辅助条件下均表现出具有统计学意义的大脑激活；而当K值设定为150时，仅有两名受试者表现出显著的大脑激活。
如图5所示，结果还表明，与辅助运动（较低用力水平）相比，非辅助运动（较高用力水平）相关的HbO浓度变化总体更高。然而，仅在对侧前运动皮层（PMC）观察到显著差异。该发现与此前多项关于人类的神经影像学研究结果一致，这些研究发现神经元激活程度随用力水平的增加而增强55,56。然而，大多数先前的研究集中于上肢，且多数聚焦于静态等长收缩任务，仅有少数研究评估了动态运动57,58,59。
相对较少的研究关注下肢。其中少数研究聚焦于静态运动任务。Alexandre 等人51&#160;研究了健康个体和慢性阻塞性肺疾病患者膝伸肌最大和次最大自主收缩（MVC）的fNIRS相关性。Yoon 等人52&#160;利用fMRI研究了在不同MVC水平下踝背屈肌等长收缩期间皮层激活的变化。其他研究则聚焦于步态60,61,62。Harada 等人60&#160;使用fNIRS研究了健康受试者在三种强度下行走时的皮层激活模式，发现行走速度和步频的增加与更高的皮层激活程度相关。Bonnal 等人62&#160;研究了健康受试者在不同物理辅助水平下外骨骼辅助步态过程中的皮层激活，发现两种无辅助条件（50% 和 100%）下的皮层激活最强，而在有辅助条件下皮层激活差异较小。本研究的结果总体上与这些先前研究的结果一致。
与上肢运动的神经控制相比，与下肢运动神经控制相关的皮层区域的作用目前仍知之甚少，研究也相对较少。尤其在康复领域，深入理解这些区域的功能对于揭示其神经可塑性变化的基础至关重要，这种可塑性可能由神经系统源性的运动障碍、运动训练或衰老等因素引起。如图4所示，在无辅助条件下，所有受试者均在PMC或SMA区域表现出激活。图中呈现的通道特异性结果表明，尽管激活呈双侧分布，但在对侧半球更为显著。总体而言，这些发现与Alexandre等人的研究结果一致51&#160;，该研究显示在膝关节伸展过程中，对侧初级运动皮层（M1）、初级躯体感觉皮层（S1）、PMC以及前额叶皮层（PFC）区域被激活。此外，这些发现也与Yoon等人的研究结果相符52&#160;，该研究发现踝关节背屈期间对侧M1、SMA、壳核、苍白球、扣带皮层以及同侧小脑出现激活；同时也与Ciccarelli等人的研究结果一致53&#160;，该研究发现踝关节运动期间对侧M1和感觉皮层、PMC以及皮层下区域均被激活。
半身运动被认为由大脑皮层的对侧半球控制。然而，已有研究报道在单手上肢运动56,63,64,以及单侧足部运动中存在同侧皮层的参与（另见65&#160;的综述）。与这些研究不同的是，本分析并未在所有受试者中均观察到体感运动皮层的一致性激活，如图4所示；此外，感兴趣区域（ROI）分析的结果也未显示显著激活。该结果可能归因于下肢对应的体感运动皮层相较于上肢更小且位置更深，其位于纵裂沟内66。此外，功能性近红外光谱（fNIRS）信号对非表浅脑区的敏感性较低67。
在比较无辅助与有辅助条件时，仅对侧PMC在两种条件下表现出显著不同的激活。考虑到该运动任务是视觉引导的，因此在无辅助条件下可能需要更多的注意力和运动努力，这一结果并不令人意外。PMC被认为在执行功能中发挥作用，包括运动准备和规划68。此外，最近的研究提示PMC还参与空间注意和工作记忆69。本研究结果与先前研究一致，突出了该脑区在执行功能68&#160;以及上肢70,71,72&#160;和下肢运动准备73中的作用。该结果也与涉及双任务步态研究的结果一致，后者显示了执行任务所需的注意力与PMC激活之间的相关性74,75。
本研究存在若干局限性。首先，样本量较小。未来的研究应在当前工作的基础上扩大样本量，并纳入更多样化的人群，例如女性及其他年龄组，以建立 HbO 和 HbR 的正常参考值（本研究包括 5 名男性和 1 名女性，年龄介于 40 至 62 岁之间）。其次，探头布局基于 10-10 EEG 系统，而感兴趣区域（ROI）分析采用了标准 MNI152 脑模板。未来的研究可采用个体化的结构 MRI、脑导航系统或高密度 fNIRS 技术。此外，记录仅在单次会话中进行，因此未评估受试者内部 fNIRS 记录的变异性。再者，HbO 与 HbR 的分析结果有所不同，尽管这两项指标均与相同的神经生理现象相关（即血流动力学响应函数）。然而，该差异与既往文献一致，表明这两种发色团对其他系统性混杂因素的敏感性不等，且对其解释尚无统一共识34。最后，由于在无辅助条件下每位受试者的游戏速度不同（因为只有在当前目标成功完成后才会开始下一次试验），这可能增加了受试者脑激活的变异性。
根据本项可行性研究的结果，我们计划在巴西圣卡洛斯联邦大学正在进行的一项试点临床研究中，采用与本文所述相似的fNIRS实验方案，旨在评估该机器人对慢性中风患者下肢运动能力的治疗效果。本文所呈现的大脑激活图谱可能为健康个体的大脑激活模式提供参考，有助于研究机器人疗法对下肢功能的影响。

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11,12，以及促进对健康个体运动的神经控制机制和运动学习机制的认识3,13,14。这些研究成果为改进康复治疗方案奠定了基础15。
在过去的二十年中，人们提出了多种用于下肢神经康复的机器人设备，其范围从在行走过程中支撑患者体重的外骨骼（例如，在跑步机上使用的Lokomat16），到允许患者在不行走的情况下锻炼踝关节、膝关节或足部的固定式机器人系统（例如Rutgers踝关节康复机器人17、高性能踝关节康复机器人18以及韩国光州科学技术院（GIST）踝/足康复机器人19），还包括由患者穿戴以在地面或跑步机上行走的主动式足部矫形器，即驱动型外骨骼（例如动力步态矫形器Powered Gait Orthosis20和MIT Anklebot21）。有关下肢康复机器人的综述，参见文献22,23,4。
针对中风患者下肢康复的机器人设备临床研究结果令人鼓舞，表明这些系统可能根据特定设备和临床方案改善关节活动范围（ROM）、肌力或步态（参见24,25以获取关于下肢康复机器人疗效的综述）。尽管已有假说认为机器人辅助治疗可促进神经可塑性改变，从而最终改善运动能力26，但中风后运动功能恢复的确切过程以及何种机器人训练方案最有利于下肢运动功能的恢复，目前仍大多不明确。事实上，康复机器人（无论是由学术研究人员还是商业机构开发）的快速发展与对运动恢复背后神经生理机制的有限理解之间，正存在显著且日益扩大的差距4。通过内置传感器采集的运动学参数或关节力矩数据，已在一定程度上弥补了这一空白，有助于定量描述患者恢复下肢运动能力过程中发生的运动行为变化27,28,29。然而，对这些行为变化背后的神经相关机制的研究仍相对不足。这由多种原因所致。
脑功能成像耗时较长，在临床试验中有时难以完成，而临床试验通常需要尽量减少患者的负担，以最大程度提高患者对研究的依从性。对于中风患者而言，这一问题尤为突出，因为中风后疲劳和肌力减弱经常出现30。此外，基于磁场的成像方式（如功能性磁共振成像，fMRI）要求患者和机器人硬件均具备磁安全性。
在非侵入性成像技术中，功能性近红外光谱成像（fNIRS）是一种特别适用于评估接受机器人治疗的受试者脑部激活区域的成像技术。与功能性磁共振成像（fMRI）类似，fNIRS可测量大脑中的血液氧合/脱氧状态。然而，与fMRI不同的是，fNIRS与机器人设备完全兼容，且通常具有便携性，甚至可在床旁使用。此外，fNIRS成本较低，对运动伪影的敏感性也更小31,32,33。
尽管功能性近红外光谱成像（fNIRS）自20世纪70年代末首次引入以来，在许多临床环境中具有明显优势并得到广泛应用34，但仅有少数研究利用fNIRS来量化与下肢运动及中风后运动功能恢复相关的脑激活。旨在阐明运动神经控制机制和/或中风后运动功能恢复机制或评估方法的fNIRS研究，主要集中在单关节运动（如背屈、跖屈或膝关节伸展运动35,36,37）、步行38,39,40,41,42,43或骑行44。参见45以获取综述。类似地，关于下肢机器人辅助治疗的fNIRS研究也主要集中于机器人辅助步态康复；参见46以获取综述。少数研究聚焦于将fNIRS作为脑-机接口（BCI）系统的一部分，用于生成机器人设备的控制信号47,48；尽管该研究领域同样依赖于fNIRS信号的处理，但其目标不同，主要集中在解码患者意图（例如，严重运动障碍患者）。
本初步研究旨在探索一种用于下肢康复的机器人系统的疗效。该机器人可提供以目标为导向的下肢康复训练，既可进行日常多关节运动训练，也可针对下肢单个关节（如膝关节或踝关节）实施治疗（即执行自下而上的康复方案）。
本研究旨在探讨一种实验方案的可行性，该方案要求在执行下肢多关节指向运动期间采集功能性近红外光谱（fNIRS）数据。本研究的数据采集时间仅为6分钟，短于典型的fNIRS实验方案。这一设计是有意为之，旨在提高本研究的实用性与临床适用性，尤其针对活动能力或肌力受限的患者。此外，研究还关注此类复杂多关节运动对应的fNIRS信号特征，以及机器人辅助如何调节大脑激活模式。为此，对同一组受试者进行了两次实验：一次在无机器人辅助条件下进行，另一次在有机器人辅助条件下进行。最后需要强调的是，本研究聚焦于健康受试者，旨在为未来研究奠定基础，以评估面向机器人治疗运动的脑激活记录方案的可行性。
仪器设备 
采用一种用于下肢康复训练的便携式机器人（见图1）进行实验。该机器人具有三维可达工作空间，结构紧凑、重量轻，总重约35磅，便于运输和安装。
<img alt="A) 游戏动作控制测试装置，B) 动作传感器细节，C) 交互式游戏界面。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66004/66004fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 1"> 
图1：实验装置。（A）用于下肢的机器人系统（安装于地面）。图中显示一名志愿者正在使用接口，右脚连接设备。（B）受试者足部的支撑结构，用于连接至机器人系统。（C）《野餐》游戏的截图。游戏目标是将足部（绿色与白色鞋）移动至目标位置（黄色圆圈）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66004/66004fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
该机器人系统旨在协助患者完成类似日常活动中下肢动作的运动，例如指向或踢腿动作。系统采用交互式虚拟现实游戏，显示在机器人装置前方的计算机显示器或电视屏幕上（见图1）。机器人末端执行器连接至患者的下肢（例如脚踝），其位置与屏幕上的光标位置相对应。典型的游戏会向患者显示运动目标（例如需要指向的物体或踢球的位置）。
为了完成运动任务，机器人可为患者提供不同程度的辅助，从完全辅助到无辅助均可实现。机器人辅助的级别在每次康复训练开始时根据患者的运动功能障碍程度进行选择。受试者执行的运动被游戏用来评估患者的表现，并向其提供有关表现的反馈（例如，关节活动范围、运动次数和机器人辅助级别）。这些游戏旨在具有互动性和趣味性，以维持患者的兴趣和注意力。在本研究中，参与者进行了“野餐游戏”，玩家需要阻止昆虫到达毛巾处并偷走食物（见图1底部面板的截图）。
使用便携式功能性近红外光谱（fNIRS）采集系统进行数据采集，该系统配备两种不同波长的连续波光学探头（760 nm 和 850 nm）、8 个双端发光二极管光源以及 8 个双端有源探测器。信号以 10.17 Hz 的采样率进行采集。通过 fNIRS 系统创建的 Wi-Fi 网络，使用笔记本电脑进行校准优化和信号记录。
使用一个帽具将光学探头固定在预定位置。光源和探测器根据国际10-10脑电图系统以网格状空间分布进行放置。每个fNIRS通道由一对光源-探测器定义，其探头间距约为30 mm。光学探头被放置在辅助运动区、前运动区和运动区，具体位置如图2所示。通道总数为28个，其中8个为短距离通道，通过光纤适配器将每个光源与单个探测器耦合。由于硬件的多路复用设置，仅使用一个探测器即可从所有光源获取短距离信号信息。
<img alt="脑电图电极放置示意图；展示用于脑活动成像的头皮电极位置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66004/66004fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图2"> 
图2：使用10-10脑电图系统的导联布局。 字母和数字表示光源/探测器的位置。红点和蓝点分别代表光源和探测器光极。绿线代表功能性近红外光谱（fNIRS）通道，由光源与探测器配对组成。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66004/66004fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
实验设计 
本实验在两种不同的实验条件下进行，两种条件的区别在于机器人对受试者运动提供的辅助程度。在第一种条件下，机器人被设定为不对受试者的运动提供任何辅助；在第二种条件下，机器人控制受试者的足部和腿部运动（机器人辅助运动）。
每项实验均采用区组设计范式，包括交替进行的运动任务阶段（玩游戏，30 秒）和休息阶段（30 秒），如图 3所示。每个阶段（游戏/运动任务或休息）的开始和结束均通过计算机屏幕向受试者进行视觉提示。在休息阶段，屏幕上会显示提示暂停的信息。每个周期（游戏/运动任务 + 休息）持续 60 秒，共重复六次，总时长为 360 秒（6 分钟）。
参与者进行了“野餐游戏”，其目标是防止昆虫到达毛巾并偷走食物。该游戏包含一系列下肢运动，从指定的起始目标（初始位置）开始，延伸至三个外部目标之一，然后返回起始目标。在屏幕上，外部目标以动画形式呈现为移动的昆虫，参与者需要触及并踩踏这些目标。共有三个外部目标，每个目标被随机呈现的次数相等，每次运动均使用同一个起始目标。足部从起始目标移动至外部目标位置所需经过的距离呈弧形，长度约为26 cm。该运动任务要求执行多关节运动，需要协调膝关节屈伸、足底屈曲和背屈动作。
通过机器人生成的晶体管-晶体管逻辑（TTL）脉冲，将fNIRS数据记录与游戏向受试者呈现的视觉刺激同步。每个阶段（游戏/操作和休息）开始时均产生脉冲。因此，所有时间控制均由游戏完成，游戏向参与者提供视觉提示（目标）以启动每次动作，同时向fNIRS系统发送TTL信号以标记脑活动记录，并在实验需要时向机器人控制系统发送信号以启动运动辅助。

<table><tbody><tr><td>32 英寸智能电视</td><td>Samsung</td><td>不适用</td><td>通过 HDMI 线缆连接至机器人的电视</td></tr><tr><td>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</td><td>NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA)</td><td>https://nirx.net/nirsport</td><td></td></tr><tr><td>带双端探头的 8 光源探头束，用于光学照明</td><td>NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA)</td><td>https://nirx.net/nirsport</td><td></td></tr><tr><td>Aurora 数据采集软件</td><td>NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA)</td><td>https://nirx.net/nirsport</td><td></td></tr><tr><td>笔记本电脑 Precision XPS 13</td><td>Dell Technologies (Round Rock, TX, USA)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>nirsLAB fNIRS 分析软件</td><td>NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA)</td><td>https://nirx.net/nirsport</td><td></td></tr><tr><td>NIRSports2 fNIRS 数据采集系统</td><td>NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA)</td><td>https://nirx.net/nirsport</td><td>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。</td></tr><tr><td>R</td><td>R-project.org (开源软件)</td><td>https://www.r-project.org/</td><td></td></tr><tr><td>标准剪裁帽，黑色，最多可容纳 128 个探头 holder</td><td>Easycap GmbH (W&amp;ouml;rthsee, Germany)</td><td>https://www.easycap.de/</td><td></td></tr><tr><td>Vivax 辅助康复机器（ARM）&amp;nbsp;</td><td>Vivax Ltda (S&amp;atilde;o Paulo, Brazil)</td><td>https://vivaxbr.com/home/</td><td>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。&amp;nbsp;</td></tr></tbody></table>

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

An Experiment Using Functional Near-Infrared Spectroscopy and Robot-Assisted Multi-Joint Pointing Movements of the Lower Limb

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。

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 &lt; 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 &lt; 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，只有左侧前运动皮层在游戏/玩耍相对于静息状态的比较中显示出氧合血红蛋白（HbO）激活的统计学显著增加（p = 0.046），且仅出现在无机器人辅助的条件下。此外，该感兴趣区域在无机器人辅助条件下的激活程度高于有机器人辅助条件（p = 0.016）。其他感兴趣区域或基于脱氧血红蛋白（HbR）的分析中均未发现统计学显著差异，无论是在游戏/玩耍与静息状态的比较中，还是在不同条件之间的比较中（p&gt;0.05）。因此，在组水平上，左侧躯体运动皮层、辅助运动区（SMA）或基于HbR的分析中均未发现统计学显著差异。
<img alt="交替进行的活动-休息示意图，游戏间隔；时间安排展示，时间管理概念。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66004/66004fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：采用游戏状态与静息状态交替区块的区组设计实验。 受试者连续进行“野餐”游戏30秒（游戏期），随后保持静止30秒（休息期）。该循环重复6次，共计6分钟实验时长（注：图中仅显示150秒）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66004/66004fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="显示HbO、HbR的fNIRS脑激活图；机器人辅助与无辅助对比示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66004/66004fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 4"> 
图4：单个受试者的脑部阈值化统计激活图。 六名受试者（S1-S6）在两种实验条件下（有机器人辅助与无机器人辅助运动）的HbO和HbR单个受试者脑部阈值化（通道p值 &lt; 0.01）统计激活图。请注意，仅展示具有统计学显著性激活的图像（即，空白位置表示该特定组合下未观察到显著激活）。颜色条表示每个fNIRS通道激活系数（GLM beta）的t统计量幅度。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66004/66004fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="左侧前运动区激活系数，p=0.016；散点图显示每位受试者的数据点。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66004/66004fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 5"> 
图5：基于HbO信号的左侧前运动皮层激活情况。 如步骤5.2所述，采用广义线性模型（GLM）估计β系数，并对每位受试者、每种实验条件（无辅助与有辅助运动）以及特定通道的激活幅度进行量化（注意：感兴趣区域（ROI）的β值是通过对左侧前运动皮层内各通道取平均获得的）。点图直观展示了每位受试者在不同条件下ROI的平均β系数，其中红点和绿点分别代表有辅助和无辅助运动。对于每位受试者，无辅助条件下的ROI β系数均高于有辅助条件，表明前者的激活程度更高。该结果在所有受试者中具有一致性。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66004/66004fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

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。

中风每年影响全球约1700万人，是导致长期残疾的主要原因之一。机器人疗法已显示出良好的应用前景……

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。

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Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

使用功能性近红外光谱和机器人辅助下肢多关节指向运动的实验

神经-机器接口（NMI）已开发用于识别用户的运动模式。这些神经-机器接口在动力型假肢腿的神经控制方面具有潜在应用价值，但尚未得到充分验证。本文介绍了（1）我们设计的工程平台，可便捷地实现和开发用于动力型下肢假肢的神经控制；以及（2）在实验室环境中评估神经控制型假肢腿的安全高效实验装置与操作流程，适用于下肢截肢患者。...

用于设计与评估神经控制动力型股骨上假肢的工程平台及实验方案

在研究运动障碍的神经机制时，监测直立姿势下运动任务期间的大脑活动具有重要价值。本文展示了一种结合功能性近红外光谱成像与肌肉及运动学活动连续监测的技术方案，用于四种类型运动任务中的脑功能研究。...

运动任务期间同步监测运动学与肌电图的感官及运动脑区功能近红外光谱成像

随着假肢技术的发展朝着实现自然控制的目标迈进，利用截肢者学习新运动技能的固有潜能可能有助于提升操作熟练度。本文描述了一种结构化的康复训练方案，该方案包含模仿、重复和强化学习策略，旨在改善多功能假肢的控制能力。...

一种用于提升多功能假肢控制能力的结构化康复方案：一项案例研究

对肌肉功能进行客观评估具有挑战性，尤其是在儿童中。基于一种 commercially available 的数字 3-D...

使用三维传感器对上肢功能进行客观且适合儿童的评估

我们提出了一种新颖的结合行为学与神经影像学的实验方案，该方案采用实时视频投影技术，旨在在磁共振成像扫描环境中表征伴有幻肢痛的下肢截肢受试者在接受镜像疗法时相关的神经活动特征。...

用于表征幻肢痛镜像疗法相关神经关联的 MRI 实时视频投影

通过使用带有肌电图（EMG）测量功能的机器人等速装置，本方案表明，等速运动本身可提高对轻度肘屈肌痉挛的卒中患者在“卡住角度”测量中的评定者间可靠性。...

用于提高痉挛型卒中患者牵张反射测量重测信度和评分者间信度的等速机器人装置

我们介绍一种运动学分析方法，该方法使用包含四个摄像头的三维运动捕捉装置和数据处理软件，用于在涉及啮齿类动物模型的基础研究中进行功能评估。...

坐骨神经挤压损伤大鼠模型功能评估的三维运动学分析

我们描述了使用区组设计结合感觉运动任务的连续波功能近红外光谱实验的分析方法。为了提高数据分析的可靠性，我们采用了基于定性一般线性模型的统计参数映射方法，以及用于多通道数据比较的分层混合模型。...

基于区组设计的功能性近红外光谱实验中的定性与比较性皮层活动数据分析

慢性卒中患者的保险康复治疗通常有时间限制。基于影像学的步行相关运动任务脑活动研究，有助于建立生物标志物以评估改善效果，并为延长个体化治疗提供依据。本文介绍了一种新型的磁共振兼容可变阻力足部运动装置，以及在功能磁共振成像期间使用该装置的实验方案。...

使用足部诱发的数字控制阻力装置对足部轻瘫患者进行功能性磁共振成像评估

本研究探讨功能性作业疗法结合辅助主动或被动运动对右侧大脑半球损伤患者上肢功能的影响，并探索功能近红外光谱技术对脑功能重塑的作用。...

基于功能性近红外光谱技术探究不同类型运动对右半球损伤患者上肢功能恢复的影响

本方案建立了一种利用无标记跑台实验结合深度学习驱动的多关节轨迹自动标注技术的大鼠后肢运动学评估流程，可实现可重复的运动量化分析。...

基于深度学习的多关节同步追踪用于大鼠后肢运动学的客观量化

了解功能性近红外光谱技术在机器人辅助下肢多关节运动康复中的应用。本研究通过同步采集fNIRS数据与机器人运动数据，评估脑卒中患者运动恢复过程中的大脑激活模式，为神经康复机制研究提供新见解。

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

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