软体气动机器人调节中风后手功能康复的脑网络图论指标

我们研究了可编程软体气动机器人在调节中风患者脑网络动态方面的可行性。采用了多种人机交互模式，并结合基于功能性近红外光谱（fNIRS）的图论分析方法。首先，启动机器人系统，并将两个气泵的电源线分别连接至电源插座和软体气动手套。

协助受试者将柔软的气动机器人穿戴在患侧手上，确保其牢固地贴合手掌和手指。使用维可牢（Velcro）绑带固定机器人，从拇指背侧至手掌侧的鱼际隆起处进行稳固固定。现在，在控制界面上选择合适的充气/放气模式。

确认参数设置不会对受试者造成不适。使用连续波功能近红外光谱系统记录所有受试者的数据。发射波长为690纳米和830纳米的近红外光，穿透至大脑皮层下2至3厘米处，采样频率为100赫兹。

现在选择一个尺寸合适的功能性近红外光谱成像帽。将传感器编号标签置于前额中心略上方，并与10-20系统脑电图（EEG）的FpZ和Cz光极位置对齐。使用弹性头带固定探测器和光源，以确保与皮肤充分接触。

指导受试者在数据采集期间保持安静、放松状态，头部静止且睁眼。在开始正式数据采集前，指导受试者安静休息两分钟，避免入睡。在连接功能性近红外光谱系统的计算机软件界面上选择实验方案。

进行信号校准以尽量减少光泄漏，目标信号强度为75%或更高，同时噪声尽可能低。如果校准失败，请调整传感器的位置并重新进行校准。光学传感器包含发光二极管和光电探测器，设计用于在特定波长下发射和检测近红外光。

从软件界面启动大脑皮层数据记录，同时指导受试者保持放松并避免头部移动。按照随机化顺序开始实验任务，并持续采集脑部氧合与血流动力学数据。任务完成后，停止数据采集，并安全保存记录的实验数据。

然后通过可视化脑区氧合血红蛋白浓度的变化，生成三维脑激活图。利用解剖学标志点和国际10-20系统，将功能性近红外光谱技术的检测通道投射到相应的脑区。最后，从功能性近红外光谱数据得出的功能连接矩阵中提取图论指标，包括聚类系数、平均路径长度、小世界指数、全局效率、度中心性以及特征向量中心性。

共有10名脑卒中患者参与了本研究，并以随机顺序接受了静息态评估、慢速模式机器人治疗和快速模式机器人治疗。在与柔性气动机器人交互后，聚类系数、平均路径长度和全局效率均出现显著改善，而小世界指数、度中心性和特征向量中心性则未发生显著变化。柔性机器人治疗可有效调节分布式脑网络在聚类系数、平均路径长度和全局效率方面的拓扑结构组织。

这些结果强调了理论软体机器人干预在增强神经连接性和促进中风康复期间脑网络重组方面的潜力。我们发现，机器人辅助康复干预可改善中风幸存者的功能预后。应结合先进的神经影像学和计算技术，根据患者的神经生理学特征定制干预方案。