基于SSVEP脑机接口控制的柔性机器人手套用于脑卒中患者的手功能康复

（图片来自原文）

近日，香港大学深圳医院研究团队开展了一研究，探索了长期使用基于SSVEP脑机接口控制的柔性机器人手套对于手功能康复的影响，为新型的脑控机器人康复系统进行功能和神经康复训练的研究提供积极的启示。相关研究成果已发表在《IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING》。

研究背景

脑卒中是世界上最常见的致残疾病。其中手功能障碍是脑卒中后患者存在的一种严重的运动功能障碍，会导致手部操作障碍并对生活独立性和日常生活活动产生巨大影响。传统的脑卒中后患者手功能康复是劳动密集型和耗时的治疗。临床治疗师发现，机器人辅助手部训练装置在重复训练和密集运动方面的效果优于传统的手动治疗。其中柔性机器人保证人机互动的安全性和移动性，是脑卒中患者外部康复设备的研发热点，同时脑机接口（BCI）参与控制下的柔性机器人为手部功能恢复提供神经康复的可能。

稳态视觉诱发电位（SSVEP）提供了一种不同于运动想象（MI）的脑机接口模式。基于MI-BCI的康复方法需要患者接受长时间的训练，并且不适用于有认知障碍的患者。而基于SSVEP-BCI的康复方法对患者的训练要求不高，并且允许处于不同康复阶段和认知状况的脑卒中患者进行康复。先前的研究已经证明了SSVEP控制机器人设备的可行性。然而，目前缺乏关于长期基于SSVEP-BCI和柔性机器人在脑卒中患者手部康复中的应用研究。

研究概述

基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。

该项研究招募了30名符合纳入标准的脑卒中患者，被随机分配到BCI-机器人组、对照组和机器人组。机器人硬件如图1所示。三组患者均接受为期2周的常规康复治疗，包括物理治疗、职业治疗以及相应的肌力、协调性、抗痉挛等训练，同时他们被要求每天额外参加一小时的训练。BCI-机器人组完成SSVEP-BCI柔性机器人训练，对照组完成常规训练，机器人组完成柔性机器人手套训练。三组患者的总康复时间和康复强度相同。BCI-机器人组共训练10次，每次1小时，其中包括10分钟的准备时间、两组20分钟的训练时间和训练中10分钟的休息时间。受试者每周接受5次训练，并在训练前（PreT）、训练后（PostT）和治疗结束后3个月（3MFU）完成上肢运动评估（FMA-UL）、沃尔夫运动功能测试（WMFT）和改良的Ashworth评分法（MAS）。

图1：机器人硬件（图片来自原文）

其中基于SSVEP的BCI-机器人组采用双刺激SSVEP-BCI控制双手机器人柔性手套运动，如图2所示。标记为“左”或“右”的闪烁块显示在屏幕两侧，选择12和15Hz作为两个刺激频率，采用P7、P8、O1、O2四个电极采集脑电信号，同时手套的动作被摄像头实时捕捉，并作为动作观察反馈显示在屏幕中间。采用典型相关分析（CCA）对不同频率诱发的脑电信号进行分类。本研究CCA分析的窗口长度为3秒，间隔为0.25秒。每个窗口计算一个目标频率，但只有当在四个连续窗口中检测到相同的目标时，BCI才会输出控制命令来驱动机器人。否则，信号将被连续分析，直到获得有效的控制命令。

图2：实验场景及范式（图片来自原文）

结果主要分为以下两个方面：

1）在临床康复评估方面：如图3所示，在PostT和3MFU节点的组间单因素方差分析显示，FMA-总分（PostT, p = 0.019; 3MFU, p = 0.013），FMA-肩/肘（PostT, p = 0.026; 3MFU, p = 0.012）和FMA-腕/手（PostT, p = 0.021; 3MFU, p = 0.018）组间评估具有显著差异，其中BCI-机器人组的FMA得分最高（30.80 ± 14.31），其次是机器人组（23.55 ± 7.76）和对照组（16.30 ± 9.24）。

图3：训练后期（PostT）和随访期（3MFU）组间和组内

单因素重复测量方差分析的结果

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组内比较结果显示，在preT-postT和posT–3MFU期间，机器人组和BCI-机器人组的FMA评分存在显著差异。在机器人组中，WMFT表现出从PreT（19.25 ± 7.22）到PostT（22.15 ± 7.61）显著的改善（p = 0.022），而且在3MFU（24.3 ± 8.05）较PostT也具有显著变化 (p = 0.007)。在BCI-机器人组，WMFT从PreT的21.70 ± 12.17增加到PostT的26.80 ± 12.41 (p = 0.034)，再增加到3MFU时期的30.30 ± 13.88 (p = 0.009)。相比之下，3组间MAS比较差异均无统计学意义(各评估均p > 0.05)，对照组3个测试时间点组内比较差异均无统计学意义。

相较于训练前期，机器人组和BCI-机器人组在训练后期的所有FMA评分和WMFT均有显著改善，如图4所示。在PostT时，BCI -机器人组FMA总分改善最大（10.5 ± 8.03），FMA肩/肘（6.2 ± 5.94），FMA腕/手（4.3 ± 2.83）。机器人组FMA总分（7.05 ± 4.36）、FMA肩/肘（3.7 ± 2.64）、FMA腕/手（3.3 ± 3.57）的改善程度低于BCI-机器人组，但高于对照组（FMA总分：0.8 ± 1.32；FMA肩/肘：0.7 ± 1.16；FMA腕/手：0.1 ± 0.32）。同时在WMFT评估上BCI-机器人组相较于训练前也有显著改善（5.1 ± 5.53, p =0.037）。此外，训练后到随访期间，FMA略有改善，但无显著变化（p > 0.05）。BCI-机器人组的WMFT量表在训练后至随访期间有显著改善（3.5 ± 2.59, p = 0.013）。

图4：三个时期三个组分别配对检验的结果

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2）脑电评估方面：如图5所示，BCI-机器人组所有训练阶段均记录脑机接口解码的准确率。采用Spearman相关检验分析脑机接口准确率与FMA结果的相关性。结果显示，BCI准确率和FMA总分的改善具有显著的相关性（r = 0.714, p = 0.032）。

图5：BCI-机器人组所有受试者的脑电准确率

以及与FMA总分变化的相关性

（图片来自原文）

研究意义

本研究开发了一种SSVEP-BCI控制的柔性机器人手套康复系统，用于脑卒中患者的手功能康复。通过临床随机对照实验，证明了SSVEP-BCI的柔性机器人手套训练可以显著改善患者上肢运动功能，尤其是肩/肘、腕/手的功能，而且FMA的改善与脑机接口的准确率显著相关。并且验证了使用SSVEP-BCI控制的柔性机器人手套康复训练后的手功能恢复效果优于单纯的机器人手套康复，表明了SSVEP-BCl控制柔性机器人手套在脑卒中患者手功能康复中的可行性。

参考文献：

Guo N, Wang X, Duanmu D, et al. SSVEP-based brain computer interface controlled soft robotic glove for post-stroke hand function rehabilitation[J]. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2022, 30: 1737-1744. DOI : 10.1109/TNSRE.2022.3185262.

来源：BME康复工程分会

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