機(jī)器人輔助療法在中風(fēng)神經(jīng)康復(fù)中廣泛應(yīng)用。機(jī)器人可通過精準(zhǔn)檢測患者的表面肌電（EMG ）信號，實(shí)現(xiàn)如開關(guān)控制、比例控制、基于肌電模式識別的控制，以同步輔助患者完成握拳等動(dòng)作訓(xùn)練。然而由于中風(fēng)患者神經(jīng)損傷，肌肉經(jīng)常出現(xiàn)痙攣現(xiàn)象（不自主的肌肉僵硬或收縮），干擾了機(jī)器人對EMG檢測的準(zhǔn)確性，進(jìn)而導(dǎo)致輔助康復(fù)受限。

機(jī)器人輔助療法

中風(fēng)后肌肉痙攣

在醫(yī)療美容領(lǐng)域，A 型肉毒桿菌毒素（BoNT-A，即常說的 “瘦臉針”“除皺針” 核心成分）是應(yīng)用泛的微創(chuàng)美容材料之一，核心原理是通過暫時(shí)阻斷神經(jīng)與肌肉間的信號傳遞，減少肌肉過度活動(dòng)，從而改善因肌肉運(yùn)動(dòng)過度導(dǎo)致的外觀問題。研究發(fā)現(xiàn)，A型肉毒桿菌毒素（BoNT-A）是治療中風(fēng)后痙攣的有效方法，那么其對中風(fēng)患者運(yùn)動(dòng)檢測是否有影響呢？

來自康復(fù)大學(xué)的周平團(tuán)隊(duì)在 2024 年第 17 屆國際康復(fù)工程與輔助技術(shù)大會(huì)上發(fā)表了題為《Effect of Botulinum Toxin Type A on EMG-based Motion Detection: a Pilot Study on Post-Stroke Patients》的文章，揭示了 A 型肉毒桿菌毒素（BoNT-A）可通過降低中風(fēng)后患者的肌肉痙攣程度，提升基于（EMG）的運(yùn)動(dòng)檢測準(zhǔn)確性（平均提高 9.5±3.5%），進(jìn)而可能改善機(jī)器人輔助中風(fēng)康復(fù)的人機(jī)交互體驗(yàn)。

圖 1. 論文信息

本研究共招募了4名中風(fēng)后偏癱且伴隨中重度痙攣的患者（MAS評分2–3），所有受試者均接受了臨床常規(guī)的BoNT-A注射治療。在治療前及治療后兩周分別對患者的屈指淺肌（flexor digitorum superficiali, FDS）進(jìn)行了常規(guī)的功能性測量：通過Fugl-Meyer手功能評分（FMA-C）來評估手部運(yùn)動(dòng)能力，用改良Ashworth量表（MAS）量化痙攣程度，并使用握力計(jì)檢測手部的收縮力。這些臨床指標(biāo)為BoNT-A的干預(yù)效果提供了基礎(chǔ)參考。

研究人員利用HD-EMG技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集設(shè)備為TMSi公司（荷蘭）研發(fā)的SAGA高密度肌電采集系統(tǒng)（圖2）。他們在患者的屈指淺肌表面貼附了一塊64通道（8*8）柔性電極陣列，電極直徑4mm，間距4mm，能夠捕捉到極為精細(xì)的肌電信號。實(shí)驗(yàn)過程中，患者坐在桌前，肘部和肩關(guān)節(jié)保持在指定角度，手臂放松。研究人員指導(dǎo)受試者通過自主等長收縮¹完成手部閉合動(dòng)作（方式為握棒球），并盡可能穩(wěn)定保持 5 秒以上。為避免受試者出現(xiàn)精神疲勞和肌肉疲勞，在連續(xù)兩次動(dòng)作之間有充足的休息。

注1：等長收縮（isometric contractions）：指肌肉在收縮過程中長度保持不變，但產(chǎn)生張力的收縮形式，如保持特定姿勢時(shí)的肌肉活動(dòng)，文中 “握棒球并穩(wěn)定保持” 即屬于此類收縮。

圖2. 使用SAGA設(shè)備進(jìn)行高密度肌電信號采集實(shí)驗(yàn)設(shè)置

研究人員通過視覺檢查確定運(yùn)動(dòng)起始與終止（真值），將每個(gè)試次分為運(yùn)動(dòng)前、運(yùn)動(dòng)中（自主收縮）、運(yùn)動(dòng)后三段，每段再分為400ms 無重疊分析窗，運(yùn)動(dòng)中窗標(biāo)記為 “收縮”，運(yùn)動(dòng)前 / 后窗標(biāo)記為 “休息”。同時(shí)采用運(yùn)動(dòng)檢測算法來標(biāo)記EMG的“收縮”和“休息”。該方法基于振幅的閾值法，即分析400ms的EMG信號均方根（RMS），幅值超過閾值，就判定為運(yùn)動(dòng)，否則視為靜息。這一方法雖常用于健康受試者的運(yùn)動(dòng)檢測，卻對痙攣患者來說存在問題：因?yàn)樵诏d攣的作用下，即便患者處于靜息狀態(tài)，也常常出現(xiàn)自發(fā)放電，從而被誤判為運(yùn)動(dòng)。研究人員對運(yùn)動(dòng)前、運(yùn)動(dòng)中（自主收縮）、運(yùn)動(dòng)后三個(gè)階段的準(zhǔn)確性采用 0.25、0.5 和 0.25 的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，以此估算該次實(shí)驗(yàn)的整體運(yùn)動(dòng)檢測準(zhǔn)確性。通過微調(diào)閾值，可得到BoNT-A的干預(yù)前后兩次實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)檢測準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BoNT-A治療不僅減輕了痙攣，所有 4 名患者治療后 MAS 評分均降低（圖3），還顯著改善了動(dòng)作檢測效果。如圖4所示，四名受試者的檢測準(zhǔn)確率平均提升約9.5% ± 3.5%，其中兩名患者的改善具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p < 0.05）。

圖3. 卒中受試者人口統(tǒng)計(jì)學(xué)資料以及BoNT-A治療前后功能性測量得分

圖4. BoNT - A治療前后運(yùn)動(dòng)檢測準(zhǔn)確率

治療前，患者在實(shí)際休息階段的肌電信號中常夾雜大量“偽動(dòng)作”（痙攣），超過四分之一的信號窗口被誤判為運(yùn)動(dòng)；治療后，這類痙攣信號顯著減少，運(yùn)動(dòng)檢測算法誤判比例下降至20%以下（圖5）。換言之，BoNT-A幫助肌電信號在休息階段變得更加“安靜”，讓系統(tǒng)更容易識別真正的動(dòng)作意圖（圖6）。

圖5. 受試者S1在BoNT-A治療前( A )和治療后( B )所有分析窗口的RMS值分布情況。微調(diào)后的閾值對應(yīng)于運(yùn)動(dòng)檢測中的精度，如水平方向灰色虛線所示

圖6. 受試者S1的運(yùn)動(dòng)檢測結(jié)果。檢測到運(yùn)動(dòng)的分析窗口以灰色背景顯示。( A ) BoNT - A治療前的代表性結(jié)果。( B ) BoNT - A治療后的代表性結(jié)果。CH n 表示第n個(gè)通道

隨著BoNT-A抗痙攣治療與高密度肌電技術(shù)的結(jié)合不斷深入，基于EMG的運(yùn)動(dòng)意圖識別正從“模糊的信號捕捉”走向“清晰、魯棒的人機(jī)交互”。本研究通過對比治療前后的肌電信號變化，驗(yàn)證了BoNT-A不僅能緩解痙攣，還能讓肌電信號“安靜”下來，使運(yùn)動(dòng)與靜息的界限更加清晰，從而顯著提升了動(dòng)作檢測的準(zhǔn)確性。

這一發(fā)現(xiàn)為康復(fù)機(jī)器人“讀懂”患者的運(yùn)動(dòng)意圖提供了新的生理學(xué)支持。以往中風(fēng)患者在使用肌電控制系統(tǒng)時(shí)，常常因?yàn)榀d攣帶來的自發(fā)放電而出現(xiàn)“誤觸發(fā)”，讓訓(xùn)練過程既不自然，也不高效。而在BoNT-A干預(yù)后，系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地識別真正的隨意收縮，康復(fù)機(jī)器人也就能更順暢地與患者互動(dòng)，訓(xùn)練過程因此變得更安全、更可靠。更重要的是，這項(xiàng)研究為未來“藥物+技術(shù)”的模式提供了范例。BoNT-A不僅是單純的抗痙攣手段，更可能成為智能康復(fù)的“助推器”，幫助肌電接口減少噪聲干擾，讓人工智能和機(jī)器人更精準(zhǔn)地發(fā)揮作用。正如研究團(tuán)隊(duì)所強(qiáng)調(diào)的，這不僅是一項(xiàng)關(guān)于藥物的研究，更是推動(dòng)中風(fēng)康復(fù)走向智能化、個(gè)性化的一次探索。

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研究團(tuán)隊(duì)介紹

關(guān)于維拓啟創(chuàng)

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