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任务导向性踝关节康复机器人训练对脑卒中足下垂患者皮质激活特征研究

2025-04-12 64 上传者：管理员

摘要：脑卒中是一种常见的神经系统疾病，常导致患者出现运动功能障碍，其中足下垂是最为常见的后遗症之一。由于大脑控制运动的区域损伤，导致神经信号传导受阻，引发肌肉功能障碍（如小腿三头肌痉挛和踝背屈肌无力），从而使患者无法正常抬起脚趾，出现足下垂[1]。

关键词：
任务导向性训练
功能性近红外光谱
皮质激活
脑卒中
足下垂
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脑卒中是一种常见的神经系统疾病，常导致患者出现运动功能障碍，其中足下垂是最为常见的后遗症之一。由于大脑控制运动的区域损伤，导致神经信号传导受阻，引发肌肉功能障碍（如小腿三头肌痉挛和踝背屈肌无力），从而使患者无法正常抬起脚趾，出现足下垂[1]。这不仅影响患者的步态和行走能力，还可能导致跌倒风险增加，进而影响生活质量[2]。近年来，伴随交叉学科的发展，康复机器人为脑卒中患者的功能恢复提供了新的手段。本研究团队研发了一款踝关节康复机器人，采用基于视听觉反馈的任务导向性训练模式，患者在机器人辅助下通过健侧带动患侧进行镜像踝背屈训练[3]。任务导向性训练是一种以功能性活动为核心的康复方法，旨在帮助患者聚焦于特定功能目标，通过提高参与度、增强现实感和提供个性化反馈，促进功能恢复[4—5]。在机器人应用中，镜像疗法通常通过测量健侧的运动或肌肉激活，驱动佩戴在患侧的可穿戴机器人执行相同动作[6—7]。本团队先前的研究已证实了这种任务导向的机器人镜像训练在改善脑卒中患者足下垂的有效性[8]。然而，其对脑卒中患者中枢神经作用机制尚不明确，需进一步研究探索。功能性近红外光谱技术（functional Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS）是一种非侵入性、实时的脑功能成像技术，通过监测大脑皮层中脱氧血红蛋白（deoxyhemoglobin，HbR）和氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，HbO2）的浓度变化，反映大脑在执行特定认知或运动任务时的活动状态，为研究大脑激活情况提供了一个有效的手段[9—10]。本研究采用fNIRS观察脑卒中后足下垂患者执行任务导向踝关节机器人训练任务时大脑皮质激活特征，探索其潜在脑中枢神经重塑机制。

1、资料与方法

1.1一般资料

2022年11月至2023年6月，招募深圳市第二人民医院康复医学科就诊的20例脑卒中足下垂患者。纳入标准：①符合《中国各类主要脑血管病诊断要点2019》中的脑卒中诊断标准，并通过头颅CT或MRI确认；②年龄18至75岁；③病程14天至12个月；④首次、单侧偏瘫；⑤患侧下肢伴有足下垂，且Brunnstrom分期≤4期；⑥认知功能良好，能配合完成指令；⑦坐位平衡≥2级，且能够独坐20min以上。排除标准：①患侧踝关节存在不稳定性骨折、活动性出血或感染等；②伴有严重下肢痉挛，患侧下肢改良Ashworth痉挛评定量表＞2级[11]；③其他原因引发的足下垂，如关节畸形等；④颅骨缺损、头皮破损或其他影响fNIRS检测的情况。所有研究对象均对本研究知情并签署知情同意书。本研究已获得深圳市第二人民医院伦理委员会批准（20221010002-FS01），并在中国临床试验注册中心注册（ChiCTR2200065616）。

1.2方法

患者佩戴红外光极帽，在踝关节康复机器人上执行任务导向性踝背屈训练任务，同时同步采集fNIRS数据，实时监测患者大脑皮层的脑血流变化。

1.2.1检测任务：

fNIRS检测任务采用block设计，包括静息60s，任务导向性机器人训练任务30s，按照5s/次的节拍器提示音做踝背屈动作，休息30s，重复4次，整个任务检测期共计300s（图1）。检测期间，患者在安静房间内屈髋屈膝坐于机器人座椅上，静息和休息阶段需闭上双眼，全身放松，避免头部、躯干运动及运动想象。运动阶段患者使用踝关节康复机器人设备执行任务导向性踝背屈运动，其他部位不得活动，以防止对血氧数据的干扰。正式检测前，患者接受培训与演练以确保测试任务顺利完成。

1.2.2任务导向性踝关节康复机器人：

采用本研究团队自主研发的踝关节智能康复机器人（广东铭凯医疗机器人有限公司，型号：MK-A-5），该设备主要由机器人本体、控制柜、显示屏和座椅组成[3]。训练时患者坐位，治疗师帮助患者双脚佩戴好脚套，选择健患侧结合训练模式，患者注视屏幕，根据语音提示做“踝背屈—放松”训练任务，健侧踝关节将带动患侧踝同步进行镜像背屈运动。系统还集成了视听交互的任务导向性游戏训练模式，本研究使用“踢足球”任务，引导患者在娱乐游戏中完成踝背屈动作。

1.2.3 fNIRS数据采集：

本研究使用多通道fNIRS设备（武汉资联虹康科技股份有限公司，型号：BS3000）进行数据采集，以测量患者HbO2浓度的变化。采样频率为20Hz，波长为690nm和830nm。光纤帽由51个通道组成，光源、探测器数量均为16个，两者间距3cm，每个通道的中心位置（光源与探测器连线的中点）下方的脑区是该通道主要探测的区域。采用10—20国际标准导联系统的电极放置法进行fNIRS通道与脑区配准（图2）。通道的脑区标定参照Brodmann大脑皮质分区（表1）。本研究采用左右两侧共10个感兴趣区（region of interest，ROI）作为研究脑区，包括双侧背外侧前额叶（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）、双侧初级运动皮层（primary motor cortex，M1）、双侧初级躯体感觉皮层（primary somatosensory cortex，S1）、双侧运动前区和辅助运动区（premotor and supplementary motor area，pSMA）及双侧额下回（inferiorfrontal gyrus，IFG）。最终，我们对这10个区域的通道数据进行统计学分析。

1.3数据处理

采用MATLAB（R2021b）软件进行数据处理。本研究选择HbO2作为局部皮层血流动力学变化的标志物，主要因为HbO2对脑区血流变化具有较高的敏感性，且其信号与血氧水平依赖功能磁共振成像（BOLD-fMRI）信号高度相关，能够准确反映大脑活动过程中的血流动态[12—13]。数据预处理：本研究纳入了左右两侧病变的患者，参照既往研究[14]，我们将所有病灶在右侧的患者数据进行左右脑翻转，统一以左脑作为患侧半球；将原始近红外光强度转换为光密度信号；使用样条插值法检测并矫正运动伪影；0.01—0.1Hz带通滤波消除生理噪声（如呼吸、心跳和低频漂移）；使用修正的Lambert-Beer定律将滤波后的光密度数据转换为HbO2浓度。对预处理后的数据进行一般线性模型分析。设定基线为-10—0s，对4次重复的任务区块的HbO2浓度进行平均叠加处理。既往研究表明，HbO2浓度在神经兴奋后2—4s内快速上升，于6—7s内达到峰值[15]。提取任务开始后2—7s的HbO2信号斜率值为k激活值，反映HbO2信号从基线值到峰值的变化，以此分析大脑皮层激活情况。最后通过MATLAB的BrainNetViewer工具可视化组水平分析结果。

1.4统计学分析

采用SPSS 25.0进行统计分析。采用ShapiroWilk检验数据的正态分布，计量资料符合正态分布，以均数±标准差表示。对任务态下的HbO2信号斜率值进行单样本t检验，与基线值有显著性差异即为激活通道。显著性水平α=0.05。

表1大脑Brodmann分区对应通道

图1 fNIRS检测任务流程图

图2 fNIRS通道排布示意图

2、结果

2.1一般资料

在本研究纳入的20例患者中，男性18例，女性2例，平均年龄为（54.70±10.13）岁，平均病程（85.65±43.35）天，脑梗死12例，脑出血8例，患者的一般资料见表2。

2.2大脑皮质激活情况

患者在进行任务导向性踝关节机器人训练任务时通道19、26、28、29、35、36、39、42、48的激活具有显著性差异（P＜0.05）；根据表1及图2通道脑区对应信息，患者的双侧pSMA、双侧DLPFC、健侧（右侧）S1及健侧（右侧）IFG被显著激活（表3、图3）。

表2患者的一般资料

表3脑卒中患者执行任务导向性踝关节机器人训练任务时的脑区通道激活情况

图3脑卒中患者执行任务导向性踝关节机器人训练任务时的大脑激活情况

3、讨论

踝关节康复机器人在改善足下垂方面展现了独特优势。它不仅能够提供高强度、重复性的训练，还可以个性化调整训练难度[16]。多项临床研究证实，踝关节机器人能够显著提升脑卒中后足下垂患者的踝背屈肌肌力，降低肌张力，并改善平衡与步态[17—18]。本研究进一步探讨了任务导向性踝关节机器人训练对脑卒中足下垂患者大脑皮质活动的影响。结果显示，该训练可激活脑卒中患者的双侧pSMA、双侧DLPFC、健侧S1及健侧IFG。这可能是该训练治疗脑卒中患者足下垂的作用机制之一。

pSMA是运动控制、执行与协调的核心脑区，而S1区与躯体感觉信息的处理密切相关[19—20]。Kim等[21]的研究表明，机器人镜像疗法通过健患侧协同运动，能够实现健侧与患侧运动皮层的平衡激活。已有研究指出，任务导向性训练可通过大量重复执行特定任务，能够激活大脑运动皮层及相关区域，从而促进运动功能恢复[22]。本研究采用踝关节机器人提供精准、重复的背屈动作输入，帮助患者完成标准化踝背屈运动，并通过任务导向镜像训练促进双侧踝关节协同运动。这可能增强了双侧pSMA区的神经激活，与前人研究结果一致。此外，脑卒中患者在完成任务导向踝机器人训练时，健侧半球的S1区激活水平明显高于患侧，这种不对称性激活模式可能与大脑的代偿性活动有关[23]。此外，Zheng等[24]通过fNIRS研究发现，康复机器人通过多感官整合（视觉、听觉、触觉等）的交互模式，能够显著激活健康受试者的S1区和运动前区，并增强两者之间的功能连接。这表明，多感官反馈不仅促进了神经激活，还可能优化脑区之间的协同活动，进一步促进神经功能恢复。

DLPFC与运动学习相关的认知过程密切相关，也是整合运动学习与运动控制的关键脑区[25]。本研究结果表明，任务导向性踝机器人训练能够显著激活双侧DLPFC，这可能是由于训练任务通过娱乐游戏形式进行，患者需集中注意力、规划任务并执行动作，而该脑区的激活有助于处理运动任务所需的复杂认知负荷[26—27]。Li等[28]的fNIRS研究也表明，任务导向的智能反馈机器人训练能有效激活脑卒中患者的前额叶皮层。此外，本研究还发现患者健侧（右侧）IFG显著激活。IFG是镜像神经元系统的重要组成部分，主要与动作观察和模仿相关[29]。多项研究表明，脑卒中患者在虚拟运动游戏场景中通过运动观察和视觉反馈，可激活与运动理解及躯体感知相关的顶额镜像系统，从而促进运动理解、控制、学习和神经重塑[30—31]。

本研究仍存在一些局限性。首先，本研究仅揭示了单次机器人训练中脑卒中患者脑区激活的特征，未探讨长期干预后皮层激活的动态变化，未来的研究应进一步关注长期训练对脑区激活的影响。其次，尽管病灶翻转在相关研究中得到了广泛应用，并且通常不会对信号属性或统计分析结果产生实质性影响，但不同半球的结构和功能差异仍可能引入一定偏差。由于样本量较为有限，本研究未能探讨病灶侧（右侧或左侧病灶）对激活模式的潜在影响。未来的研究应设计大样本、左右脑损伤患者数量均等的对照实验，以进一步验证和扩展当前的研究结论。

4、结论

任务导向性踝关节康复机器人训练能够显著激活脑卒中后足下垂患者大脑皮层的双侧pSMA、双侧DLPFC、健侧S1及健侧IFG区。这些脑区的激活进一步验证了任务导向性训练结合机器人镜像疗法在脑卒中后足下垂康复中的神经机制作用。

基金资助:河套深港科技创新合作区深圳园区项目(HTHZQSWS-KCCYB-2023060);深圳市科技计划项目(JCYJ20210324122200002);深圳市三名工程“南京医科大学励建安团队”资助项目(SZSM202111010);

文章来源:王光益,张清芳,闫杰,等.任务导向性踝关节康复机器人训练对脑卒中足下垂患者皮质激活特征的研究[J].中国康复医学杂志,2025,40(04):516-521.