結合運動想象任務提高機器人輔助康復過程中的參與度

研究目的： 

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

實驗方法：

本研究設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機器人，然后機器人設備在MI 過程中驅動手臂；而在第二組實驗中，機器人設備驅動用戶移動，而受試不需要執(zhí)行MI 任務。在實驗中，受試者被要求閉上眼睛。在實驗過程中，用64 導ANT Neuro eego TM rt 記錄腦電，并通過OpenViBE V2.0.1 流式傳輸。

圖1 實驗設計

圖2 上肢康復機器人裝置

研究結果：

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。結果顯示：

MI：受試者2、3、5出現明顯ERD，對側更強。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在雙側感覺運動皮質（C3和C4附近）檢測到ERD，對側ERD更強。受試者8在雙側感覺運動皮質檢測到ERD，同側更強。受試者2和6在對側（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在雙側或單側感覺運動皮層（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)下均出現了明顯的ERD，且MI+PM的ERD更強。重復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

研究結論：

（1）結果表明：被動運動（PM）與MI相結合時，感覺運動皮層（SM1）的激活最強。研究說明，機器人輔助訓練結合MI任務可以提高受試者的參與度，表現為事件相關去同步化（ERD）更強，從而對SM1產生更強的刺激。

（2）這一跡象可以解釋為什么只有機器人驅動的被動運動在臨床實踐中康復效率低。這一結果也有助于理解腦-機接口（BCI）支持的康復治療機制，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).