机器人辅助评估慢性中风成年人踝关节本体感觉缺陷及其相关脑损伤

2024-07-31 Wed
机器人辅助评估慢性中风成年人踝关节本体感觉缺陷及其相关脑损伤学术背景中风（stroke）是一种常见的神经系统疾病，通常会导致患侧肢体功能障碍，影响患者的平衡和步态控制。本体感觉是指对身体姿势和动作的自我感知能力，由位于肌肉、关节、腱和皮肤中的机械感受器提供。这些感觉对保持平衡和步态的控制至关重要。已有研究表明，中风幸存者常常伴有踝关节本体感觉的损伤，尤其是踝关节位置感和运动感的缺失。然而，针对踝关节位置感和运动感的系统性研究却比较少。[Cho et al., 2021]发现踝关节本体感觉受损是中风患者平衡功能受损的强预测因子；[Tuthill et al., 2018; Goble et al., 2011]指出，传统的临床评分量表只能检测到最严重的本体感觉缺陷，对较轻微的缺陷检测不够敏感。因此，这项研究旨在通过应用机器人技术来量化中风后踝关节本体感觉的缺陷，并确定与之相关的脑损伤部位。
论文来源这篇论文由Qiyin Huang（University of Minnesota）、Naveen Elangovan（University of Minnesota）、Mingming Zhang（Southern University of Science and Technology）和Ann Van de Winckel（University of Minnesota）以及Jürgen Konczak（University of Minnesota）共同撰写。该论文发表于Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation（2024年），可通过以下链接访问：https://doi.org/10.1186/s12984-024-01396-9。
研究过程和方法参与者研究共纳入了12名慢性中风的成年人（平均年龄54±10.9岁，平均中风后6年），以及13名年龄和性别匹配的神经正常对照组（平均年龄54±15.3岁）。所有参与者在实验前均提供书面知情同意书，并通过简易精神状态检查（MMSE）测试确保有正常认知功能。
机器辅助的本体感觉测试本研究使用了一种机器人踝关节本体感觉评估系统进行测试，系统由直流电机以及内置编码器组成，可以高精度地旋转足板。参与者利用机器人被动伸展踝关节至两个不同的位置或速度，然后通过心理学的方法获得心理可察觉差异（JND）阈值和不确定性间隔（IU），这两个指标分别用来测量本体感觉的偏差和精确度。
实验设计每名受试者的测试程序分为两部分：位置感测试和运动感测试。在位置感测试中，机器人将足部从中立位置被动屈曲至两个不同的角度，并保持2秒。比较刺激位置（PC）的幅度范围为8.3至14.6度。在运动感测试中，机器人的比较刺激速度范围为5.2至9.4度/秒。在每个测试中，机器人按随机顺序提供参考和比较刺激，参与者需回答哪个动作超过/更快，然后下一步的比较刺激由一个自适应Bayesian算法选择。
数据分析研究包括30次试验数据，通过logistic Weibull函数拟合受试者的敏感差异数据，获得心理学上可察觉的差异阈值（JND）代表知觉的偏差，IU代表知觉的精确度。统计分析采用Welch’s t检验和Wilcoxon-Mann-Whitney检验比较不同组之间的差异，相关性采用Spearman或Pearson分析。
脑损伤分析使用标准的大脑显像分析软件（MRIcron和SPM12）对参与者的MRI扫描进行MRI手动病灶描绘和统计参数映射（SPM）分析。通过将严重脑损伤比较MRI扫描进行空间标准化，得到每个受试者的大脑病灶体积，并与其本体感觉缺损相关联进行分析。
研究结果本体感觉缺损特征本次研究发现，83%的中风成年人在的位置感或运动感，或两者均存在异常。相较于对照组，中风组的心理可察觉差异阈值（JND）显著增加，位置感增加了77%，运动感增加了153%。本体感觉精确度（IU）同样显著增加，位置感增加了148%，运动感增加了78%。
脑损伤与本体感觉缺陷相关中风组的脑损伤位置集中在大脑皮层的多个区域，包括初级体感皮层、后顶叶皮层、初级运动皮层、前额叶、岛叶以及颞顶区域。这表明这些脑区与踝关节本体感觉的处理密切相关。
结论及意义本研究首次系统性地量化了慢性中风成年人踝关节位置感和运动感的缺陷程度及频率，发现多数中风患者存在本体感觉缺损。而且，这些缺损与特定的脑损伤区域密切相关。通过机器人技术和心理物理学方法的结合，本研究为未来的临床评估和康复提供了更精确和可靠的方法和依据。
研究的亮点系统性评估：首次系统性地评估了慢性中风成年人的踝关节位置感和运动感的缺陷。
高精度测量：通过机器人技术和心理物理学方法，对本体感觉的偏差和精确度进行了量化。
脑损伤相关性：首次详细揭示了踝关节本体感觉缺陷与特定脑损伤区域的相关性。
研究的应用价值本研究证明了机器人技术在检测中风后本体感觉缺陷中的应用潜力，为未来的康复治疗提供了方向和工具。这些发现有助于设计更有效的康复方案，帮助改善中风患者的平衡和步态，从而降低跌倒风险，提升生活质量。
这项关于中风后踝关节本体感觉缺陷及相关脑损伤的研究提供了新的视角和方法，为未来的科学研究和临床实践开辟了新的道路。