fNIRS 在神經(jīng)康復(fù)中的傳統(tǒng)應(yīng)用

fNIRS（功能性近紅外光譜）作為一種非侵入性腦功能成像技術(shù)，在神經(jīng)康復(fù)中具有三大核心優(yōu)勢(shì)：無電磁干擾（可與機(jī)器人設(shè)備同時(shí)使用）、身體限制小（患者可自由移動(dòng)）、操作簡(jiǎn)便且成本較低。這些特點(diǎn)使其特別適用于康復(fù)環(huán)境中的長(zhǎng)期腦活動(dòng)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)上，fNIRS 被廣泛用于評(píng)估中風(fēng)患者康復(fù)過程中的腦功能變化，例如在執(zhí)行手部抓握、手指敲擊等精細(xì)運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)，通過測(cè)量運(yùn)動(dòng)皮層中氧合血紅蛋白（HbO）和脫氧血紅蛋白（HbR）的濃度變化來反映神經(jīng)激活狀態(tài)。如圖1所示，典型的fNIRS康復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置包括視覺任務(wù)界面、定制化康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)與fNIRS腦成像設(shè)備，探頭通常布置在左半球運(yùn)動(dòng)皮層（涵蓋PMC、SMA與M1區(qū)），通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)HbO/HbR信號(hào)，為康復(fù)訓(xùn)練提供神經(jīng)反饋，從而個(gè)性化調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)，提升患者參與度與康復(fù)效率。

圖1: 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與任務(wù)模式示意圖

圖1清晰地展示了整個(gè)研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和任務(wù)設(shè)計(jì)。圖1(a)為系統(tǒng)集成圖，包含了三個(gè)核心部分：提供視覺引導(dǎo)的界面、定制化的上肢康復(fù)機(jī)器人（帶力傳感器）以及fNIRS腦成像系統(tǒng)（佩戴于被試頭部）。這體現(xiàn)了多模態(tài)康復(fù)評(píng)估系統(tǒng)的典型配置。圖1(b)為任務(wù)模式圖解，直觀地比較了三種機(jī)器人輔助模式：

Passive模式：機(jī)器人完全驅(qū)動(dòng)，用戶無需主動(dòng)發(fā)力，代表低強(qiáng)度訓(xùn)練。

Active1模式：用戶需主動(dòng)運(yùn)動(dòng)以克服1.0 N·s/cm的阻力，使空心圓（實(shí)際位置）跟隨實(shí)心圓（目標(biāo)位置），代表中強(qiáng)度訓(xùn)練。

Active2模式：與Active1類似，但阻力增大至3.3 N·s/cm，代表高強(qiáng)度訓(xùn)練。

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fNIRS 跨會(huì)話可靠性概述

跨會(huì)話可靠性是指fNIRS在不同時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果是否一致，這對(duì)于長(zhǎng)期康復(fù)療效評(píng)估至關(guān)重要。傳統(tǒng)fNIRS研究多集中于非運(yùn)動(dòng)任務(wù)（如視覺/聽覺刺激）或精細(xì)運(yùn)動(dòng)任務(wù)（如手指對(duì)抗），這些場(chǎng)景下fNIRS已顯示出良好的跨會(huì)話可靠性（ICC最高達(dá)0.84）。然而，在機(jī)器人輔助康復(fù)這類涉及粗大運(yùn)動(dòng)且訓(xùn)練參數(shù)多變的環(huán)境中，跨會(huì)話可靠性的驗(yàn)證仍顯不足。為了將fNIRS適配于這類場(chǎng)景，需確保探頭布置的標(biāo)準(zhǔn)化與信號(hào)處理的魯棒性。例如，圖2展示了通過fOLD工具箱 與蒙特卡洛模擬優(yōu)化的探頭排列，確保通道覆蓋左半球運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵區(qū)域，并通過敏感性剖面圖驗(yàn)證其測(cè)量有效性，從而在不同會(huì)話中保持信號(hào)捕獲的一致性。

圖2: fNIRS通道布置與腦區(qū)敏感性剖面圖

圖2展示了fNIRS的探頭布局及其對(duì)目標(biāo)腦區(qū)的測(cè)量能力。圖2(a)顯示了根據(jù)10-5國(guó)際系統(tǒng)在頭皮表面布置的6個(gè)光源和6個(gè)探測(cè)器，形成了17個(gè)測(cè)量通道（探頭間距3cm），覆蓋了左側(cè)半球的運(yùn)動(dòng)前區(qū)、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)。圖2(b)通過蒙特卡洛模擬生成的敏感性剖面圖，以熱力圖形式直觀地證明了上述通道安排能夠有效地探測(cè)到目標(biāo)腦區(qū)（尤其是初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層）的血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。這為后續(xù)觀測(cè)到的可靠腦激活提供了技術(shù)可信度。fOLD負(fù)責(zé)“戰(zhàn)略部署”，告訴我們?cè)谀睦锊缄?；而蒙特卡洛模擬負(fù)責(zé)“戰(zhàn)術(shù)驗(yàn)證”，確認(rèn)我們的陣型能有效打擊目標(biāo)，并剔除那些“火力”不足的單元（通道）。

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臨床研究

方法

本研究采用了一項(xiàng)基于健康受試者的實(shí)驗(yàn)性臨床研究方法，旨在系統(tǒng)評(píng)估fNIRS在機(jī)器人輔助上肢粗大運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的會(huì)話內(nèi)可靠性。十名右利手參與者在定制康復(fù)機(jī)器人上執(zhí)行右肘伸展-屈曲任務(wù)，依次經(jīng)歷完全被動(dòng)、低阻力主動(dòng)和高阻力主動(dòng)三種模式，以模擬臨床康復(fù)中不同強(qiáng)度的訓(xùn)練階段。整個(gè)實(shí)驗(yàn)會(huì)話包含三個(gè)相同的運(yùn)行塊，其間設(shè)有充分休息。采用經(jīng)fOLD工具箱優(yōu)化設(shè)計(jì)、并通過蒙特卡洛模擬驗(yàn)證的fNIRS探頭排布，確保信號(hào)精準(zhǔn)采集自左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層。隨后，對(duì)獲取的原始光信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并轉(zhuǎn)換為血紅蛋白濃度變化，采用自回歸迭代穩(wěn)健最小二乘法模型估計(jì)血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)函數(shù)，最終通過計(jì)算組內(nèi)相關(guān)系數(shù)、決定系數(shù)及空間重疊度等指標(biāo)，綜合評(píng)估其時(shí)間和空間維度的會(huì)話內(nèi)可靠性。

參與者：10名健康成人，執(zhí)行機(jī)器人輔助右肘伸展-屈曲任務(wù)。

訓(xùn)練模式：

Passive：全機(jī)器人驅(qū)動(dòng)

Active1：低阻力主動(dòng)運(yùn)動(dòng)

Active2：高阻力主動(dòng)運(yùn)動(dòng)

fNIRS采集：24源-24探測(cè)器系統(tǒng)，17通道覆蓋左運(yùn)動(dòng)皮層，采樣率10.4 Hz。

數(shù)據(jù)分析：

預(yù)處理（去噪、濾波、HRF估計(jì)）

可靠性評(píng)估：

空間可靠性：R2（圖4散點(diǎn)圖）與R_overlap

時(shí)間可靠性：ICC（圖5雷達(dá)圖）評(píng)估5類時(shí)間特征

結(jié)果

原始數(shù)據(jù)質(zhì)量：SCI與PP值均超閾值（圖3），表明信號(hào)質(zhì)量良好且運(yùn)行間無差異。

圖3: 各運(yùn)行間原始信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比圖

圖3通過頭皮耦合指數(shù)（SCI） 和峰值功率（PP）兩個(gè)指標(biāo)，評(píng)估了三個(gè)運(yùn)行中原始fNIRS信號(hào)的質(zhì)量。結(jié)果顯示，所有運(yùn)行的SCI平均值（~0.92）和PP平均值（~2.03）都遠(yuǎn)高于公認(rèn)的閾值（SCI>0.75, PP>0.1）。更重要的是，單因素方差分析表明三個(gè)運(yùn)行之間的信號(hào)質(zhì)量沒有顯著差異。

空間可靠性（圖4）：

組水平優(yōu)秀（R2 > 0.75，R_overlap > 0.75）

個(gè)體水平公平至良好（R2: 0.44–0.69，R_overlap: 0.44–0.68）

圖4: 組水平空間可靠性評(píng)估散點(diǎn)圖

圖4通過三維散點(diǎn)圖評(píng)估了組水平的空間可靠性。每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)通道在兩個(gè)運(yùn)行中的T值?？梢钥闯觯核袛?shù)據(jù)點(diǎn)都緊密分布在對(duì)角線（y=x）附近，表明不同運(yùn)行間各通道的激活強(qiáng)度高度一致。決定系數(shù)R2 > 0.75，說明一個(gè)運(yùn)行的激活模式可以很好地預(yù)測(cè)另一個(gè)運(yùn)行的激活模式，即組水平的圖譜間可靠性極佳。重疊度R_overlap 值很高（HbO: 0.75-1.00; HbR: 0.50-0.75），表明最活躍的通道（圖中標(biāo)紅的Top 4通道）在不同運(yùn)行間高度可重復(fù)。

時(shí)間可靠性（圖5）：

Slope、Max/Min、Mean 在多數(shù)模式下ICC為0.60–0.86（良好至優(yōu)秀）

但在Active2模式下HbO可靠性下降（ICC: 0.36–0.41），可能與疲勞有關(guān)

圖5: 各時(shí)間特征的會(huì)話內(nèi)時(shí)間可靠性雷達(dá)圖

圖5使用雷達(dá)圖綜合展示了五個(gè)關(guān)鍵時(shí)間特征（TTP/TTN, Slope, Max/Min, Mean, Std）在三種模式下的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC），即時(shí)間可靠性。可靠性等級(jí)：在Passive和Active1模式下，Slope, Max/Min, Mean 三個(gè)特征的ICC普遍在0.60-0.86之間，達(dá)到良好至優(yōu)秀水平。模式差異：Active2模式下的HbO可靠性顯著降低（ICC<0.41），而HbR的可靠性依然良好。特征差異：TTP/TTN和Std的可靠性普遍較低，表明這些特征在不同運(yùn)行間的一致性較差。

激活模式：左M1背側(cè)區(qū)域激活最強(qiáng)（圖6），且隨訓(xùn)練強(qiáng)度增加而增強(qiáng)。

圖6: 不同訓(xùn)練模式下的組水平腦激活T圖

圖6以T統(tǒng)計(jì)值地形圖的形式，展示了在三種訓(xùn)練模式下，組水平上HbO和HbR的腦激活空間模式?？梢郧逦赜^察到：激活區(qū)域：最顯著的激活集中在左半球初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的背側(cè)區(qū)域（如通道#11,#12,#17）。模式效應(yīng)：主動(dòng)模式（Active1, Active2）的激活強(qiáng)度顯著高于被動(dòng)模式（Passive），表現(xiàn)為T值的絕對(duì)值更大。強(qiáng)度梯度：激活強(qiáng)度基本遵循 Passive < Active1 < Active2 的梯度，表明fNIRS信號(hào)對(duì)訓(xùn)練強(qiáng)度敏感。

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總結(jié)

本研究系統(tǒng)驗(yàn)證了fNIRS在機(jī)器人輔助上肢粗大運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的會(huì)話內(nèi)可靠性。結(jié)果表明：

fNIRS在個(gè)體水平具有公平至良好的空間可靠性與良好至優(yōu)秀的時(shí)間可靠性；

可靠性隨訓(xùn)練強(qiáng)度提升而增強(qiáng)（Passive < Active1 < Active2），但在高強(qiáng)度模式下HbO可靠性可能因疲勞而下降；

左M1背側(cè)區(qū)域為最可靠測(cè)量區(qū)域，支持少數(shù)通道布置的臨床可行性。

這些發(fā)現(xiàn)為fNIRS作為閉環(huán)神經(jīng)反饋系統(tǒng)的核心組件提供了實(shí)證基礎(chǔ)，推動(dòng)了其在個(gè)性化、自適應(yīng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。未來需在患者群體中進(jìn)一步驗(yàn)證，并優(yōu)化休息策略以減輕疲勞影響。補(bǔ)充：基于本研究驗(yàn)證的fNIRS會(huì)話內(nèi)可靠性，可構(gòu)建一個(gè)精簡(jiǎn)的閉環(huán)神經(jīng)反饋系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過置于患者運(yùn)動(dòng)皮層的少數(shù)fNIRS通道，實(shí)時(shí)提取并分析血紅蛋白濃度變化的斜率與幅值等可靠時(shí)間特征；據(jù)此，系統(tǒng)實(shí)時(shí)判斷患者的大腦參與度，并動(dòng)態(tài)控制康復(fù)機(jī)器人自動(dòng)調(diào)節(jié)輔助力度或運(yùn)動(dòng)阻力——在參與度充足時(shí)增加挑戰(zhàn)，不足時(shí)則降低難度，從而形成一個(gè)以患者大腦狀態(tài)為核心的自適應(yīng)訓(xùn)練循環(huán)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化康復(fù)。