关键词:
脑卒中
外骨骼机器人
拟人运动
人机交互
上肢
运动功能
运动学评估
特征提取
脑卒中
上肢
运动功能
运动学评估
主成分分析
特征提取
脑卒中
上肢
运动功能
外骨骼机器人
拟人运动
人机交互
中介效应
机制研究
脑卒中
外骨骼机器人
拟人运动
上肢
运动功能
日常生活能力
临床试验
摘要:
目的:基于运动传感器构建脑卒中患者上肢多维度运动学指标,采用高维特征提取方法对上肢功能进行综合分析,探索外骨骼拟人运动训练促进脑卒中患者上肢对正常模式的运动学习和运动功能恢复的人机交互机制,探究外骨骼拟人运动训练对脑卒中患者上肢运动功能恢复的影响。
方法:(1)本研究基于运动传感器构建脑卒中上肢运动学指标,采用Fugl-Meyer上肢运动功能量表(Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity,FMA-UE)、手臂动作调查测试(Action Research Arm Test,ARAT)和改良Barthel指数评定量表(Modified Barthel Index,MBI)进行评估,分析运动学指标与临床量表的相关程度,对比多元线性与主成分回归模型对上肢功能的解释程度。(2)提取脑卒中患者机器人训练过程的上肢运动学数据,基于R语言中介效应分析评估力学误差对患者运动障碍和运动表现的干预机制,采用重复测量方差分析评估运动学参数和FMA-UE评分随着训练的变化。(3)预试验纳入20例脑卒中亚急性期患者,首要评估指标为可行性分析,次要评估指标包括FMA-UE、ARAT、MBI评分和运动学指标;双中心、随机对照试验纳入80例脑卒中亚急性期患者,首要评估指标为4周时FMA-UE评分变化,次要评估指标为MBI、世界卫生组织残疾评估量表(World Health Organization Disability Assessment Schedule 2,WHODAS 2.0)、运动学指标的变化和安全性指标。
结果:(1)平均速度、峰值速度和运动单元数等运动学指标与FMA-UE、ARAT和MBI等临床量表之间具有相关关系(P<0.05),其他指标未发现有统计学意义。多元线性回归模型自变量仅纳入了平均速度,对临床量表解释力度有限(32%-55%);而主成分模型可纳入所有运动学指标,解释了数据矩阵91.3%变异程度,提高了对患者上肢功能的预测与解释能力。(2)脑卒中上肢运动障碍与其外骨骼运动学表现相关,人机交互对运动平滑度和位姿误差存在中介作用,间接效应分别为-0.241和-0.362;随着4周训练进行,患者运动学表现和FMA-UE评分的改善均存在显著时间效应。(3)临床预试验结果提示,外骨骼拟人训练安全性、可行性良好,有助于改善患者上肢运动障碍(FMA-UE组间差异4.3分)、日常生活能力(MBI组间差异8.7分)和运动学参数(P<0.001),但对精细活动能力(ARAT组间差异1.03分)改善无统计学意义。随机对照试验表明,外骨骼拟人训练有助于运动障碍(FMA-UE组间差异4.51分)、日常活动能力(MBI组间差异7.0分)和运动学表现的恢复,但对社会参与能力无明显改善。
结论:运动学指标可用于精确评估脑卒中患者上肢运动表现,高维特征提取方法提高了对上肢功能的综合评估能力;外骨骼机器人可根据患者运动障碍水平,通过动态调整个体化人机交互力改善患者上肢运动学表现,进而促进学习正常上肢运动模式、恢复运动功能;外骨骼拟人训练用于亚急性期脑卒中患者上肢康复安全、可行,有助于改善运动障碍、日常生活能力与运动学参数表现。本研究为外骨骼拟人训练的康复应用提供了初步证据,但还需论证其长远效果和潜在神经机制,对其训练范式中的拟人运动种类、人机交互策略和机械结构不断优化。
第一部分:脑卒中上肢运动学评估指标构建及高维特征提取
目的:采用运动传感器构建多维度上肢运动学指标,探究高维特征提取方法是否能提高对脑卒中运动功能的解释程度。
方法:本研究于2019年12月-2021年1月期间连续纳入了37例脑卒中患者与20例健康成年人,采用Fugl-Meyer上肢运动功能量表(Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity,FMA-UE)、手臂动作调查测试(Action Research Arm Test,ARAT)和改良Barthel指数评定量表(Modified Barthel Index,MBI)对脑卒中患者进行临床评估。利用运动传感器采集了受试者上肢多关节数据,构建了运动时间、平均速度、峰值速度、达到峰值速度时间百分比、运动单元数和归一化平滑度等指标,采用Pearson系数评估运动学指标与临床量表的相关程度,对比多元线性与主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)回归模型对脑卒中患者上肢运动功能的解释能力,P<0.05视为具有统计学意义。
结果:运动学评估中,脑卒中组与对照组除了达到峰值速度时间百分比差异无统计学意义外,其余指标差异均具有统计学意义(P<0.001)。平均速度、峰值速度和运动单元数与FMA-UE、ARAT和MBI等临床量表之间具有相关关系(P<0.0