论文集锦 | 谨防雪天路滑,走路也是件“有学问”的事


  新一轮大范围雨雪天气在12月13日拉开了帷幕,北方多地下起了“鹅毛大雪”。雪天路滑,路上行人少了,大家走路也更加聚精会神,小心翼翼。说到“走路”,当你迈出左脚,然后右脚跟上,就完成了一次简单的步行,正因为走路这种行为太过简单和随意,我们可能根本没有细细考虑过。其实走路这件“小事”并不小,背后反而有着 “大学问”。

  

 

 

  从生理学上看,人体走路的原理涉及到多 个身体系统的协同配合,包括神经系统、肌肉系统和骨骼系统等。当我们想要走路时,大脑会通过神经系统发送信号到骨骼肌肉,让它们协调合作来实现步态。同时,神经系统也会接收来自脚底的反馈信号,让我们能够感知到地面的情况,保持平衡。

 

 

  了解了走路的原理,让我们一起看看那些和 “走路”相关的研究。

 

 

研究一

 

  罗马大学Valeria Belluscio等人围绕“走路”开展了一项功能性近红外光谱(fNIRS)和多惯性测量单元(IMUs)的联合研究,他们邀请了20名健康青年人佩戴Brite便携式近红外脑成像设备执行直线和曲线行走轨迹。使用功能近红外光谱评估前额叶皮层(PFC)激活,同时使用四个惯性测量单元评估步态质量。结果表明,在直线行走过程中,特别是当对任务有较高的注意力需求时,PFC的氧合血红蛋白浓度增加。沿曲线轨迹行走导致PFC更加活跃,运动表现下降。

 

 

研究二

 

  普通人走路值得研究,特殊群体的步态更是引起了研究者的关注。诺森比亚大学Rodrigo Vitorio等人就对帕金森症患者的步态进行了研究,他们使用SAGA脑电采集分析和Brite便携式近红外脑成像设备,监测不同的提示策略(如视觉、听觉、触觉等)对帕金森疾患者步态提升的有效性。

 

研究三

 

  不只是视觉、听觉、触觉等各种提示策略,某些药物对帕金森病患者行走也有着重大的改善。圣保罗州立大学Diego Orcioli-Silva等人利用Octamon便携式近红外脑成像设备研究了多巴胺能药物对帕金森病患者无障碍行走和避障过程中皮质活动的影响。通过组合功能性近红外光谱(fNIRS)和脑电图(EEG)系统以及步态参数来计算皮质活动。结果表明,在避障过程中,帕金森病会妨碍 PFC 的激活,而多巴胺能药物会促使其更加活跃。帕金森病的药物通过增加后顶叶皮层 (CPz) 活动来增加步行过程中的感觉运动整合。

 

 

研究四

 

 

  同样是受神经系统类疾病的困扰,中风患者的步行恢复也是广大科研人员研究的重点。目前主动康复可以利用EEG信号识别患者的左右腿运动意图,从而帮助中风患者进行康复训练,而如何提高识别精度就成了关键的一环。宁波大学董芳艳等人提出了一种基于运动想象脑电信号的分类方法,使患者能够准确地控制左右腿。

 

 

  借助SAGA脑电采集分析设备对信号进行时频分析和事件相关去同步/同步(ERD/S)分析,再经过一系列的工具筛选,将所提出的性能优异的分类器应用于下肢康复机器人的主动控制策略中。通过测试,两名健康志愿者控制左腿和右腿的平均准确率达到了94.6%以上。

 

相关设备

 

Brite MKⅢ便携式近红外脑成像系统

 

佩带方便:轻便─体化设计重量仅300g,佩带方便

运动矫正:集成6轴运动传感器,矫正头部运动对数据的干扰

全脑覆盖:最大支持54通道,可同时测量多个大脑区域

多人同步:系统软件可以同步连接多个设备,实现多人超扫描

无线传输:实时无线蓝牙传输,可在移动中测量

适用性广:光强可调,适用于各年龄段的研究需要

 

  

  

OctaMon便携式近红外脑成像系统 

 

环境友好:可在户外、办公室、实验室和医院等自然情境下使用

使用方便:无需复杂的操作,几乎不需要配置时间,即插即用

实时无线:蓝牙实时传输,范围可达100米,可在移动中测量

佩戴舒适:扁平的光极和接收器,大大提高了佩戴的舒适度

多人同步:系统软件可以同步连接多个设备,实现多人超扫描

多模态测量:可以与其他技术结合使用,如EEG、EMG、tDCS、眼动

  

 

SAGA 32+/64+ 便携式脑电采集分析系统 

 

便携可穿戴: 单模块仅重700g,肩带和 放大器支架协同实现可穿戴。

 高质量数据:纯直流放大器,硬件不做滤波,可获得高质量的原始数据。

 适配多种电极:凝胶电极、环形凝胶电极、水电极以及独特的环耳电极可选。

 主动屏蔽抗干扰:主动屏蔽电缆结合重力感应技术,规避了工频和运动干扰。

 24小时不间断测试:系统支持电池供电模式,电池更换过程中测试不中断。

 多种生理传感器:接入脑电 、高密度肌电、心电、眼电、加速度等生理数据同步测量。

 

 

 

参考文献:

 

  1、Valeria Belluscio, Gabriele Casti 1 , Marco Ferrari, Valentina Quaresima, Maria Sofia Sappia, Jörn M. Horschig and Giuseppe Vannozzi. Modifications in Prefrontal Cortex Oxygenation in Linear and Curvilinear Dual Task Walking: A Combined fNIRS and IMUs Study. Sensors 2021, 21, 6159.

  2、Rodrigo Vito´rio, Rosie Morris, Julia Das, Richard Walker, Martina Mancini,Samuel Stuart.Brain activity response to cues during gait in Parkinson’s disease: A study protocol. PLoS ONE. 2021, 17(11): e0275894.

  3、Diego Orcioli-Silva, Rodrigo Vitório, Priscila Nóbrega-Sousa, Victor Spiandor Beretta, Núbia Ribeiro da Conceição, Anderson Souza Oliveira, Marcelo Pinto Pereira, and Lilian Teresa Bucken Gobbi. Cortical Activity Underlying Gait Improvements Achieved With Dopaminergic Medication During Usual Walking and Obstacle Avoidance in Parkinson Disease. Neurorehabilitation And Neural Repair. 2021, Vol. 35(5) 406–418

  4、Fangyan Dong, Liangda Wu, Yongfei Feng, Dongtai Liang .Research on Movement Intentions of Human's Left and Right Legs Based on ElectroEncephalogram Signals. Journal Of Medical Devices-transactions Of The Asme. Dec 2022, 16(4): 041012 (10 pages)

 

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关键词:

fNIRS,Brite,便携式近红外脑成像,Octamon,步态,中风,帕金森,SAGA脑电,脑电采集分析设备

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