李娜，崔志琴，施長城，左國坤,3

1.中北大學(xué)，山西太原市030051；2.中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，慈溪生物醫(yī)學(xué)工程研究所，浙江寧波市315399；3.中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，先進制造技術(shù)研究所，浙江寧波市315201

腦卒中是一種急性腦血管疾病，全國每年新發(fā)病患者約200萬，且患病率逐年上升，給社會和家庭帶來極大的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)[1-2]。隨著醫(yī)療水平提高，腦卒中死亡率逐漸降低，但也導(dǎo)致致殘率進一步上升。卒中后約有2/3患者遺留有一側(cè)上肢功能障礙，而上肢功能在患者生活自理方面起到至關(guān)重要的作用[3]。上肢康復(fù)機器人技術(shù)[4-5]可以通過視覺、聽覺和觸覺刺激反饋輔助患者進行大量重復(fù)、功能導(dǎo)向性的康復(fù)訓(xùn)練[6]，減輕康復(fù)醫(yī)師的體力壓力，逐漸得到廣泛的關(guān)注。然而，如何優(yōu)化設(shè)計外界刺激的形式與輔助策略以幫助患者更快、更穩(wěn)定地進行上肢運動學(xué)習(xí)與功能恢復(fù)仍需研究。多年從事康復(fù)機器人研究的Krebs等[7]和Marchal-Crespo等[8]也指出，需要進一步研究和探索更優(yōu)化的康復(fù)機器人輔助策略。

運動學(xué)習(xí)理論是被用作研究運動功能康復(fù)訓(xùn)練的重要工具[9-11]。目前普遍接受的理論是增強反饋可以有效提高運動學(xué)習(xí)能力，這里的增強反饋指的是視覺、聽覺、觸力覺等的外部反饋[12]。在增強反饋中，視覺反饋信息在傳入信息中占主導(dǎo)地位[13-19]，在運動中，我們會結(jié)合視覺反饋和本體感覺信息進行決策[20]。其中，本體感覺的提升有利于運動學(xué)習(xí)和康復(fù)效果[21]。視覺反饋研究領(lǐng)域現(xiàn)有兩種主流的假說。

一種為任務(wù)的特定性假說(specificity of practice hypothesis)[22]。該假說認(rèn)為，當(dāng)一種傳入信息占主導(dǎo)地位(如視覺)時，會忽視其他傳入信息(如本體感覺)，并且會嚴(yán)重依賴于主導(dǎo)的傳入信息反饋，這種依賴性會一直持續(xù)下去且隨著訓(xùn)練的增加而逐漸增強，不利于運動員的訓(xùn)練和患者的康復(fù)治療。在這一假說的支持下很多學(xué)者做了一些試驗來驗證，他們通過減少視覺信息[12,16,23-25]、扭曲的錯誤視覺信息[26]、增加負(fù)載[22]等方式來削弱視覺的主導(dǎo)地位，這種在訓(xùn)練中削弱視覺反饋組在轉(zhuǎn)移測試(沒有視覺反饋)中會較在訓(xùn)練中提供全部視覺反饋組有更好的準(zhǔn)確性。而在Blandin等[16]和Tremblay等[22]的試驗中，對于訓(xùn)練次數(shù)增加組在轉(zhuǎn)移測試中表現(xiàn)更好的解釋不是很明確。

另一種假說指出運動學(xué)習(xí)的早期階段可能會依賴于傳入信息來校準(zhǔn)運動錯誤，而在運動學(xué)習(xí)的后期則會更多依賴于本體感覺[27]。這一假說可能更符合運動控制理論中所提到的最低代價原則，運動控制理論指出運動是由前饋和反饋組成的閉合回路，前饋系統(tǒng)預(yù)測運動指令，反饋信息來糾正運動中的錯誤，而在運動控制中人們希望以最小的努力獲得最大的回報[28-29]，可能隨著運動學(xué)習(xí)的進行，學(xué)習(xí)到的能力更多地轉(zhuǎn)移到前饋中，即更加依賴本體感覺[30-31]，而對反饋信息的依賴會減少。Hinder等[15]的實驗顯示，隨著試驗的進行，運動時間縮短，這可能是因為隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加對外部反饋的需求變少。根據(jù)這一假說，我們應(yīng)該在運動學(xué)習(xí)初期不考慮運動后期撤銷外部反饋的輔助，盡可能使人學(xué)習(xí)到該運動能力，運動學(xué)習(xí)后期人們可能會為了減少代價自主分配所依賴的信息。

如何設(shè)計視覺反饋以使人能夠快速有效地學(xué)習(xí)到某一運動是我們應(yīng)該關(guān)注的問題。Sigrist等[12,32]指出目前對于運動中錯誤的自我認(rèn)知在運動學(xué)習(xí)中十分重要，但是有利的視覺提示方式尚不明確。Wei等[33]指出反饋的設(shè)計應(yīng)該使視覺和本體感覺都與運動產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。Hinder[15]提出相較于結(jié)果反饋(knowledge of results,KR)，可能對于表現(xiàn)的認(rèn)知反饋(knowledge of performance,KP)更能有利于一個新的任務(wù)適應(yīng)性。但是KP對于運動學(xué)習(xí)的影響機制尚不明確，有待進一步研究。本文以實時顯示的視覺軌跡作為KP的一種形式來進行KP影響機制的研究，以期能設(shè)計更有利于患者運動康復(fù)訓(xùn)練的一種反饋形式。

為了探究實時KP在畫圓任務(wù)運動學(xué)習(xí)中的作用，并探究隨著訓(xùn)練組的變化對反饋信息的依賴的影響。相較于簡單的點到點運動，畫圓任務(wù)較為復(fù)雜。本試驗均提供視覺提示(visual cues,V)，本文設(shè)計V+KP+KR組和V+KR組進行對照試驗。兩組試驗在畫圓任務(wù)中都有V(代理點)反饋和KR(運動結(jié)束時的分?jǐn)?shù)顯示)反饋。此外，V+KP+KR組在運動過程中顯示實時運動過的軌跡，即增加KP。KP的增加會使傳入人體的反饋信息增多。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)

本文采用本團隊自主研發(fā)的末端牽引式康復(fù)機器人系統(tǒng)作為硬件，用Unity4.6.0編寫的程序生成Android應(yīng)用程序。

圖1a為本研究中人體上肢進行畫圓任務(wù)的示意圖。試驗任務(wù)是志愿者主動發(fā)力操控?fù)u桿完成，在任務(wù)中志愿者處于主動模式，即機器人系統(tǒng)通過摩擦力和重力補償，志愿者在操作中基本沒有阻力和阻尼感。志愿者坐在設(shè)備的左后方并使用右手操縱搖桿，主要通過肩、肘關(guān)節(jié)的協(xié)同運動來完成任務(wù)。

1.2 軟件系統(tǒng)

本文畫圓游戲使用Unity4.6.0編寫。圖1b為基準(zhǔn)水平(Baseline)測試任務(wù)，圖1c和圖1d為本次畫圓任務(wù)。Baseline任務(wù)和畫圓任務(wù)都為5 s畫圓任務(wù)，圓的大小和位置一致，所采取的評分機制一致。Baseline任務(wù)采取跟隨三角形旋轉(zhuǎn)形式是為了在不影響畫圓任務(wù)的情況下測試志愿者在5 s內(nèi)順時針畫相同大小的圓的能力。

1.3 評分機制

畫圓任務(wù)要求志愿者在5 s內(nèi)盡可能準(zhǔn)確地畫圓，若畫圓時間超過5 s則記為0分，若時間在5 s內(nèi)，則按照準(zhǔn)確性打分。評分參數(shù)為圓度偏移量(roundness score,RS)和完成時間(完成時間記錄20次畫圓任務(wù)的總時間)。RS計算方法如下所示。

圖1 畫圓游戲任務(wù)示意圖

其中，Di為搖桿末端控制的代理點(xi,yi)和圓心(xO,yO)兩點的距離，取值范圍為(0,2R)。

2 方法

2.1 對象

2018年7月至9月，選擇中科院材料所右利手學(xué)生和教師24例進行試驗，包括17例男性和7例女性，年齡24～37歲，平均(26.71±3.61)歲，無上肢運動功能障礙，此次試驗僅針對志愿者右側(cè)上肢順時針畫圓運動。

2.2 測試方法

24例志愿者需要首先完成Baseline測試，Baseline測試分組后經(jīng)過1個月左右進行5節(jié)訓(xùn)練、訓(xùn)練后經(jīng)過3d再進行保持測試。

2.2.1 受試者運動能力的基準(zhǔn)水平測試

由于不同個體存在不同的技能水平，其個體差異性會影響其完成任務(wù)的準(zhǔn)確性，面對同一任務(wù)，不同個體的難度感知不同，若是個體感知難度大，可能打擊自信[34]，而感知太簡單則激發(fā)不了挑戰(zhàn)性[35]，從而影響結(jié)果。

為了排除志愿者本身能力的影響，設(shè)計如圖1b所示的Baseline任務(wù)來測試志愿者的畫圓能力是否一致。Baseline任務(wù)采取三角形旋轉(zhuǎn)、代理點跟隨的任務(wù)方式，當(dāng)代理點重新回到原橙色初始位置表示完成一圈任務(wù)。其中，三角形旋轉(zhuǎn)一圈的時間為5s，志愿者需要實時控制代理點跟隨三角形旋轉(zhuǎn)完成畫圖任務(wù)，若完成時間超過5s則記為0分，且該分?jǐn)?shù)會在屏幕左上角顯示；若志愿者在5s內(nèi)完成任務(wù)，則屏幕左上角分?jǐn)?shù)為RS值。通過0分值來衡量是否能在5s內(nèi)完成任務(wù)，通過RS值來衡量任務(wù)的準(zhǔn)確性。每位志愿者共進行10次順時針Baseline任務(wù)，然后進行統(tǒng)計學(xué)分析并根據(jù)分析結(jié)果進行分組，以確保兩組志愿者任務(wù)完成水平相對一致。

2.2.2 運動學(xué)習(xí)訓(xùn)練

經(jīng)過Baseline測試后將志愿者分成無顯著性差異的兩組。圖1c所示為V+KP+KR組完成畫圓任務(wù)的反饋內(nèi)容，該反饋下志愿者可看到實時的代理點位置以及畫圓任務(wù)的實時視覺軌跡。圖1d所示為V+KR組完成畫圓任務(wù)的反饋內(nèi)容，此反饋下只能看到實時的代理點的位置，沒有實時視覺軌跡。兩組在完成畫圓任務(wù)后均可在屏幕左上角看到每畫完一圈后的成績，以及5s的倒計時情況。

兩組志愿者分別進行5節(jié)訓(xùn)練，每兩節(jié)間休息1～2min，每節(jié)完成20次順時針畫圓任務(wù)，每次畫圓任務(wù)完成后均會在屏幕上顯示成績，每節(jié)任務(wù)完成后會顯示該試驗節(jié)的平均成績，并在下一節(jié)訓(xùn)練時，本次的平均成績將會在屏幕左下角顯示。本試驗共需要完成100次順時針畫圓，總耗時約20min。其中，所有志愿者完成第1節(jié)訓(xùn)練后，在其休息間隙對其進行一個問卷調(diào)查；在完成5節(jié)訓(xùn)練后，再進行一次問卷調(diào)查。

訓(xùn)練試驗經(jīng)過3d后，兩組志愿者進行和訓(xùn)練任務(wù)相同內(nèi)容的一節(jié)試驗，并再次填寫問卷調(diào)查。這節(jié)試驗作為一個學(xué)習(xí)能力的保持測試，以查看兩組學(xué)習(xí)任務(wù)的保持能力。

2.3 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS22.0進行統(tǒng)計學(xué)分析。計量資料均符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布，以(±s)表示。為了確保試驗中兩組的志愿者能力沒有差異，把24例志愿者的Baseline成績進行排名，以前12名和后12名分為兩組，采用獨立樣本t檢驗，分析志愿者的5s內(nèi)畫圓的運動能力是否一致，若無顯著性差異則認(rèn)為所有志愿者完成順時針畫圓的準(zhǔn)確性和完成時間的能力一致，將24人隨機分為兩組。若有顯著性差異，則按照排名序號奇數(shù)和偶數(shù)號重新分為兩組，對重新分的兩組進行獨立樣本t檢驗。對兩組進行兩因素重復(fù)測量方差分析2(V+KP+KR組、V+KR組)×6(5節(jié)訓(xùn)練+1節(jié)保持測試)、單因素方差分析。顯著性水平α=0.05。

3 結(jié)果

3.1 Baseline結(jié)果分析

將24例志愿者的成績排列，前12名成績(61.14±29.70)與后12名(39.56±37.21)有非常高度顯著性差異(t=4.968,P＜0.001)。將兩組志愿者重新排列成新的兩組，所有的成績無顯著性差異(t=0.809,P=0.420)，兩組除去0分值后的數(shù)據(jù)無顯著性差異(t=1.176,P=0.241)，兩組0分值的個數(shù)無顯著性差異(t=0.462,P=0.649)。

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 RS值

除0分值后，兩組訓(xùn)練節(jié)和保持節(jié)的RS值如圖2所示。對兩組進行兩因素重復(fù)測量方差分析2(V+KP+KR組和V+KR組)×6(5節(jié)訓(xùn)練+1節(jié)保持測試)，結(jié)果顯示組間和組內(nèi)存在交互作用(F=6.029,P＜0.001)。對組間進行6次單獨效應(yīng)分析，兩組除了在第5節(jié)無顯著性差異外(P＞0.05)，其余節(jié)均存在非常高度顯著性差異(P＜0.001)。見表1。

對組內(nèi)因素進行2次單獨效應(yīng)分析，對于V+KP+KR組，組內(nèi)因素有非常高度顯著性差異(F=12.465,P＜0.001)；對于V+KR組，組內(nèi)因素也存在非常高度顯著性差異(F=35.612,P＜0.001)。對兩組都進行單因素方差分析，發(fā)現(xiàn)兩組的保持節(jié)都和第1節(jié)訓(xùn)練有非常高度顯著性差異(P＜0.001)，和第2節(jié)訓(xùn)練無顯著性差異(V+KP+KR組P=0.444，V+KR組P=0.308)。

3.2.2 完成時間

對兩組完成時間進行兩因素重復(fù)測量方差分析2(V+KP+KR組和V+KR組)×6(5次訓(xùn)練節(jié)+1節(jié)保持測試)，結(jié)果顯示組間和組內(nèi)不存在交互作用(F=1.606,P=0.228)，組間主效應(yīng)不顯著(F=0.55,P=0.477)，組內(nèi)主效應(yīng)顯著(F=3.95,P=0.031)。對兩組均進行單因素方差分析，V+KR組各節(jié)無顯著性差異(P＞0.05)，V+KP+KR組的第一節(jié)訓(xùn)練和保持節(jié)有顯著性差異(P=0.015)。雖然完成時間的組間差異不顯著，但是V+KP+KR組的完成時間略高于V+KR組。見圖3。

表1 兩組RS分值對比

圖2 兩組分RS值比較

圖3 兩組完成時間比較

4 討論

本文通過研究健康志愿者在KP反饋下的運動學(xué)習(xí)狀況，從而探究更好的運動學(xué)習(xí)策略，以期待能將較好的反饋策略用于腦卒中患者的再學(xué)習(xí)康復(fù)訓(xùn)練中。

兩組的0分值的個數(shù)無顯著性差異，這說明本實驗志愿者對于5 s內(nèi)完成順時針畫圓的任務(wù)是較為一致的。且在問卷調(diào)查中志愿者反饋只有在最初的幾次畫圓任務(wù)中會注意到5 s的時間，在隨后的試驗中都靠本體感覺大致的時間，更多的關(guān)注點在準(zhǔn)確性上。

從運動準(zhǔn)確性來看，V+KP+KR組能夠快速達到一個較高的準(zhǔn)確度，成績緩步提高，在第5節(jié)測試時，兩組能夠達到相同的水平；而從保持節(jié)來看，兩組都較第5節(jié)試驗成績降低，V+KP+KR組成績高于V+KR組，不過兩組都和各自組第2節(jié)訓(xùn)練水平相當(dāng)。從第5節(jié)訓(xùn)練來看，兩組都能到達相同的水平，說明KP不是達成運動準(zhǔn)確性的必要條件。從整個試驗過程來看，V+KP+KR組在運動初期和保持測試都表現(xiàn)出優(yōu)勢，增加KP會增加反饋信息的處理[29]，提供更多的反饋信息，對于初次接受的較難的5 s畫圓運動可能減少認(rèn)知的負(fù)載，且在5 s內(nèi)可能能夠快速對任務(wù)有一個很好的對錯誤的自我認(rèn)知[12]。從保持節(jié)看，V+KP+KR組的成績高于V+KR組，這可能是V+KP+KR組增加反饋從而付出了更多的努力，運動的控制是希望付出更少的努力去獲得更多的回報[29]，而如果付出努力多的話則有可能會增強運動記憶。

從運動時間來看，組內(nèi)的主效應(yīng)顯著，也就是說，雖然我們規(guī)定完成時間為5 s，但是志愿者完成畫圓任務(wù)的時間也會越來越短。完成時間的縮短有兩個可能：一方面，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，任務(wù)的學(xué)習(xí)加強，前饋信息增加，所需要的反饋信息減少，這支持本研究最初的假設(shè)，即雖然外部傳入信息不變，但隨著運動學(xué)習(xí)的進行，人們可能更多依賴本體感覺[27]；另一方面，從Shadmehr教授的運動控制理論來講，人們趨向于花費更少代價去獲得更多，且越早獲得回報越好，在任務(wù)相同的情況下，花費時間越少越好。雖然時間在減少，但是成績并沒有減少。雖然無顯著性差異，從圖3可看到，V+KP+KR組的平均完成時間要高于V+KR組，這是因為V+KP+KR組比V+KR組多了實時軌跡的視覺反饋，可能需要付出更多的時間在反饋運動控制模型中獲取和整合反饋信息[29]，也因此付出更多的努力，能夠?qū)Ｗ⒂诋媹A任務(wù)的準(zhǔn)確性。兩組的完成時間都隨著任務(wù)訓(xùn)練的增加而有著降低的趨勢，這可能是因為隨著訓(xùn)練的增加，志愿者對反饋信息的依賴降低了[15]。

在試驗的過程中發(fā)現(xiàn)，志愿者的主觀能動性在也發(fā)揮著重要作用[36-37]。在完成一節(jié)任務(wù)后，志愿者看到成績，會有“我這次比上次成績更好”“這次因為沒有按時完成，有個0分影響了我的成績，下次能夠更好地完成”等的感受，這說明KR可能在對于志愿者的自我認(rèn)知中發(fā)揮著重要的作用，KR可以在一定程度上提高個體完成任務(wù)的積極性[38]。對于腦卒中患者，這種定量化的評估并且在線反饋的形式，可能有利于提高患者的康復(fù)積極性，特別是當(dāng)患者自己看到自己的能力提高，更加相信自己能夠恢復(fù)，進而促進多巴胺的分泌，更有利于運動學(xué)習(xí)[39]。此外，“0分”也能激勵志愿者進一步挑戰(zhàn)自我，更加努力?？傊?，人的主觀能動性也起到重要作用，關(guān)鍵是如何調(diào)控才能使志愿者既有自信又有挑戰(zhàn)性，其調(diào)控機制有待進一步深入研究[34-35]。

綜上所述，實時的軌跡反饋可以幫助個體快速學(xué)習(xí)一項任務(wù)，這對于腦卒中患者的初期康復(fù)訓(xùn)練可能比較有利。運動時間的減少初步驗證運動學(xué)習(xí)后期對視覺反饋依賴的降低和本體感覺的增強。但是，本研究沒有轉(zhuǎn)移試驗的測試，所以還不能充分證實這一點，接下來的工作重點將以此展開。另外，人的主觀能動性也是影響運動學(xué)習(xí)的重要因素，針對腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練游戲設(shè)計需要多考慮這一因素，只有能夠激發(fā)患者的主觀能動性才能夠更有利于康復(fù)訓(xùn)練，促進患者主動訓(xùn)練，提升康復(fù)訓(xùn)練效果。