JNER:中风后步行康复期间可改善皮层活动以及减少步态不对称

中风是一种常见的疾病，由脑出血或缺血性损伤引起，并伴有运动功能障碍。受损的运动功能可以通过皮层重组在一定程度上恢复。中风后前3个月内的康复对于通过神经可塑性促进康复至关重要。运动功能的恢复是许多中风患者康复中的一个主要问题，因为步态障碍限制了社交和日常生活活动。此外，随着步态性能的降低，可能导致创伤性损伤的跌倒风险增加。因此，在医院和出院后，为中风患者提供步态康复，以改善他们的行走性能。

体重支持的跑步机训练（BWSTT）广泛用于步态康复，因为与地面训练相比，它在小空间内提供安全、可重复的训练。有研究表明，在跑步机上进行训练的效果并不优于在治疗师指导下进行的地面训练。在传统的跑步机上，患者很难自愿参与训练，因为他们适应不变的速度。为了克服传统跑步机的这一局限性，开发了一种模拟地面行走的自配速跑步机，还开发了一个虚拟现实系统，用于神经紊乱后的步态康复。跑步机皮带的速度由用户的偏好控制，通过使用商用深度传感器或使用运动捕捉系统测量用户身体部位的位置。监测患者的大脑活动有助于确定训练的效果，并提出一种有效的步态康复方法，因为受损的功能可以通过皮层重组来恢复。

在本研究中，通过脑电图记录，监测并比较自配速跑步机和固定步行速度的传统跑步机的脑活动水平。本文发表在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》。

脑缺血后中风偏瘫的参与者可以提供同意并遵守研究方案，而不存在任何明显的认知障碍，从首尔国立大学本当医院（SNUBH）招募。自行配速跑步机通过加速或减速识别用户的意图来控制。使用KINECT（微软、雷蒙德、华盛顿、美国）测量使用者骨盆和足部的位置和速度，并使用MFC软件处理数据。如果用户想要走得更快，并以更快的摆动腿向前移动，控制器会意识到这一意图并加速皮带。对于主动行走，目标速度和由用户速度意图控制的当前速度都显示在监视器上，因此用户可以更改速度以调整到目标速度。

康复系统构成和训练模式

使用FAC对所有参与者进行评估，然后是伯格平衡量表（BBS）、跌倒效能量表（FES）和10米步行测试（10 mWT），并通过在课程开始时进行的访谈获得相关人口统计学数据，如年龄和病史。以随机顺序进行两次主动和两次被动步行。每次步行训练包括一组慢行和快走试验，重复9次。在每次训练之间，至少休息5分钟，以避免疲劳影响。在参与者进行步行试验时收集EEG数据。为了受试者的安全，确定行走过程中的快慢速度不超过10米行走测试测得的最大行走速度，并将其设置为10米行走测试最大行走速度的70%和40%。

为了确定行走阶段，在跑步机的每个角落安装了四个一维称重传感器（DSCK-500，Bongshin，Osan，South Korea）。根据测量的垂直地面反作用力（GRF），当GRF超过并低于20N的阈值时，计算脚跟撞击（HS）和脚趾离地（TO）的瞬间。为了研究步态不对称模式，还根据这些步态指数计算了步态相位持续时间。在1080 Hz时收集GRF数据，然后使用截止频率为20 Hz的低通滤波器进行滤波。通过计算下肢两侧站立时间的差异来估计步态不对称性，然后使用配对t检验比较主动行走和被动行走。由于被动步行过程的步行速度是固定的，且方差为零，因此使用Wilcoxon秩和检验比较主动和被动步行条件下的步行速度。为了评估每个皮质区域的活动水平，使用actiCHamp（美国北卡罗来纳州莫里斯维尔Brain Vision）收集EEG数据。

临床试验是在短时间内进行的，但患者表现出更高的认知参与度，通过脑电图（EEG）评估的大脑活动得到改善，并通过自行配速跑步机减少了步态不对称。正如预期的那样，发现前额叶皮质（PFC）、运动前皮质（PMC）和边缘上回（SG）中的低γ和β带的光谱功率增加，这可能与处理感觉数据和计划自主运动有关。此外，受影响的下肢在摆动阶段也发现了这些皮质活动的变化。由于我们的跑步机控制器跟踪腿的摆动速度来控制行走速度，因此这些结果表明受试者在摆动阶段做出了很大的努力来控制受影响的腿，以匹配目标行走速度。

所有受试者的行走速度（左）和参考目标速度的速度（右）均方根误差

与传统的被动跑步机相比，使用上述自行配速跑步机的中风幸存者的大脑皮层活动增加。这种皮质变化在视觉皮质、运动前皮质、辅助运动皮质和躯体感觉皮质中显著，尤其是当受影响的下肢处于摆动后期和脚跟撞击前。由于在我们的主动跑步机系统中实现的控制器跟踪摆动腿的速度，以估计用户的步态速度并设置目标速度，皮质激活水平的增加意味着受试者对目标速度给予了极大的关注。

患者的脑电活动

在主动行走过程中，前额叶皮层表现出较高的激活水平，可以推测，受试者更注意处理速度误差的视觉反馈，并试图按照指示保持给定的目标速度。在评估视觉空间信息的PFC皮层参与后，辅助运动皮层的参与和更高的激活水平可能与通过编程顺序和复杂的运动机制执行任务有关。患者在主动行走时比被动行走时更努力地处理四肢的感觉信息。虽然在被动和主动行走任务中，两种速度没有显著差异，但皮带速度是通过跟踪骨盆位置和摆动腿的速度来控制的，因此受试者需要精确控制其下肢，以匹配给定的目标速度。

根据研究结果，自行配速步态训练系统具有减少步态不对称和改善脑卒中后相关皮层活动的潜力。

Oh, K., Park, J., Jo, S.H. et al. Improved cortical activity and reduced gait asymmetry during poststroke self-paced walking rehabilitation. J NeuroEngineering Rehabil 18, 60 (2021). https://doi.org/10.1186/s12984-021-00859-7