Nature子刊：移动机器人用于老年人的骨盆扰动实验，可改善其平衡和认知表现

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Nature子刊：移动机器人用于老年人的骨盆扰动实验，可改善其平衡和认知表现

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CSDN

https://m.blog.csdn.net/shakehands2012/article/details/145236208

随着人口老龄化的加剧，老年人的平衡能力和认知功能下降已成为一个日益严重的社会问题。近年来，机器人技术的发展为解决这一问题提供了新的思路。一项发表在《Scientific Reports》上的研究，探讨了使用移动机器人进行老年人骨盆扰动实验，以改善其平衡和认知表现。

研究背景

老年人由于身体机能下降，可能会存在运动能力衰退的问题，带来的直接问题包括自主平衡能力下降、移动能力下降等等，致使老人行走能力受损，无法适应周围环境，极易出现摔倒等问题，带来严重的后果。

老年人的平衡训练是一种常见的康复训练手段，有助于帮助运动能力衰退的老年人改善平衡功能。常见的手段为基于干扰的平衡训练（Perturbation-based balance training, PBT），是一种康复训练形式，它有意在个体的步态周期中引入轻微且不可预测的干扰因素，让老人能够安全地做出反应并培养运动技能，从而使得老人在面对现实生活中的干扰情境时，能够更加熟练地恢复身体平衡。

传统的PBT方法常常采用厚泡沫垫、平衡板或滑板等辅助器具，在治疗师等配合下进行老人的平衡训练。但是，这类设备只能进行站立的平衡训练，无法在真正的步行过程中进行平衡训练，极大地限制了老人的平衡训练，也不符合真实的日常步行场景。

随着机器人技术的发展，是否可以利用移动机器人来辅助老年人的平衡功能训练呢？尤其是在步行过程中的平衡训练。

科学问题

其实，在机器人技术发展的早期，已经有不少的研究团队在平衡训练中加入了机器辅助设备，如下图所示。

该典型设备为结合跑步机的固定式平衡训练设备，通过在受试者腰部穿戴绳驱动的设备来对患者的步行过程施加额外的未知干扰，从而可以训练受试者的平衡功能

上述A和B图所示的辅助训练研究首次证明了基于干扰的平衡训练不仅有益于运动平衡功能恢复，对认知表现也有即时益处。这种紧密联系背后可能的机制是大脑皮层，因为它负责了更高层次的认知功能（如复杂的决策制定或目标设定）、短期记忆以及社会行为等。大脑皮层还通过让中枢神经系统对干扰做好准备，来控制补偿性反应。因此，认知表现与感知干扰以及个体迅速做出平衡反应的能力相关。

但是，A和B所示的系绳式骨盆辅助装置（Tethered Pelvic Assist Device，TPAD）只为使用者增加了极小的惯性和对下肢的限制，在使用者在跑步机上行走时，对其姿势的改变极小。如果不考虑运动学、动力学和肌电图参数的差异，跑步机步态与地面步态（在自然表面上行走，如人行道、地板或小径）存在较大的不同，因此，是否可以研究移动式的机器人，让受试者能够在真实地面上步行的同时进行干扰的平衡训练呢？

核心思路

如图所示，该论文的作者构建了一种移动式的系绳盆骨辅系统（mobile Tethered Pelvic Assist Device，mTPAD），它去掉了跑步机部分，替代为可以辅助移动的轮子，从而辅助受试者在真实地面步行的同时进行平衡干扰训练。

与带跑步机的平衡训练系统类似，该系统可以在步行过程中给受试者的盆骨施加随机的扰动，从而研究步行过程中的老年人的平衡恢复能力以及认知变化。因此，我们可以说，移动系绳式骨盆辅助装置（mTPAD）是 TPAD 的便携版本。

在该项实验中，40 名健康的老年人被随机分配到不进行 mTPAD PBT的对照组或进行 mTPAD PBT的实验组，共计进行了为期两天的平衡训练研究。

如上图所示，第一天主要进行基线人体测量学、生命体征以及功能和认知测量；第二天主要使用 mTPAD 进行训练以及干预后的认知和功能测量。

其中：

功能测量包括四阶段平衡测试、国际跌倒效能量表（FES-I）、伯格平衡量表（BBS）和简易体能状况量表（SPPB）。对于四阶段平衡测试，测量了以下参数：（1）双脚并拢，（2）半串联站立，（3）串联站立，（4）单脚站立。
认知测量包括蒙特利尔认知评估（MOCA）以及连线测试 A 部分和 B 部分（TMT-A、TMT-B）。此外，通过符号数字模式测试（SDMT）对参与者进行评估，测量了以下参数：SDMT-60 秒（SDMT-60）、SDMT-90 秒（SDMT-90）和 SDMT 完成时间（SDMT-C）。还获取了基线生命体征，包括收缩压、舒张压和心率。
mTPAD 实验方案包括 5 个试验：步态基线、测试前、训练、测试后和步态后。在所有 5 个试验中，参与者以自己喜欢的速度在 Zeno 步道上行走。Zeno 步道由 Protokinetics 公司开发，是一种耐用的压敏步道垫，配备了多个传感器，可用于分析行走过程中的步态和平衡能力。

除了这些参数外，还研究了在步行过程中受试者整体的压力中心（COP）循环图，用于分析受试者的在步行过程中的重心转移情况。

实验结果

实验部分主要探究了单次移动式系绳骨盆辅助装置（mTPAD）进行的基于干扰的平衡训练对 50 岁及以上健康成年人的即时影响，并得到了以下结论：

认知与功能表现提升：实验组（EG）在接受单次 mTPAD 的 PBT 训练后，认知表现显著提高，完成符号数字模式测试 - 计算机版（SDMT-C）和连线测试 B 部分（TMT-B）的速度更快；功能表现也显著增强，在四阶段平衡测试（单脚站立）中站立时间更长，在伯格平衡量表（BBS）中得分更高，且自我报告的跌倒担忧（FES-I）降低，行动信心更高；
步态特征变化：所有参与者在完成整个训练流程后，步行时步幅变长、速度加快，单腿支撑时的压力中心（COP）轨迹更向前，综合压力显著降低；步长、COP 的内外侧（ML）方向变化以及单腿支撑 COP 路径效率的变异性在训练后降低；实验组在训练后的侧向干扰测试中，COP 的 ML 变异性降低，显示出更好的 ML 稳定性，而对照组该变异性增加。
训练干扰效果：在训练过程中，实验组的单腿支撑 COP 路径效率更低、变异性更高，步长变异性更小，说明 mTPAD 的随机干扰能引入变异性并改变实验组个体的 COP 进展，体现了 mTPAD 作为地面干扰平台的有效性。
mTPAD 的局限性： mTPAD 的紧凑性将干扰限制在约 10% 的体重，更坚固的框架和强大的电机可能增加地面反作用力；一些认知和功能测量指标（如 SDMT-60、SDMT-90、TMT-A、简易体能状况量表（SPPB）等）在两组间无显著差异；研究结果可能存在偶然性，因为部分指标差异未超过最小可检测变化（MCD），且部分指标的 MCD 未被单独评估。