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近日，课题组与同济大学物理科学与工程学院张晓青教授课题组、航空航天与力学学院贺鹏飞/戴瑛教授课题组跨学科医工合作，并联合国内高新技术企业开发了一种非接触式坐姿运动状态追踪及生命体征探测技术，该技术采用的核心元件为一种基于新型人工微结构智能材料-压电驻极体薄膜的高灵敏度柔性压力传感器，该传感器可以灵活得嵌入椅垫或椅背处，实现坐姿状态下身体运动状态追踪以及生命体征的实时、无感监测和信息传输。该新型压电传感器可连接到商业“C-life”智能家居生态系统，为未来智慧健康医疗、智能家居的实现提供重要的技术储备。

研究背景：

不管是工作还是生活，久坐似乎成为人们的常态。久坐使身体长期处于静息状态，能量消耗降低，血液流动变缓，长此以往易导致各类身体疾病。因而，面对久坐的上班族亚健康人群，长期使用轮椅的患者或老年人，对其坐姿运动状态、生命体征进行实时监测，可早期发现身体异常情况，便于及时发出信号提醒医护人员及家属。

与此同时，以可穿戴智能织物、电子肌肤、人体域网和生物电子口罩等为形式的智能电子设备被广泛研究，实现了运动跟踪、手势识别、生理状态监测和人机交互等。然而，这些智能电子产品大多依赖物理接触实现人体信号的转化与信息的收集。这种接触互动可能会导致严重的问题，比如不可避免的机械磨损、佩戴负担以及用户之间的细菌或病毒交叉感染。因此，在远程在线检测和非接触控制系统中，非接触式人机交互是至关重要的，必须开发一种具有简单的设备架构、高灵敏度、自供电、无创使用、舒适体验的坐姿监测产品，用于疾病/身体异常的早期诊断。

研究概况：

（1）本研究采用交联聚丙烯（IXPP）压电驻极体薄膜（压电传感层）和平纹导电布胶带（电极层），设计制备柔性压电薄膜传感器，将其嵌入坐垫/座椅可实现人体坐姿运动状态追踪和生命体征信号的实时、无感监测。为了提高传感性能，结构设计采用折叠工艺，上下两个传感层电学并联，力学串联。该传感器在不改变传感面积的同时，可以将输出信号提升为单层的两倍，并具有更高的信噪比，这使得它们非常适合人体动态机械信号捕捉。

（2）传感器具有优异力学载荷压力敏感性，在较宽的压强范围内具有高线性灵敏度，并且具有快速的响应/恢复时间（40 ms）, 高压力分辨率，可满足大幅度或微弱的人体运动信号的实时准确监测。

（3）传感器呈现出长期循环载荷条件下的机电耐久性，可承受多种形式的机械变形，并且在不同机械变形条件下，传感器均能保持良好的传感性能，并且防水、耐高/低温，形状尺寸可个性化定制。

（4）固定于座椅椅背上的传感器，能够以实时、可视化、无创的方式，进行人体坐姿运动状态的追踪（例如扭动脖子、上下挥舞手臂、伸懒腰、移动双腿等）。

（5）受益于其高灵敏度以及突出的压力分辨率，嵌入商品坐垫以及置于椅背（前/后）的传感器可在非接触模式下探测人体坐姿状态下微弱的生命体征信号，包括呼吸和心率，无需穿戴额外的产品，通过分析生理信号波形可以获得人体健康状况的重要信息。                                          

（6）此外，研究者构建了一个针对久坐人群的健康管理平台，搭建出基于智能坐垫的生命体征实时监测系统，以非侵入模式获取人体坐姿状态下呼吸和心率实时信号波形，其中心率的监测范围为：30-200 BPM（准确度：±5 BPM ），呼吸率监测范围为：6-30 BPM（准确度：±3 BPM ）。

研究意义：

报道的基于压电驻极体的高灵敏度传感器具有突出的机电传感性能和优异的可靠性，适用于从正常到极端的广泛应用环境，以及非接触操作模式下的个人健康管理。该研究实现了以下几个关键特征：

1）同时实现了高灵敏度（92 pC/kPa）、快速响应和恢复时间（40 ms）、宽压力检测范围（0.6-62.4 kPa）、高压力分辨率（0.98%）、大面积可扩展性和在不同环境中的可靠传感能力；

2）提供了一种有效的免接触策略来开发下一代个人电子产品，低频人体运动和微弱生理信号检测是通过一体化配置中的高灵敏度压力传感器在非接触模式下实现的，在未来的移动医疗保健中显示出巨大的应用潜力；

3）进一步设计了一种基于智能坐垫的一体化生命体征监测系统，该系统可以很方便地监测久坐人群的健康状况，例如疾病的早期检测和警报。这项工作为远程医疗中的下一代智能电子产品的设计和开发提供了新的策略，有助于更高水平的生活安全和便利。

相关研究成果受到国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的资助，以题为“Highly sensitive, ultra-reliable flexible piezoelectret sensor for non-contact sitting motion tracking and physiological signal monitoring”发表在高水平期刊Nano Energy上。同济大学博士后马星晨为论文第一作者，物理科学与工程学院张晓青教授、医学院/附属养志康复医院牛文鑫教授、同济大学航空航天与力学学院戴瑛教授为论文共同通讯作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括本课题组齐燕医生和张珂同学，以及深圳数联天下智能科技有限公司牛洋洋和张启工程师，航力学院博士研究生相新昊等。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108424

该成果被国家自然科学基金委《科学·基金·通讯（委内版）》（第1203期），中国生物医学工程学会康复工程分会、同济大学科研管理部、上海市养志康复医院等官方微信公众号报道。

      脑卒中是全球第二大致死原因。大多数脑卒中患者遗留残疾，其中上肢运动功能障碍是最主要的问题。上肢运动障碍可导致生活依赖、社会孤立和生活质量下降。因此，促进脑卒中后上肢运动功能十分必要。


目前有许多促进上肢运动恢复的干预措施，其中上肢主动运动训练被广泛用于脑卒中后的上肢康复。然而，主动运动训练通常要求参与者具有一定程度的上肢运动功能，才能实现偏瘫上肢的运动。因此对于身体虚弱或身体状况不稳定的患者，被动运动是另一种更好的选择。

有实验假设提出，神经系统中现有神经元连接的重新激活、新连接的发展和轴突再生可能能促进主动和被动运动训练对运动功能恢复的有效性。有动物实验发现，上肢运动训练可以促进感觉运动皮层的神经可塑性，因此有助于改善动物模型的上肢运动功能。

此外，有针对健康受试者或脑卒中患者的研究表明，上肢运动训练期间的本体感觉流（proprioceptive inflow）激活了感觉运动皮质（SMC）、辅助运动区（SMA）、运动前皮质（PMC）和次级感觉皮质，并因此提高了受试者的运动表现。另外，也有论文报道称，在上肢运动中，与健康组相比慢性脑卒中患者中经常可观察到感觉运动区的异常脑活化，这通常表现为双侧半球的过度活化。

Lim和Eng（2019）认为，脑卒中人群在上肢运动任务中可能会经历低效的中枢皮质或外周神经和/或付出更多的努力，并因此导致感觉运动区的皮质更加活跃。然而，这种过度活化的现象是否会随着上肢运动功能的改善而恢复目前也还尚不清楚。

在主动运动训练期间，提供额外的外部反馈可能能进一步促进皮层激活。之前有一项使用功能性近红外光谱技术（fNIRS）的研究监测了脑卒中患者在进行三种下肢自行车运动形式时的大脑皮层的激活差异。他们发现在有视觉反馈的主动自行车运动中，PMC的激活程度高于无视觉反馈的主动自行车运动以及被动自行车运动中的激活程度。而后者两种形式的自行车运动中，PMC的激活程度是相似的。脑卒中患者在控制肢体运动的速度时，PMC被认为会参与到其中。

基于以上这些发现，说明当患者使用外部视觉反馈来调节肢体运动时，PMC的激活可能起到重要作用。目前不同形式的上肢运动（例如，有或没有运动表现相关视觉反馈的主动运动，以及被动运动）是否会导致脑卒中患者及其健康对照者的皮层激活情况发生不同变化尚不清楚。

因此，同济大学附属养志康复医院康复工程与生物力学研究团队使用了近红外脑功能成像技术，对脑卒中患者和健康对照者在不同上肢主动运动中（有外部运动表现相关视觉反馈和无外部运动表现相关视觉反馈）和上肢被动运动期间感觉运动区域的皮质激活情况进行了观察研究。

PART01 研究方法

      在该研究中共20名脑卒中患者（均为左侧肢体偏瘫）和20名健康受试者组成了研究样本。根据自我报告，所有参与者都是右利手。所有受试者均进行三种上肢训练动作刺激分别为有外部运动表现相关视觉反馈下的左上肢主动运动（LAV）、无外部运动表现相关视觉反馈下的左上肢主动运动（LAnV）和左上肢被动运动（LP）。在动作过程中，应用NirSmart近红外脑功能成像设备系统（中国丹阳慧创医疗设备有限公司）进行大脑皮层含氧血红蛋白的变化量的采集，这一指标可以反映大脑皮层激活的变化；


PART02 研究结果与讨论

2.1  SMC的皮层激活情况

     在ROI水平，在双侧半球的SMC,组对DHbO主效应（F = 0.70, P = 0.407; F= 0.11, P = 0.742）及任务对DHbO主效应（F = 1.52, P = 0.229; F= 0.57, P = 0.519）均不显著，交互效应也不显著（F = 0.22, P = 0.750; F= 1.18, P = 0.304）。同样在通道水平也未发现任何显著差异结果。

2.2  SMA的皮层激活情况

      在右半球的SMA（rSMA）上，ROI水平的分析中我们只发现任务对DHbO主效应具有统计学意义（F = 3.74, P = 0.042）。因为两组之间没有发现显著差异的DHbO，因此我们将所有受试者合并为一组，并在Bonferroni矫正的情况下进行各任务间两两比较的事后分析。事后任务间两两比较后发现，DHbO 在LP中显著低于LAV(均值差异 [95% CI]: -0.158 [-0.167, -0.033]; P = 0.009)和LAnV（均值差异[95% CI]: -0.146 [-0.282, -0.011]; P = 0.009）。但是，在这些皮层区域上LAV和LAnV时的DHbO之间不存在统计学差异。

2.3  PMC的皮层激活情况

     两因素重复方差分析结果提示，在右侧半球的PMC上（rPMC），任务对DHbO主效应具有统计学意义（F = 3.98, p = 0.023）。因此在rPMC的事后检验中我们发现相较于LP，LAV（均值差异[95% CI]: 0.199 [0.072, 0.326]; P = 0.001）和LAnV（均值差异[95% CI]: 0.162 [0.018, 0.307]; P = 0.023）均可引起DHbO的显著升高。而LAV与LAnV比较，它们之间没有统计学差异。


PART03 研究结论

无论是否有外部运动表现相关的视觉反馈）以及在被动上肢运动时的皮层激活水平，都与年龄相仿的健康对照组相似。同时，在对侧PMC和SMA区域，主动上肢运动似乎能比被动运动诱发更高的激活。需要进一步的研究，并包含不同上肢运动功能的脑卒中患者来确定外在视觉反馈对运动功能恢复和神经可塑性的累积效应，将对康复设备的开发和新疗法的探索有所贡献。

该论文被ESI数据库收录为高被引论文,并入选“2022年度中国康复医学领域高价值论文TOP100”（http://www.globalauthorid.com/WebPortal/NewsView?InfoID=5bc963fe-67e7-4a1e-bdcd-8d44259da97f）。第一作者为同济大学附属养志康复医院夏伟力，香港理工大学作业治疗学硕士，主管作业治疗师，目前香港理工大学博士在读。通讯作者为康复医学转化研究中心主任牛文鑫，成果发表于Brain Research杂志。此研究受到国家重点研发计划（2020YFC2004200）、上海市科技重大专项（2021SHZDZX0100）上海市松江区科技攻关项目（20SJKJGG240）及上海市同济大学附属养志康复医院科研培育项目（KYPY202004）支持。

非接触式智能传感技术因其在家庭医疗、生活方式监测和远程操作中的广泛应用，已成为一个极具前景的研究领域，可提供安全、方便的沉浸式用户体验。近日，同济大学物理科学与工程学院张晓青教授课题组、医学院/附属养志康复医院牛文鑫教授课题组、航空航天与力学学院贺鹏飞/戴瑛教授课题组跨学科医工合作，开发出一种柔性压电驻极体薄膜传感器，可用于固体、液体、气体多种传输媒介中的非接触式信号感知，在智能康复、远程医疗、人机界面（HMI）等众多领域展现出巨大的应用潜力，相关研究成果发表在《Nano Research》上。

步行是人体基本的运动功能，以此为基础而衍生出的系列身体活动，对机体健康促进、慢病预防和功能提升具有重要作用。其中，步行能量消耗（Energy expenditure, EE）是确保运动安全性和获得功能收益的关键参数。步行能量消耗监测对于健康评估和主动健康管理具有重要意义，尤其是对于老年和慢病人群。步行能量消耗可以采用呼吸测量法准确估计，但并不适用于在运动训练和康复干预环境中进行实时监测。尽管前人围绕步行能量消耗的预测做出了卓越的工作，但仍然缺乏具有广泛适用性和高精度的预测方法。由于运动人体具有高度复杂的时变性和非线性，影响能量消耗的因素复杂多样，不同人群之间的预测因子和函数关系并不相同，使得开发兼具广泛适用和高精度的算法模型具有挑战性。

 2024年2月2号，课题组在iScience上发表了题为“A contactless monitoring system for accurately predicting energy expenditure during treadmill walking based on an ensemble neural network”的研究论文，该研究开发了集成神经网络模型，并采用深度相机和毫米波雷达开发了一种非接触式的步行能量消耗监测系统，实现了对年轻人、老年人和脑卒中患者步行能量消耗的高精度预测。该系统可与其他智能康复系统或跑步机设备相结合，适用于评估、监测和跟踪康复干预环境中运动人体的步行能量消耗变化，为步行能量消耗的实时高精度监测提供了便捷工具。

一、集成神经网络模型

机器学习算法的选择对于步行能量消耗预测任务至关重要。由于步行能量消耗预测的最佳函数类型未知，预测因子和能量消耗之间关系复杂且非线性。适用于步行能量消耗预测任务的机器学习算法在一定程度上是未知的。该研究首先纳入当前流行的机器学习算法进行预测精度的初步比较，包括线性回归、高斯过程回归、支持向量机、人工神经网络、决策树和提升树等。结果发现，以神经网络的预测精度最高，决定系数为0.91。

基于923个样本建立的神经网络模型的预测精度依然不能令人满意，这可能与每组人群中输入特征，及其与能量消耗之间的函数关系不同有关。与传统神经网络模型相比，集成神经网络可以获得更高的预测精度，并且可以在多目标框架内解决种类多样性和预测准确性之间的权衡。因此，该研究进一步提出了集成神经网络（Ensemble Neural Network，ENN）模型，并采用留一法在测试集（脑卒中: r=0.9651; 老年人: r=0.9763; 年轻人: r=0.9607）和新数据（脑卒中: r= 0.9302; 老年人: r= 0.9521; 年轻人: r= 0.9506）上分别评估了模型的性能，预测值和测量值之间的高相关性和Bland–Altman低误差表明，该模型在预测脑卒中、老年人和年轻人步行能量消耗方面具有较高精度。此外，与先前研究相比，该模型将脑卒中患者和年轻人的估计误差分别降低了13.95%和66.20%。

二、非接触式智能监测系统

该研究进一步开发了一种无接触式的步行能量消耗监测系统。该监测系统包括Kinect深度相机、毫米波雷达、计算机和跑步机。搭载MediaPipe姿态估计算法的深度相机用于步行姿势跟踪，获取步行速度信息；毫米波雷达用于遥测监控心率；实时获取的速度和心率信息，与其他输入特征相结合，进入到ENN算法模型，进而实现了步行能量消耗的实时监测。研究者重新招募了年轻人、老年人和脑卒中患者受试者各1名，以评估该监测系统追踪步行EE的性能，结果显示，该研究提出的监测系统与金标准测量方法在预测步行EE方面具有强相关性（脑卒中：r=0.9061，MSE = 0.0298 kcal/min；老年人：r = 0.9205，MSE = 0.0132 kcal/min，年轻人：r = 0.9264，MSE = 0.004 kcal/min）。

综上所述，针对步行能量消耗难以实施监测的痛点，该研究提出了一种兼具高精度和广泛适用性的集成神经网络模型，基于简单的特征输入实现了年轻人、老年人和脑卒中患者步行能量消耗的高精度预测，并结合深度相机和毫米波雷达开发了一种无接触的步行能量消耗智能监测系统。这项研究也存在一些局限性，如，集成神经网络模型存在“黑盒”问题，缺乏可解释性。未来研究需要开发基于大样本和可解释性优化算法的预测模型，这可以进一步促进在运动和康复训练环境中智能监测步行能量消耗。

本文通讯作者是牛文鑫老师；第一作者是博士生黄尚军。中科院海西研究院戴厚德教授、上海市第七人民医院于小明主任、上海体育大学伍勰教授团队也参与了研究工作。研究工作受国家重点研发计划“主动健康和老龄化科技应对”重点专项和国家自然科学基金面上项目的资助。

本文发表后，被国家自然科学基金委《科学·基金·通讯（委内版）》（第1281期）和“岚翰生命科学”（https://mp.weixin.qq.com/s/kVrzPBnl5FPz-a3nbGTT3g）报道。

全文链接： https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.109093 

背景和目标
在有限元分析中，模拟垂直股骨颈骨折（vFNF）的传统方法是通过整个股骨的垂直单平面截骨（SPO）。然而，SPO在评估最佳内固定策略（IFS）和适当评估参数方面的准确性尚不清楚。因此，本研究旨在检验SPO在评估IFS中的准确性，并使用有限元分析确定适当的评估参数。
方法
基于8名vFNF患者的CT图像，开发了80个患者特异性有限元模型。利用受影响侧的结构特征建立自然裂缝模型，而在健康侧模拟SPO。将五种不同的IFS应用于自然骨折组和SPO组。对包括应力、位移和刚度在内的13个参数进行双向重复测量ANOVA，以确定IFS和裂缝形态对稳定性的影响。对各种IFS的不同参数进行Pearson相关分析，以确定独立的参数。基于这些独立的参数，使用熵评估法（EEM）评分对每位患者的IFS表现进行排名。
结果
13个参数中有8个受IFS的显著影响（p<0.05），2个受骨折形态的影响（p<0.01），没有一个受IFS与骨折形态之间的相互作用的影响。在自然骨折组中，包括螺钉应力和位移、骨切开率（BCR）和压缩效应在内的参数随着不同的IFS而独立变化。在SPO组中，躯干位移、BCR、切口风险和压缩效应参数独立变化。在自然骨折组中，阿尔法策略的BCR显著高于倒置策略（p=0.002），而SPO组则相反（p=0.016）。关于压迫效应，自然骨折组的两对IFS和SPO组的七对IFS表现出显著差异。五个IFS中没有一个达到每个患者的最佳EEM评分。
结论

单平面截骨模型在评估IFS方面可能有局限性，特别是当骨切割率和压缩效应是主要影响因素时。螺钉应力和位移、BCR和压缩效应的参数似乎与评估自然裂缝模型的IFS相关。这表明，个体化的自然骨折模型可以为确定治疗vFNFs的最佳IFS提供更全面的见解。

本研究于2024年发表于Computer Methods and Programs in Biomedicine（影响因子6.1），论文第一作者是课题组博士生占师。

目的 分析比较亚洲蹲和西方蹲动作中下肢关节运动学和肌肉激活程度的差异。方法以11名健康成年人为研究对象，采用三维运动捕捉系统、测力台和表面肌电同步采集两种下蹲动作的运动学、动力学和肌肉激活信息，并通过OpenSim计算下肢肌力。结果 在膝关节弯曲角度峰值时刻，亚洲蹲骨盆前倾，而西方蹲骨盆后倾；此外，与亚洲蹲相比，西方蹲具有显著较小的髋关节屈角、较大的膝关节屈角、较大的髋关节外展角和内旋角。在自重深蹲的下降期和上升期中，西方蹲的比目鱼肌力峰值均显著大于亚洲蹲，西方蹲的胫骨前肌力均显著小于亚洲蹲，峰值时刻未见统计学差异。结论 在亚洲蹲中，胫骨前肌激活和近侧端关节前屈可能有利于稳定；而在脚跟抬起的西方蹲中，比目鱼肌激活显著，但两者近端肌肉激活模式相同。研究结果为临床深蹲康复方案制定或深蹲训练方式的选择提供理论指导。

本研究收到国家大学生创新创业训练计划(G201814001)和国家科技重点研发计划(2020YFC2004200)项目的支持，发表在《医用生物力学》2021年第5期，并于2023年12月被评为2021年度优秀论文。

背景：多裂肌在腰椎生物力学中的作用尚不清楚。

目的：本研究旨在探讨多裂肌在腰椎建模中的作用，以及不对称多裂肌萎缩对腰椎生物力学的影响。

方法：本研究考虑了躯干肌肉骨骼模型中五种不同的多裂肌情况：第1组（有完整的多裂肌）、第2组（没有多裂肌）、第3组（多裂肌具有最大等轴力的一半）、第4组（L5/S1水平的不对称多裂肌萎缩）和第5组（L4/L5水平的非对称多裂体萎缩）。为了测试不同的多裂肌情况如何影响腰椎，模拟了四个躯干弯曲角度（0°、30°、60°和90°）。肌肉激活和肌肉力量的计算是使用OpenSim中的静态优化函数进行的。然后，计算L5/S1和L4/L5水平的关节反作用力，并在各组之间进行比较。结果：在躯干屈曲任务中，没有多裂肌的模型在L4/L5水平上具有最高的归一化压缩力。在第2组模型产生的极端情况下，L4/L5水平上的归一化压缩力分别为上半身重量的444%（30°屈曲）、568%（60°屈曲）和576%（90°屈曲），分别是第1组相应模型计算值的1.82倍、1.63倍和1.13倍。在90°屈曲时，第2组的模拟成功率为49.6%，其次是第3组（84.4%）、第4组（89.6%）、第5组（92.8%）和第1组（92.8%）。

结论：研究结果表明，在肌肉骨骼模型中加入多裂肌对于提高模拟成功率和降低腰椎压缩负荷过高估计的发生率非常重要。在躯干屈曲姿势下，不对称多裂肌萎缩对下腰椎的影响可以忽略不计。研究结果强调了多裂肌在平衡下背部负荷方面的微调能力，以及将多裂肌纳入躯干肌肉骨骼建模的必要性。

本文第一作者王宽老师，通讯作者牛文鑫老师，发表在期刊Bioengineering上，2023年11月被ESI数据库收录为高被引论文。

《中国脊髓损伤者生存质量白皮书（2021版）》显示，我国的脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）人数已超370万人，是中青年致残的主要原因，临床治疗不能完全修复损伤，需终生康复。由于损伤后存在运动控制、感觉障碍，轮椅成了这类人群参与社会交往和锻炼的重要工具。

轮椅太极拳(Wheel chair Tai Chi, WCTC)已被证实对于脊髓损伤患者的脑和运动系统都有康复作用。然而，对轮椅太极拳练习过程中的脑肌协同特征，我们知之甚少。因此，同济大学附属养志康复医院转化研究中心团队探究了脊髓损伤后的脑肌协同变化，并进一步比较了患者在轮椅太极拳与有氧健身操时的协同特征，以期优化脊髓损伤后的康复。

1. 研究方法

基于目前国内外对轮椅太极拳和脑肌协同的研究现状，本研究采用表面肌电与功能近红外光谱成像实时采集双侧上肢和脑区血氧信号。分析了肌肉激活、脑区激活和功能连接情况，脑肌协同计算采用了相位同步以及相干性分析。探究脊髓损伤患者和健康受试者在轮椅太极拳过程中的肌肉激活、脑区激活和脑肌协同的差异，并进一步比较患者在轮椅太极拳和有氧健身操运动时的肌肉与脑区活动情况，以及肌肉与对侧脑区之间的协同关系。

2. 研究结果与讨论

从皮层活动结果来看，脊髓损伤患者的双侧前额叶、双侧前运动皮层、双侧初级运动皮层和右侧辅助运动区激活显著大于健康对照，反映了患者需要募集更多的脑部资源来参与任务。与健康对照相比，患者脑区之间的功能连接整体发生了下降，而患者的辅助运动区与周围局部脑区间功能连接增强。

肌肉激活结果显示，脊髓损伤组双侧肌肉的激活程度均大于健康对照组，患者的双侧肱二头肌激活显著大于健康对照。尽管患者需要募集更多的脑部资源，但更大的肌肉激活可能是由皮层下结构支持的，如：网状脊髓束和红核脊髓束，特别是上肢近端肌肉，也就是结果中所显示的肱二头肌。

在脑肌协同结果方面，组间相位同步、相干性分析结果患者与健康人整体差异不大。组内比较时，轮椅太极拳运动过程中多对上肢肌肉与对侧脑区之间的相位同步指数、相干函数值显著大于有氧健身操。在人体做出自主动作时，运动相关脑区和肌肉周围神经会自发地发生同步化。相位同步和相干性的增加代表了皮层和肌肉活动相关网络的同步振荡增加，也就是两系统间的协同增加，结合脑肌协同的结果可以看出患者进行轮椅太极拳时外周肌肉与皮层活动的协同性优于有氧健身操。

（1）完成相同的运动任务时，脊髓损伤患者相比健康人多个脑区激活程度更高。患者局部增强的功能连接可能向脊髓提供额外的信号来达到更好的运动控制。

（2）脊髓损伤后破坏了感觉运动通路，而患者可能通过提高肌肉的激活，来弥补脑肌协同的不足。

（3）轮椅太极拳相比有氧健身操，更适于提升外周肌肉与大脑皮层的协同作用。

本研究的发现可以全面了解脊髓损伤后的恢复与脑肌协同之间的关系，同时通过揭示轮椅太极拳的脑肌协同特征，为传统健身运动提供科学依据，也为推荐轮椅太极拳作为脊髓损伤患者的康复手段提供了理论支持。

相关研究成果受到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和上海市科技重大专项的资助，发表在Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation上。同济大学医学院硕士生祖阳旻为论文第一作者，医学院/附属养志康复医院牛文鑫教授为论文通讯作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括医院“希望之家”解海霞老师和脊髓损伤康复科齐燕医生， 以及课题组罗丽娜同学和陈新鹏老师。台湾慈济大学和花莲慈济医院是国家重点研发计划项目的合作单位。

原文链接：

https://jneuroengrehab.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12984-023-01203-x

肌骨疾病在消防员中普遍存在，如应力性骨折、急性应变、扭伤或脱臼，每年有高达70%的受伤率。消防员的肌骨疾病通常是由剧烈工作和重型个人防护装备引起的过度肌肉紧张和关节用力导致的，这可能会对肌肉骨骼系统造成机械负荷。在训练和消防任务中，消防员必须携带一个自给式呼吸器，其重量约为其体重的8-12%。自给式呼吸器的额外负担通常会导致质心偏移。因此，下肢运动范围发生改变，代谢成本和脊椎肌肉活动增加。这些被确定为跌倒相关损伤、腰痛、下肢损伤和背包麻痹的损伤风险因素。需要充分的肌骨生物力学数据来设计符合人体工程学的消防员干预措施。本研究旨在量化消防员在携带自给式呼吸器期间的肌肉骨骼负荷，并评估肩带长度变化对预防自给式呼吸器相关损伤的有效性。

在研究中，12名消防员（身高174.6 ± 2.4 cm，质量：67 ± 3.5 kg，BMI = 22 ± 1. kg/m2）在没有配备自给式呼吸器和三种不同的捆绑自给式呼吸器条件下参与步行和跑步方案。同步测量关节活动范围和表面肌电（sEMG）。随后，输入关节运动学用于受试者特定的肌肉骨骼建模，以估计肌肉力和关节反作用力，同时使用sEMG来验证模型。主要效应采用重复测量方差分析（p < 0.05）。进行独立样本t检验以确定步行和跑步之间的差异。结果发现，装备自给式呼吸器步行可使股直肌力量和髋关节反作用力增加34.92% 和34.71%，增长率为54.2%和51.19%。装备自给式呼吸器跑步显著增加了63.04%，而在步行过程中仅增加18.49%。调整自给式呼吸器肩带长度可显著改变步行和跑步过程中的腹直肌力和L4/L5反作用力。

研究认为：股直肌活动、髋关节和膝关节活动对自给式呼吸器的携带敏感。肩带长度的变化可能会影响腰痛的风险。鼓励消防部门在消防员的髋关节和膝盖部位进行有针对性的体能训练。在这项研究中，不建议消防员在宽松的条件下调整肩带。

原文参考：https://doi.org/10.1016/j.jsr.2023.08.004

2022-2023年，课题组牛文鑫老师与西北工业大学李乐教授、中山大学王楚怀教授、美国艾伦大学Howei Liu教授、美国休斯顿得克萨斯大学Sheng Li教授组稿前沿专刊，研究主题为“老年人康复的神经反应：从微观、介观到宏观的证据”。

该专刊中的19篇文章涵盖了老年人神经系统疾病患者在运动锻炼和康复干预后的各种神经反应。其中，3篇原创研究文章探讨了非侵入性脑刺激，如重复经颅磁刺激（rTMS）和连续和间歇性θ突发刺激（iTBS），对脑卒中后和帕金森病（PD）功能的影响。一篇综述文章研究了rTMS对阿尔茨海默病的影响，另一篇综述了非侵入性脑刺激（NIBS）治疗骨关节炎（OA）的影响。此外，其他4篇文章强调了太极拳等运动疗法对老年人轻度认知功能障碍的影响，神经退行性疾病的舞蹈运动疗法（DMT），慢性腰痛中老年患者保持社交距离的运动干预，以及手功能的机器人辅助康复治疗。此外，9篇文章涵盖了与老年人应用基础研究相关的各种主题，包括4篇关于亚急性中风的功能性近红外光谱（fNIRS）、对EEG视觉刺激反应的年龄相关性差异、运动图像（MI）与年龄相关性疲劳之间的关系，以及脑电冷刺激引起的脑卒中后感觉缺陷，以及5篇专注于外周神经肌肉系统的文章，如中老年人的双任务步态分析、膈肌在PD中的姿势稳定性和内脏功能中的作用、患有周围神经病变的老年人的腓肠肌外侧H反射，肌少症与身体成分和步态分析关系。最后但并非最不重要的是，一篇基础研究文章通过外泌体mRNA和lncRNA表达谱涵盖了线粒体功能与帕金森病康复之间的关系。

运动干预

太极拳是一种针对老年人的轻度到中等强度的身心锻炼。在一篇综述中，上海体育大学和海军医科大学研究人员表明，太极拳可以改善老年人的认知功能，并通过潜在地激活不同大脑区域的信号表达，改变其神经连接，增加大脑体积，调节脑源性神经营养因子和炎症因子，缓解轻度认知障碍的伴随症状。然而，还需要更多的研究来确定训练的频率和持续时间，以优化太极拳对轻度认知障碍的有益效果。

DMT是将运动作为一种促进个体情感、社会、认知和身体融合的过程进行心理治疗。在一项系统综述中，上海体育大学王雪强课题组讨论了DMT对神经退行性疾病患者运动功能、认知缺陷、情绪和生活质量的影响。这篇综述表明DMT可以有效改善神经退行性疾病的运动功能和认知缺陷。未来关于DMT对阿尔茨海默病影响的研究需要科学的设计、大样本量、长期的综合干预和明确的报告标准。同一团队还调查了运动对中老年慢性腰痛患者保持社交距离的影响。作者得出结论，8周的运动干预不仅可以缩短中老年慢性腰痛患者的社交距离，改善社交距离调节的异常行为，还可以缓解疼痛、残疾和负面情绪。可能需要更多的研究来探索运动干预的长期效果，还需要进一步的工作来确定这一新发现是否同样适用于其他类型的运动。

西安交通大学王珏课题组实现了一种基于MI和稳态视觉诱发电位（SSVEP）的混合脑机接口（BCI）范式。在这项研究中，收集了12名健康参与者的脑电图数据，并通过功率谱密度识别了MI-SSVEP范式的激活区域。本研究通过将机器人辅助治疗与MI-SSVEP干预范式相结合，验证了MI-SSVEP干预范式对61名中风患者的临床效果，证明了这些患者的功能显著改善。

无创脑刺激

在各种神经系统疾病中，NIBS得到了积极的探索。据信，NIBS以一种非侵入性的方式诱导底层大脑皮层的兴奋性变化和神经可塑性的持久变化。来自苏州的研究团队进行了一项rTMS联合呼吸肌训练用于缺血性卒中后肺部康复的随机病例对照研究。作者发现，与单独的呼吸肌训练相比，联合干预显示出更强的肺功能检测指标增加，并且联合干预可以改善急性缺血性卒中后的肺功能。iTBS作为一种特殊的rTMS，王琳等证明其在小脑朱部进行时可以恢复中风患者的功能平衡。

中山大学等研究团队设计并提出了小脑连续θ突发刺激（cTBS）用于失语症康复的研究方案，这可能进一步帮助研究人员研究cTBS治疗右小脑在增强慢性卒中后失语症语言恢复方面的疗效。为了分析rTMS对阿尔茨海默病患者整体认知功能的影响，南京医科大学研究团队进行了系统综述和荟萃分析。作者发现rTMS是一种安全、潜在有效的治疗方法，可以对AD的认知障碍产生持久的影响。朱等人的另一篇综述总结了不同NIBS技术（包括TMS、电刺激、超声刺激和随机噪声刺激）对OA的治疗效果和机制，阐明了NIBS作为OA治疗选择的潜力，为进一步研究提供了前景和建议。

衰老或相关疾病的信号处理：从中枢神经系统到外周神经肌肉系统

西南交通大学与四川大学华西医院研究人员通过比较年轻和老年参与者，研究了MI期间的脑电图特征，并研究了卷积神经网络（CNN）在额叶和顶叶区域疲劳分析方面对老年人群的分类。作者证明，与作为对照的年轻受试者相比，老年人在MI期间较少受到认知疲劳水平的影响。通过考虑ERD和疲劳，深度学习方法也为MI-BCI在老年人中的应用提供了一个潜在可行的选择。重庆大学与四川大学研究人员还分析了年轻组和老年组在视觉脑机接口中视觉诱发电位（VEP）/运动起始VEP（mVEP）和SSVEP/SSMVEP的瞬态EEG反应的年龄差异。他们的研究结果表明，在老年组中，运动发作引发的P1振幅明显更高，如果使用基于mVEP的脑机接口，这可能是老年人的潜在优势。脑电图也可用于研究中风后基础躯体感觉的减少。胡晓翎团队设计了一种新的配置，用于通过非疼痛的冷刺激测量中风后的基本热感觉，并研究了中风后的皮层反应，并与未受伤的人进行了比较。结果显示，脑卒中后皮层在刺激和感觉缺乏期间的反应的特征是具有代表性的EEG相对频谱功率带分布广泛，在不同温度下分辨率降低，以及广泛激活的感觉皮层区域。除了脑电图，fNIRS也被证明是研究中风后脑网络重组的有用工具。西安交通大学研究团队应用fNIRS分析了亚急性脑卒中任务状态运动网络特性的半球优势差异，结果表明，左半球脑卒中（LHS）组和右半球脑卒中组大尺度皮层网络指标的变化相似，而中尺度指标的变化不同。作者揭示了RHS的脑网络特征受到功能障碍严重程度的影响。

同时，外周神经肌肉系统的定量评价也引起了研究者的兴趣。广州医科大学研究团队将双任务三维步态分析应用于轻度认知障碍和年龄匹配的对照组，并进行主成分分析，从时空参数中选择关键生物力学指标。他们的研究结果表明，两组在步行计算任务中的双任务成本节奏存在显著差异，这可能证明了在临床早期识别轻度认知障碍方面的潜在应用价值。年龄引起的少肌症可能会对行走稳定性产生负面影响，并增加跌倒的风险，这是老年人意外死亡的主要原因。范毅方课题组分析并对比了少肌症患者的身体组成和步态特征与健康对照的关系。在这项研究中，患有少肌症的老年人和正常老年参与者在某些步态参数上存在显著差异，这些参数与绝对肌肉力量有关，这表明少肌症是一种主要由肌肉质量下降引起的疾病。

在一篇观点文章中，周平课题组回顾了运动单位数估计（MUNE）方法的发展，并讨论了无模拟MUNE的可行性和挑战，这对研究与神经肌肉控制的基本组织和功能要素相关的运动单位很重要。霍夫曼反射（H反射）评估老年人的周围神经病变（PN）适应，宋祺鹏等试图在PN人群中寻找站立和行走时腓肠三头肌中可靠的肌肉。他们的结果表明，外侧腓肠肌比比目鱼肌和内侧腓肠肌更可靠。

在帕金森病患者中，首都医科大学研究团队发现，性别、Hoehn和Yahr分期在静息呼吸时膈肌厚度和用力方面起着重要作用。膈肌的功能与患者的姿势稳定性、发声能力以及呼吸、胃肠和泌尿系统功能显著相关。在同一实验室，一项针对两个小组（干预组与对照组）的随机对照试验研究比较了两周康复干预后外泌体mRNA和lncRNA表达谱的变化。研究表明，与对照组相比，或在PD患者体内的前后比较中，外泌体mRNA可显著上调，而lncRNA可在2周康复后显著下调；然而，没有评估横膈膜对康复的反应。信使核糖核酸与线粒体呼吸有关，lncRNA与疾病的发病机制有关。这可能为康复对帕金森病患者有益提供微观层面的证据。

链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnagi.2023.1208578/full

https://www.frontiersin.org/research-topics/25657/neural-responses-for-rehabilitation-of-the-elderly-evidence-from-the-micro-meso-to-macro-scale#articles

目的：比较基于运动的镜像疗法（MMT）和任务型镜像疗法（TMT）改善脑卒中患者上肢功能的效果。
方法：共34例亚急性脑卒中患者，上肢运动功能轻度至中度受损。参与者被随机分配到三组中的一组：MMT、TMT和常规治疗（CT）。MMT组接受基于运动的镜像治疗，持续约30分钟/天，5天/周，持续4周，而TMT组接受剂量匹配的TMT。CT组仅接受常规康复治疗。MMT和TMT组除接受镜像治疗外，还接受了CT检查。在基线和干预后立即进行盲法评估。上肢运动功能，使用Fugl-Meyer评估上肢（FMA-UE）、Wolf运动功能测试（WMFT）和握力进行测量；上肢痉挛，使用改良的Ashworth量表（MAS）测量；以及使用改良Barthel指数（MBI）测量的日常生活活动。
结果：在FMA-UE中观察到显著的逐组时间交互效应。对变化评分的事后分析表明，MMT在改善FMA-UE方面比其他两种疗法产生了更好的效果，处于边际显著水平（P=0.050和0.022）。WMFT、握力、MAS和MBI没有显著的交互作用。
结论：MMT和TMT均能有效改善轻中度脑卒中偏瘫患者的上肢功能。然而，MMT在改善偏瘫上肢损伤方面似乎优于TMT。这项试点试验有望启发对更大中风队列的进一步研究。

临床试验注册号：ChiCTR1800019043(http://www.chictr.org.cn/index.aspx)

本研究发表于Frontiers in Neurology，第一作者为同济大学附属养志康复医院作业治疗科白钟飞博士，通讯作者牛文鑫老师。

原文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fneur.2019.00288/full

本研究获得2023年度中国康复医学会科学技术奖三等奖。

作为一种强大的细胞治疗方法，CAR-T疗法最初设计用于治疗获得性免疫缺陷综合征（AIDS），但在治疗恶性血液病和多发性实体瘤方面取得了惊人的成功。大量证据表明，CAR-T疗法在治疗癌症以外的许多其他人类疾病方面的医学应用已经得到扩展。课题组博士后刘卓群在张超教授的指导下，讨论了CAR-T的原理，列举了目前CAR-T在肿瘤学中的应用及局限性。最后，我们对CAR-T治疗多种非肿瘤性疾病的研究进展和未来的发展方向进行了展望。

本文发表在Protein & Cell （pwad061, IF: 17.6)， 参见： https://doi.org/10.1093/procel/pwad061