结合运动想象任务提高机器人辅助康复过程中的参与度

研究目的： 

为了恢复脑卒中患者的运动能力，各种康复机器人设备被开发出来以辅助康复训练。许多康复机器人的临床实验结果表明，仅被动运动不足以达到预期的康复效果。在运动康复中，主动参与被证明能够诱导神经可塑性。机器人辅助康复研究的重点已转移到激励患者积极参与训练，以提高康复效率。本研究的目的是探讨在运动训练过程中，运动想象对机器人辅助康复的影响。

实验方法：

本研究设计并实施了一项实验，其中10 名健康受试者被招募参加两组独立的实验。两次实验均采用基于听觉线索的实验范式（图1）。在第一组实验中，受试被要求在提示后想象用右手拉动上肢康复机器人，然后机器人设备在MI 过程中驱动手臂；而在第二组实验中，机器人设备驱动用户移动，而受试不需要执行MI 任务。在实验中，受试者被要求闭上眼睛。在实验过程中，用64 导ANT Neuro eego TM rt 记录脑电，并通过OpenViBE V2.0.1 流式传输。

图1 实验设计

图2 上肢康复机器人装置

研究结果：

通过小波变换进行时频分析，提取α波(8-13Hz)和β波(13-30Hz)的能量值。计算修正ERD 比率：

其中，S1 为运动想象状态或被动运动状态，S2 为静息状态。

采用重复测量方差分析（ANOVA）对运动想象（MI）、被动运动（PM）和MI+PM 三种状态下ERD 比率的差异进行统计分析。

图3 为基于ERD 比率的ERD 地形图。结果显示：

MI：受试者2、3、5出现明显ERD，对侧更强。受试者1、4、6、7、8均未检测到明显的ERD。

PM：受试者1、3、4、5在双侧感觉运动皮质（C3和C4附近）检测到ERD，对侧ERD更强。受试者8在双侧感觉运动皮质检测到ERD，同侧更强。受试者2和6在对侧（C3附近）检测到ERD。受试者7未检测到明显的ERD。

MI+PM：受试者1,2,3,4,5,6,7,8在双侧或单侧感觉运动皮层（C3和/或C4附近）检测到明显的ERD，其强度远强于MI和PM。图4显示了受试者3在通道C3上各个状态的功率谱密度。以静息态的功率为基线，三种状态下均出现了明显的ERD，且MI+PM的ERD更强。重复测量的单因素方差分析表明，不同状态下的ERD比率差异显著，合并MI和PM后，ERD比率比单独使用两者中的任何一个都显著降低（MI+PM：73.89%；MI：91.16；PM：81.66）。

图3 各被试的ERD地形图

图4 受试者3在通道C3上各个状态的功率谱密度情况

研究结论：

（1）结果表明：被动运动（PM）与MI相结合时，感觉运动皮层（SM1）的激活最强。研究说明，机器人辅助训练结合MI任务可以提高受试者的参与度，表现为事件相关去同步化（ERD）更强，从而对SM1产生更强的刺激。

（2）这一迹象可以解释为什么只有机器人驱动的被动运动在临床实践中康复效率低。这一结果也有助于理解脑-机接口（BCI）支持的康复治疗机制，它可以通过闭合运动意图和感觉运动反馈之间的回路来提高康复效率。

参考文献：

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).