結(jié)合運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)提高機(jī)器人輔助康復(fù)過程中的參與度

研究目的： 

為了恢復(fù)腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)能力，各種康復(fù)機(jī)器人設(shè)備被開發(fā)出來以輔助康復(fù)訓(xùn)練。許多康復(fù)機(jī)器人的臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，僅被動(dòng)運(yùn)動(dòng)不足以達(dá)到預(yù)期的康復(fù)效果。在運(yùn)動(dòng)康復(fù)中，主動(dòng)參與被證明能夠誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性。機(jī)器人輔助康復(fù)研究的重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到激勵(lì)患者積極參與訓(xùn)練，以提高康復(fù)效率。本研究的目的是探討在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程中，運(yùn)動(dòng)想象對(duì)機(jī)器人輔助康復(fù)的影響。

實(shí)驗(yàn)方法：

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)施了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其中10 名健康受試者被招募參加兩組獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)。兩次實(shí)驗(yàn)均采用基于聽覺線索的實(shí)驗(yàn)范式（圖1）。在第一組實(shí)驗(yàn)中，受試被要求在提示后想象用右手拉動(dòng)上肢康復(fù)機(jī)器人，然后機(jī)器人設(shè)備在MI 過程中驅(qū)動(dòng)手臂；而在第二組實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人設(shè)備驅(qū)動(dòng)用戶移動(dòng)，而受試不需要執(zhí)行MI 任務(wù)。在實(shí)驗(yàn)中，受試者被要求閉上眼睛。在實(shí)驗(yàn)過程中，用64 導(dǎo)ANT Neuro eego TM rt 記錄腦電，并通過OpenViBE V2.0.1 流式傳輸。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 上肢康復(fù)機(jī)器人裝置

研究結(jié)果：

通過小波變換進(jìn)行時(shí)頻分析，提取α波(8-13Hz)和β波(13-30Hz)的能量值。計(jì)算修正ERD 比率：

其中，S1 為運(yùn)動(dòng)想象狀態(tài)或被動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，S2 為靜息狀態(tài)。

采用重復(fù)測(cè)量方差分析（ANOVA）對(duì)運(yùn)動(dòng)想象（MI）、被動(dòng)運(yùn)動(dòng)（PM）和MI+PM 三種狀態(tài)下ERD 比率的差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖3 為基于ERD 比率的ERD 地形圖。結(jié)果顯示：

MI：受試者2、3、5出現(xiàn)明顯ERD，對(duì)側(cè)更強(qiáng)。受試者1、4、6、7、8均未檢測(cè)到明顯的ERD。

PM：受試者1、3、4、5在雙側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)（C3和C4附近）檢測(cè)到ERD，對(duì)側(cè)ERD更強(qiáng)。受試者8在雙側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)檢測(cè)到ERD，同側(cè)更強(qiáng)。受試者2和6在對(duì)側(cè)（C3附近）檢測(cè)到ERD。受試者7未檢測(cè)到明顯的ERD。

MI+PM：受試者1,2,3,4,5,6,7,8在雙側(cè)或單側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)皮層（C3和/或C4附近）檢測(cè)到明顯的ERD，其強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于MI和PM。圖4顯示了受試者3在通道C3上各個(gè)狀態(tài)的功率譜密度。以靜息態(tài)的功率為基線，三種狀態(tài)下均出現(xiàn)了明顯的ERD，且MI+PM的ERD更強(qiáng)。重復(fù)測(cè)量的單因素方差分析表明，不同狀態(tài)下的ERD比率差異顯著，合并MI和PM后，ERD比率比單獨(dú)使用兩者中的任何一個(gè)都顯著降低（MI+PM：73.89%；MI：91.16；PM：81.66）。

圖3 各被試的ERD地形圖

圖4 受試者3在通道C3上各個(gè)狀態(tài)的功率譜密度情況

研究結(jié)論：

（1）結(jié)果表明：被動(dòng)運(yùn)動(dòng)（PM）與MI相結(jié)合時(shí)，感覺運(yùn)動(dòng)皮層（SM1）的激活最強(qiáng)。研究說明，機(jī)器人輔助訓(xùn)練結(jié)合MI任務(wù)可以提高受試者的參與度，表現(xiàn)為事件相關(guān)去同步化（ERD）更強(qiáng)，從而對(duì)SM1產(chǎn)生更強(qiáng)的刺激。

（2）這一跡象可以解釋為什么只有機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)在臨床實(shí)踐中康復(fù)效率低。這一結(jié)果也有助于理解腦-機(jī)接口（BCI）支持的康復(fù)治療機(jī)制，它可以通過閉合運(yùn)動(dòng)意圖和感覺運(yùn)動(dòng)反饋之間的回路來提高康復(fù)效率。

參考文獻(xiàn)：

Jia, T., Li, C., Guan, X., & Ji, L. (2019, July). Enhancing Engagement during Robot-Assisted Rehabilitation Integrated with Motor Imagery Task. In Proceedings of the 2019 International Conference on Intelligent Medicine and Health (pp. 12-16).