結(jié)合運動想象任務(wù)提高機器人輔助康復(fù)過程中的參與度

研究目的： 

為了恢復(fù)腦卒中患者的運動能力，各種康復(fù)機器人設(shè)備被開發(fā)出來以輔助康復(fù)訓(xùn)練。許多康復(fù)機器人的臨床實驗結(jié)果表明，僅被動運動不足以達到預(yù)期的康復(fù)效果。在運動康復(fù)中，主動參與被證明能夠誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性。機器人輔助康復(fù)研究的重點已轉(zhuǎn)移到激勵患者積極參與訓(xùn)練，以提高康復(fù)效率。本研究的目的是探討在運動訓(xùn)練過程中，運動想象對機器人輔助康復(fù)的影響。

實驗方法：

本研究設(shè)計并實施了一項實驗，其中10 名健康受試者被招募參加兩組獨立的實驗。兩次實驗均采用基于聽覺線索的實驗范式（圖1）。在第一組實驗中，受試被要求在提示后想象用右手拉動上肢康復(fù)機器人，然后機器人設(shè)備在MI 過程中驅(qū)動手臂；而在第二組實驗中，機器人設(shè)備驅(qū)動用戶移動，而受試不需要執(zhí)行MI 任務(wù)。在實驗中，受試者被要求閉上眼睛。在實驗過程中，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 實驗設(shè)計

圖2 上肢康復(fù)機器人裝置

研究結(jié)果：

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

其中，S1 為運動想象狀態(tài)或被動運動狀態(tài)，S2 為靜息狀態(tài)。

采用重復(fù)測量方差分析（ANOVA）對運動想象（MI）、被動運動（PM）和MI+PM 三種狀態(tài)下ERD 比率的差異進行統(tǒng)計分析。

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，對側(cè)更強。受試者1、4、6、7、8均未檢測到明顯的ERD。

PM：受試者1、3、4、5在雙側(cè)感覺運動皮質(zhì)（C3和C4附近）檢測到ERD，對側(cè)ERD更強。受試者8在雙側(cè)感覺運動皮質(zhì)檢測到ERD，同側(cè)更強。受試者2和6在對側(cè)（C3附近）檢測到ERD。受試者7未檢測到明顯的ERD。

MI+PM：受試者1,2,3,4,5,6,7,8在雙側(cè)或單側(cè)感覺運動皮層（C3和/或C4附近）檢測到明顯的ERD，其強度遠強于MI和PM。圖4顯示了受試者3在通道C3上各個狀態(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。重復(fù)測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比率比單獨使用兩者中的任何一個都顯著降低（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上各個狀態(tài)的功率譜密度情況

研究結(jié)論：

（1）結(jié)果表明：被動運動（PM）與MI相結(jié)合時，感覺運動皮層（SM1）的激活最強。研究說明，機器人輔助訓(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，從而對SM1產(chǎn)生更強的刺激。

（2）這一跡象可以解釋為什么只有機器人驅(qū)動的被動運動在臨床實踐中康復(fù)效率低。這一結(jié)果也有助于理解腦-機接口（BCI）支持的康復(fù)治療機制，它可以通過閉合運動意圖和感覺運動反饋之間的回路來提高康復(fù)效率。

參考文獻：

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).