功能性近紅外光譜（fNIRS）具有非侵入性、較少的物理限制且無電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，并且先前的研究已經(jīng)證明了fNIRS對(duì)非運(yùn)動(dòng)任務(wù)和精細(xì)運(yùn)動(dòng)任務(wù)的反應(yīng)具有可靠性。南方科技大學(xué)張明明教授團(tuán)隊(duì)，對(duì)不同訓(xùn)練參數(shù)下fNIRS對(duì)機(jī)器人輔助粗大運(yùn)動(dòng)任務(wù)的反應(yīng)可靠性進(jìn)行研究。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《IEEE Transactions On Neural Systems And Rehabilitation Engineering》中，論文第一作者為江一川博士。
01 研究背景
機(jī)器人輔助康復(fù)能夠以相對(duì)較低的成本進(jìn)行重復(fù)和密集的練習(xí)，并且已被證明有助于改善中風(fēng)患者的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。使用基于fNIRS的神經(jīng)反饋進(jìn)行機(jī)器人輔助閉環(huán)訓(xùn)練可以幫助及時(shí)完善訓(xùn)練方案，從而提高患者參與度和恢復(fù)效率。研究團(tuán)隊(duì)通過定制的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)來精確控制訓(xùn)練參數(shù)，產(chǎn)生了三種具有不同阻力水平的機(jī)器人輔助模式，并通過fNIRS測量左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的血流動(dòng)力學(xué)變化。根據(jù)可靠性指標(biāo)來評(píng)估每種機(jī)器人輔助模式和每種血紅蛋白種類的空間和時(shí)間可靠性。
02 研究概述
研究人員招募了10名健康成年人，均為右利手。研究中采用了波長為785nm和830nm的近紅外設(shè)備來檢測大腦血氧的變化情況，采樣率為10.4HZ，通道覆蓋左半球的前運(yùn)動(dòng)皮層、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層。在實(shí)驗(yàn)過程中，參與者被要求在以下三種機(jī)器人輔助模式下進(jìn)行右肘伸展-屈曲運(yùn)動(dòng)：
被動(dòng)模式：肘關(guān)節(jié)的伸展-屈曲運(yùn)動(dòng)完全由機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和引導(dǎo)；
主動(dòng)模式1：阻力值設(shè)置為1.0N·s/cm。參與者主動(dòng)進(jìn)行伸展-屈曲運(yùn)動(dòng)；
主動(dòng)模式2：阻力值設(shè)置為3.3N·s/cm。參與者主動(dòng)進(jìn)行伸展-屈曲運(yùn)動(dòng)。
圖1：實(shí)驗(yàn)設(shè)置和任務(wù)（圖片來自原文）
為了對(duì)可靠性進(jìn)行全面的研究，研究人員關(guān)注兩個(gè)不同的方面。首先，利用線性混合效應(yīng)模型來估計(jì)組級(jí)的t值，并采用與受試者級(jí)別激活模式類似的方法來構(gòu)建組級(jí)激活模式。通過估計(jì)的激活模式，計(jì)算決定系數(shù)和空間重疊程度兩個(gè)指標(biāo)，評(píng)估了受試者和組水平的空間可靠性。結(jié)果表明，與被動(dòng)運(yùn)動(dòng)相比，主動(dòng)運(yùn)動(dòng)引發(fā)了更強(qiáng)的激活；HbO的簇類空間可靠性優(yōu)異，HbR的可靠性一般到良好。
圖2：針對(duì)三種不同肘關(guān)節(jié)伸展-屈曲模式的大腦激活的組級(jí)t圖（圖片來自原文）
圖3：用于空間可靠性評(píng)估的組級(jí)t值散點(diǎn)圖（圖片來自原文）
其次，通過計(jì)算以下5個(gè)常用時(shí)間特征的類內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC），以量化HRF在3次運(yùn)行中的時(shí)間可靠性。TTP/TTN：HbO（或HbR）達(dá)到峰值（或最低點(diǎn)）的時(shí)間；斜率：線性最小二乘法擬合 HRF 的斜率介于0到4s之間；最大/最小值：2到8秒之間的最大（或最?。〩bO（或 HbR）振幅；平均值：2到8秒之間的平均振幅；標(biāo)準(zhǔn)差：2到8秒之間的振幅標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果表明：在被動(dòng)模式下，ICC值對(duì)HbO和HbR的斜率、最大值/最小值和平均值均表現(xiàn)出良好到極好的可靠性；在主動(dòng)模式1下，斜率、最大/最小值和平均值表現(xiàn)出出色的可靠性。
圖4：單個(gè)HRF的時(shí)間特征（圖片來自原文）
03 研究意義
在這項(xiàng)研究中，通過研究機(jī)器人輔助上肢訓(xùn)練中fNIRS響應(yīng)的可靠性，表明個(gè)體水平的空間可靠性為一般至良好，斜率、最大值/最小值和均值的時(shí)間可靠性為良好至極好。此外，可靠性與訓(xùn)練模式強(qiáng)度呈正相關(guān)，尤其是空間可靠性；在最活躍的大腦區(qū)域內(nèi)，fNIRS反應(yīng)具有更高的空間和時(shí)間可靠性。這些結(jié)果表明，fNIRS可以作為構(gòu)建閉環(huán)機(jī)器人輔助康復(fù)系統(tǒng)的可靠神經(jīng)反饋，這將為fNIRS在精準(zhǔn)神經(jīng)康復(fù)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
