慧创fNIRS

同济大学附属养志康复医院（上海阳光康复中心）牛文鑫教授团队在期刊《Biocybernetics and Biomedical Engineering》发表了聚焦外骨骼辅助卒中患者行走的脑神经、肌肉运动功能研究成果。

研究卒中患者穿戴外骨骼的行走研究实验属于运动状态下的脑网络过程-该实验场景对脑信号采集的抗运动干扰能力提出了极高要求。此实验采用运动任务范式，而运动过程中若脑信号采集技术的抗干扰性能不足，极易产生严重的运动伪迹，干扰数据准确性。

慧创光学脑机接口设备（fNIRS）很荣幸为研究提供了灵活性高、抗运动干扰能力强、多脑区同步采集的信号数据。慧创fNIRS更突破性攻克亚洲人黑头发成像难题，实现全脑覆盖成像，仅需 30 秒即可调试出全脑优质信号，助力研究者从全局脑连接视角解读大脑，为运动相关脑功能研究及神经可塑性机制的解析，提供了灵活、高效、全面的解决方案。

当我们正常行走时，大脑与肌肉骨骼系统紧密协作，形成一套精密的控制系统。然而，很多患者在卒中后会出现行走困难，主要是大脑神经控制与肌肉运动之间协调关系被破坏。近年来，外骨骼机器人被广泛应用于康复训练，但它究竟如何影响大脑与身体的“对话”，从而帮助患者重新学会走路，一直不太清楚。

    最近，同济大学附属上海市养志康复医院的研究团队开展了一项重要研究，揭示了外骨骼如何帮助脑卒中患者康复重建行走能力的内在机制。上海市养志康复医院（上海阳光康复中心）牛文鑫团队在期刊《Biocybernetics and Biomedical Engineering》发表了题为“Neuro-biomechanical coupling in exoskeleton assisted walking for stroke patients demonstrates adaptive compensation”的研究成果。

发表期刊

Biocybernetics and Biomedical Engineering

影响因子

6.6

使用设备

慧创NirScan

01方 法

研究招募了16名卒中患者和16名健康被试，分别在不同踝关节外骨骼模式（无外骨骼、仅穿戴无助力、穿戴并助力、脱下后）下行走，并同时采集他们的运动、肌肉活动和大脑血流信号。

02fNIRS数据采集

脑血流动力学数据采集基于功能近红外设备（Nirscan，丹阳慧创医疗设备有限公司，中国），采样率为11Hz，共采集61通道数据，覆盖脑区包括双侧前额叶皮层（PFC）、辅助运动区（SMA）、运动前区（PMC）和初级运动皮层（M1）。

fNIRS分析连续小波变换提取HbO数据的小波幅值（WA），以表征大脑皮层活动强度，采用小波相位相干性（WPCO）计算通道间相关性来表征功能连接，此外，计算了偏侧化指数（LI）及动态偏侧化波动（DLI_LF），引入半球自主指数（HAI）展示半球间功能连接的不对称性，基于图论分析网络特征，计算了介数中心性、全局效率、聚类系数、模块度来反映网络拓扑结构。

图1 本研究概述。

03结果

皮层激活和功能连接 

与卒中患者相比，健康被试在行走时运动皮层（SMA和M1）的激活显著更强，并表现出优势侧SMA激活更强的模式，而卒中患者则无此差异。此外，健康被试特定脑区间的功能连接强度（如非优势侧SMA与优势侧M1）也更高。外骨骼辅助行走对功能连接强度没有显著影响。结果见图2。

图2 卒中患者和健康被试在不同条件下的脑激活( A ) ( B )和功能连接( C ) ( D )。

偏侧化和神经网络参数 

卒中患者在PFC的侧化指数显著高于健康被试，且卒中患者的功能网络在有外骨骼辅助时具有更高的全局效率和聚类系数；而健康被试在外骨骼辅助下，网络连接的中心性和模块性则有所降低。见图3。

图3 卒中患者和健康被试在不同条件下的偏侧化和神经网络参数。

偏侧化与神经网络参数和生物力学对称性参数的相关性 

卒中患者组外骨骼条件下SMA 的侧化程度与肌肉协同的对称性高度相关；健康被试组PMC 的侧化程度和网络连接的介数中心性则与肌肉协同的对称性及膝关节协调性有显著关联。见图4。

图4 卒中患者与健康被试在不同条件下的距离相关性分析。

04讨论

研究发现，卒中患者存在明显的运动协调障碍、肌肉活动模式简化，以及大脑运动区域激活减弱等问题。当使用踝关节外骨骼辅助时，患者踝关节关键发力期的协调模式被激活，并部分恢复肌肉协同工作的能力。它还能促进大脑未受损区域的代偿性激活，并提高神经网络整合信息的效率，像是在帮大脑“重新布线”。但同时，外骨骼也带来了一些挑战，如关节间的协调性降低，步速不对称性增加。

最引人注目的发现是大脑的适应性变化。卒中患者在适应外骨骼时，大脑会策略性地重新组织神经活动。大脑的辅助运动区（SMA）扮演了核心角色，像一个“总指挥”，集中调控整合运动计划与执行过程。而前运动皮层（PMC）激活的动态左右波动，则像是一个“节拍器”，通过调节运动的可变性来反映行走的节律。

这项研究告诉我们，外骨骼并非简单地替代患者走路。它更像一个“训练师”兼“参与者”，在提供支撑的同时，打破了患者病态、失调的旧模式，促使大脑和身体转向一种更依赖“运动计划”的适应性控制策略。这为未来设计更智能的外骨骼提供了关键思路：未来的康复机器人不应只提供力量，更要能根据患者实时的神经与肌肉运动信号，动态调整辅助策略，精准促进大脑功能的重塑。

这项研究将神经生物力学与康复工程深度结合，让我们离“精准康复”的目标又近一步。让外骨骼真正读懂患者的大脑与身体，实现个性化、适应性的高效康复训练。