이 연구는 뇌졸중 후 전뇌 네트워크 토폴로지 향상에 대한 구성 가능한 소프트 공압 로봇의 효과를 탐구합니다. 그래프 이론 분석은 클러스터링 계수, 경로 길이 및 전역 효율성이 크게 향상되었음을 나타냅니다. 연구 결과는 뇌졸중 재활에서 신경가소성을 조절하고 기능 회복을 최적화하는 프로그래밍 가능한 로봇 프로토콜의 잠재력을 강조합니다.
방법 논문
이 연구는 뇌졸중 후 전뇌 네트워크 토폴로지 향상에 대한 구성 가능한 소프트 공압 로봇의 효과를 탐구합니다. 그래프 이론 분석은 클러스터링 계수, 경로 길이 및 전역 효율성이 크게 향상되었음을 나타냅니다. 연구 결과는 뇌졸중 재활에서 신경가소성을 조절하고 기능 회복을 최적화하는 프로그래밍 가능한 로봇 프로토콜의 잠재력을 강조합니다.
대뇌 피질의 기능적 회복은 뇌졸중 후 활동 의존적 신경가소성에 의존합니다. 그러나 손 회복을 위해 로봇 재활을 최적화하는 것은 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 이 개념 증명 연구는 뇌졸중 후 손 운동 장애가 있는 10명의 참가자를 대상으로 뇌 네트워크를 조절하는 구성 가능한 소프트 공압 로봇의 타당성을 조사합니다. 프로그래밍 가능한 로봇 개입은 작업 모드, 행동 시간 및 상호 작용 시간을 조정하여 휴식 상태 평가, 저속 모드 및 고속 모드 로봇 치료를 위해 무작위 순서로 관리되었습니다. 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)을 사용하여 피질 활동과 기능적 연결성을 측정했습니다. 또한 클러스터링 계수, 평균 경로 길이, 소세계 지수, 전역 효율성, 차수 중심성 및 고유 벡터 중심성을 포함한 그래프 이론 메트릭은 fNIRS 기반 기능적 연결 행렬에서 파생되었습니다. 결과는 로봇 개입이 클러스터링 계수(P = 0.034), 평균 경로 길이(P = 0.007) 및 전체 효율성(P = 0.001)을 크게 개선했음을 보여주었습니다. 소세계 지수, 차수 중심성 및 고유벡터 중심성은 증가 추세를 보였지만 이러한 차이는 통계적 유의성에 도달하지 못했습니다. 더욱이, 빠른 모드 요법은 느린 모드 요법에 비해 클러스터링 계수에서 더 실질적인 변화를 유도하여 신경 재구성에 잠재적으로 더 강한 효과를 시사합니다. 이러한 발견은 뇌 네트워크 연결성을 강화하고 뇌졸중 후 신경가소성을 촉진하기 위해 조정 가능한 패러다임을 갖춘 소프트 로봇 공학의 사용을 예비적으로 뒷받침합니다. 관찰된 글로벌 효율성과 소세계 특성의 개선은 로봇 치료가 피질 조직을 최적화하여 기능 회복을 촉진한다는 것을 나타냅니다. 이러한 결과를 확인하고 장기적인 효과를 탐색하기 위해서는 더 큰 표본 크기와 개인화된 개입 프로토콜을 사용한 추가 연구가 필요합니다.
뇌졸중은 전 세계 성인의 사망 및 장기 장애의 주요 원인으로 남아 있습니다1. 쇠약하게 만드는 후유증 중 손 운동 장애는 필수적인 일상 활동과 기능적 독립성을 크게 손상시켜 뇌졸중 생존자의 사회 참여와 삶의 질을 감소시킵니다 2,3. 물리 의학과 재활은 운동 회복에 중요하지만 기존의 치료 접근법은 뇌졸중 후 신경 재구성의 복잡성과 개인 간 가변성으로 인해 일관되지 않은 결과를 낳는 경우가 많습니다4.
최근 몇 년 동안 로봇 보조 치료(RAT)는 운동 회복을 촉진하기 위해 고강도, 반복적, 작업별 훈련을 제공하는 능력으로 큰 주목을 받았습니다5. 이러한 개입을 보다 효과적으로 맞춤화하려면 로봇 개입에 의한 직접 조절에 신경 바이오마커에 대한 더 나은 이해가 중요합니다. 이는 궁극적으로 치료 전략을 최적화하고 손재주를 촉진하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이전 연구에서 복셀 기반 병변 증상 매핑은 뇌졸중 후 상지의 근위 손상이 피질 운동 영역 및 선조체의 하행관 결함과 관련이 있을 수 있음을 나타냅니다. 이와는 달리 손 손상은 뇌 피질의 고립된 손상으로 인해 발생합니다6. 그러나 손 기능에 대한 임상 결과는 여전히 다양하며 운동 회복의 기초가 되는 신경 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다 7,8,9. 또한 대부분의 상용 로봇 훈련은 적응성이 제한된 사전 정의된 프로토콜을 따릅니다. 이는 환자별 요구 사항을 해결하지 못하고 잠재적으로 임상 효과를 제한합니다10.
지난 수십 년 동안 신경영상 연구는 기능적 활동과 연결성의 변화를 특징으로 하는 뇌졸중 회복에서 뇌 네트워크 재구성의 중추적인 역할을 강조했습니다. 피질 혈역학을 모니터링하기 위한 비침습적 기술인 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)은 신경 역학을 평가하고 재활 설정을 안내하는 데 유용한 도구로 부상했습니다11. 모션 아티팩트에 대한 휴대성과 견고성은 로봇 치료 중 실시간 모니터링 및 정보 전송에 특히 적합합니다12. 이전 연구에서는 운동 훈련 후 피질 상호 연결성의 변화를 문서화했지만 전체 뇌 네트워크 토폴로지에 대한 RAT의 효과는 아직 충분히 탐구되지 않았습니다13.
뇌 네트워크 토폴로지의 변화를 특성화하는 것은 뇌 허혈성 또는 출혈성 손상 후 기능 회복의 기초가 되는 신경가소성 과정에 대한 귀중한 창을 제공합니다. 인간의 뇌는 복잡한 네트워크로 작동하며, 여기서 신경학적 기능 또는 복구는 지역적 무결성과 여러 영역 간의 동적 상호 작용에 모두 의존합니다14. 이러한 상황에서 그래프 이론은 대규모 뇌 네트워크 아키텍처를 정량화하기 위한 강력한 프레임워크를 제공하여 결절 수준15에서 피질 조직에 대한 통찰력을 제공합니다. 클러스터링 계수, 평균 경로 길이, 전역 효율성과 같은 주요 네트워크 지표를 계산함으로써 연구자들은 RAT가 신경 정보 처리 및 전송 용량에 어떤 영향을 미치는지 평가할 수 있습니다. 이전 문헌에서 볼 수 있듯이 뇌졸중으로 인한 네트워크 무결성 중단은 종종 작은 세계 속성 및 전체 위상 조직의 변경으로 나타납니다16,17. 재활, 특히 작업별 반복 훈련은 피질 재구성과 관련이 있습니다. 그러나 이러한 네트워크 역학에 대한 다양한 로봇 개입의 정확한 영향은 여전히 부적절하게 이해되고 있습니다18.
이 연구는 뇌졸중 환자의 뇌 네트워크 역학을 조절하는 프로그래밍 가능한 연질 공압 로봇의 타당성을 조사하는 것을 목표로 합니다. 기존 로봇 패러다임의 손 굴곡/신전 운동과 비교하여 현재의 공압 로봇은 잡기, 풀기, 핀치19,20과 같은 원하는 움직임에 대한 작업 모드, 동작 시간 및 상호 작용 시간을 맞춤화하는 데 장점이 있습니다. 인간-로봇 상호 작용의 이러한 다양한 모드는 감각 운동 피질 영역에 보다 표적화된 자극을 제공할 수 있습니다. 이러한 패러다임은 손 기능 회복과 관련된 영역에서 잠재적으로 신경가소성을 촉진할 수 있습니다13. 또한 다양한 치료 조건에 걸친 fNIRS 기반 그래프 이론 분석을 활용하여 개별화된 로봇 전략이 손 운동 회복을 어떻게 최적화할 수 있는지 평가했습니다. 또한, 소프트 로봇 재활의 기초가 되는 신경 메커니즘을 예비적으로 밝힐 수 있습니다. 이러한 네트워크 수준 적응을 이해하면 표적화된 신경생리학 기반 재활 프로토콜의 개발에 정보를 제공하여 궁극적으로 뇌졸중 생존자의 손 회복을 향상시킬 수 있습니다.
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이 연구는 중국 우한에 있는 Tongji 병원 윤리위원회의 승인을 받았습니다. 모든 연구 프로토콜은 헬싱키 선언에 설명된 원칙을 준수했습니다. 연구에 포함되기 전에 모든 참가자로부터 서면 동의서를 얻었습니다. 사용된 장비 및 소프트웨어는 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 참가자
2. 소프트 공압 로봇 시스템

그림 1: 실험 장비 및 구성. (A) 실험 설정. (B) 소프트 로봇 구성. (C) 소프트 공압 로봇. (D) fNIRS 구성 및 보정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 기능적 근적외선 분광법(fNIRS) 시스템

그림 2: fNIRS 시스템의 실험 설정 및 신경 평가. (A) fNIRS 시스템 및 데이터 수집 프로토콜의 옵토드 구성. (B) 전방, 후방, 좌측, 우측 및 상부 관점에서 뇌 활성화를 시각화합니다. (C) 전뇌 기능적 연결성 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
4. 데이터 분석






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총 10명의 뇌졸중 환자가 연구에 등록되어 휴식 상태 평가, 저속 모드 로봇 요법 및 고속 모드 로봇 요법을 무작위 순서로 받았습니다. 결과는 로봇 프로토콜을 프로그래밍하고 뇌 네트워크의 그래프 이론 메트릭을 계산하여 신경가소성 조절을 개별화하는 타당성을 입증했습니다. 소프트 로봇 치료 중에 동시 fNIRS 평가를 통해 뇌 활성화 및 기능적 연결 데이터를 모두 획득할 수 있었습니다.
모든 참가자는 연구 프로토콜을 성공적으로 완료했으며 소프트 로봇 치료에서 누락된 데이터는 없었습니다. 휴식 상태 평가에서 그래프 이론 메트릭의 평균값(± 표준 편차)은 다음과 같습니다: 클러스터링 계수, 0.56 ± 0.08; 평균 경로 길이, 2.75 ± 0.25; 스몰월드 지수, 3.37 ± 0.50; 글로벌 효율성, 0.26 ± 0.10; 도수 중심성, 15.15 ± 8.84; 및 고유벡터 중심성, 0.26 ± 0.06(...
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이 연구는 fNIRS 기반 그래프 이론 분석을 사용하여 뇌졸중 환자의 뇌 네트워크 역학에 대한 구성 가능한 연질 공압 로봇의 신경가소성 효과를 조사했습니다. 연구 결과는 소프트 로봇 치료가 분산 뇌 네트워크의 토폴로지 구성을 효과적으로 조절하고 참가자들이 높은 순응도를 보여준다는 것을 시사합니다. 구체적으로, 클러스터링 계수, 평균 경로 길이 및 전역 효율성에서 상당한 변화가 관찰되었습니다. 소세계 지수, 차수 중심성, 고유벡터 중심성은 증가 추세를 보였지만 그 변화는 통계적 유의성에 도달하지 못했습니다. 이러한 결과는 뇌졸중 재활에서 신경 연결성을 강화하고 뇌 네트워크 재구성을 촉진하기 위해 소프트 로봇 개입을 맞춤화할 수 있는 잠재력을 강조합니다.
로봇의 치료 잠재력은 뇌졸중 후 신경가소성의 중요한 요소인 반복적이고 개별화된 감각 운동 자극을 전달하는 능력에 있습니다25. ...
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이 작업은 후베이성 주요 과학 기술 특별 프로젝트(No. 2023BCA002), Huazhong University of Science and Technology의 학제 간 연구 지원 프로그램(No. 2024JCYJ067), 중국 후베이성 자연 과학 재단(No. 2024AFB043) 및 Tongji 병원 연구 기금(No. 2024B24)의 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 106채널 fNIRS 장치 | 우한 즈니언 테크놀로지 주식회사 | BS-2000 | 프로그램 실행 |
| 플린저 관절 재활 시스템 | 난징 리시더 의료기술유한회사. | RSD RS3 | 재활 개입 |
| R 소프트웨어 | R 재단 | 버전 4.2.1 | 통계 분석 |
| SPSS 소프트웨어 | IBM | 버전 22.0 | 통계 분석 |
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