《Frontiers in Neurology》：Integrated bio-cooperative robotic platform for virtual cognitive training in Parkinson's disease: design and methodology of the OPERA project
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本文推荐了一篇关于OPERA项目的设计和方法学论文。该项目开发了PRoBio平台，这是一种创新的生物协同系统，旨在通过整合虚拟现实（VR）、机器人辅助和生理监测，为帕金森病轻度认知障碍（PD-MCI）患者提供个性化的认知康复训练。文章详细阐述了该平台从用户需求聚焦小组（Focus Group）到技术开发，再到健康受试者生活实验室（Living Lab）可用性评估，最终在PD-MCI患者中进行可用性研究的四阶段开发与验证流程，展示了其在推进个性化、适应性神经康复方面的潜力。
引言
帕金森病（PD）是一种进行性神经退行性疾病，除了特征性的运动症状，还常伴有非运动症状，其中轻度认知障碍（PD-MCI）尤为常见，可影响注意力、工作记忆、执行功能、语言、视空间技能和情景记忆等多个认知领域。PD-MCI具有高患病率（约40%），且显著影响患者的功能自主性和日常生活能力，其中高达60%的病例可能在发病后5年内进展为帕金森病痴呆（PDD）。尽管认知训练显示出保留认知能力的潜力，但标准化且具有吸引力的干预措施仍然缺乏。传统的认知康复方法在个性化、生态效度和长期依从性方面存在局限。虚拟现实（VR）技术因其能提供沉浸式、可定制的训练环境而受到关注，但其应用仍多属于开环系统，对用户的生理心理状态响应有限。同时，机器人技术和生理信号监测的进步推动了生物协同康复系统的发展，但这些系统大多集中于运动康复领域。OPERA项目旨在填补这一空白，开发并评估PRoBio平台，这是一个整合了VR、机器人辅助（TIAGo机器人）和实时生理监测（如心率HR、呼吸率RR、皮电反应GSR）的新型生物协同平台，旨在为PD-MCI患者提供闭环的、个性化的认知康复。
方法与分析
OPERA项目是一项为期13个月的非营利性多中心临床研究，采用四阶段结构化的方法学框架。
第一阶段：PRoBio开发前聚焦小组
在项目第二个月进行，旨在通过用户中心设计收集最终用户反馈，为平台设计提供信息。该阶段涉及23名参与者，包括10名帕金森病患者（PwPD）、5名护理人员和8名医疗保健专业人员。通过结构化会议介绍项目后，参与者完成了针对特定群体的问卷调查，以评估对平台目标、感知可用性、有用性及相关性的看法。数据分析采用描述性统计和卡方检验来评估三组参与者之间的感知差异。
第二阶段：PRoBio平台开发
在第二至七个月进行，核心是技术整合。PRoBio平台包含三个核心模块：
- 1.
TIAGo机器人（PAL Robotics）：作为主要交互单元，具备七自由度仿人机械臂、RGB-D摄像头（用于骨骼跟踪和面部表情分析以检测七类情绪）、移动底座及语音交互功能。其操作模式包括“操纵杆模式”（用户通过闭合夹具施加力来控制运动）和“监控模式”。
- 2.
VRRS Compact（Khymeia）：提供非沉浸式虚拟现实康复场景。
- 3.
PRoBio多模态架构：基于机器人操作系统（ROS）框架，整合来自TIAGo机器人RGB-D摄像头、Zephyr Bioharness（监测HR、RR）和Shimmer GSR+传感器（监测GSR）的数据，实时处理以估计姿势、唤醒度、效价和面部表情，并结合语音线索分析。平台采用自适应算法，基于生理和行为参数的连续监测来调制用户与系统之间的交互。每次会话前进行简短校准以建立受试者特定的生理基线。所有采集的数据均实时处理并通过专用图形界面显示，供临床医生监督。
平台还设计了两种平衡的认知训练方案（方案A和B），每种包含14项练习，均等针对注意力、执行功能、记忆和视空间技能等认知领域，并按ABAB模式每周交替进行，以保持患者兴趣。
第三阶段：PRoBio开发后生活实验室
在第六个月进行，包括两次单次会议的生活实验室。首次在临床环境中进行，涉及6名健康志愿者和8名康复专业人员，重点评估平台集成和临床工作流程。第二次在研究实验室进行，涉及7名健康志愿者，重点评估生物协同组件。此阶段旨在系统投入临床使用前，在真实场景中评估其技术可靠性、可用性和安全性。参与者在与PRoBio系统交互后（先后使用触摸屏和机器人操纵杆模式完成认知任务），立即完成一系列标准化问卷，涵盖一般可用性（系统可用性量表SUS）、用户体验（用户体验问卷短版UEQ-S）、工作量（NASA任务负荷指数量表NASA-TLX）、接受度与使用意图（技术接受模型TAM、意大利版技术接受与使用统一理论I-UTAUT）以及电子健康特定方面（电子健康可用性基准工具HUBBI）。数据分析主要为描述性统计和探索性组间比较。
第四阶段：可用性研究
在第八至十二个月进行，是一项多中心、非CE标志的医疗器械临床调查，主要目的是在10名PD-MCI患者（预计样本量，考虑20%脱落率）中评估经生活实验室反馈优化后的PRoBio平台的可用性。这些患者将接受为期4周、每周3次、每次45分钟的PRoBio认知训练（采用ABAB设计）。次要目标包括进一步探索数字健康背景下的可用性、用户体验、技术接受度、认知负荷、治疗可接受性和依从性、平台记录和分析心理生理参数及实时性能数据的能力。探索性目标是调查4周干预后潜在的认知变化。患者在基线（T0）和干预结束后（T1）接受全面的临床和神经心理学评估，包括MDS统一帕金森病评定量表（MDS-UPDRS）、帕金森病认知评定量表（PD-CRS）、Stroop色词测试、轨迹描绘测试（TMT）、帕金森病问卷（PDQ-39）、15项老年抑郁量表（GDS-15）和老年焦虑量表（GAI）。在T1时，患者还需完成可用性和可接受性问卷（包括新增的技术辅助康复患者感知问卷TARPP-q）。主要结局指标是SUS评分。统计分析将包括描述性统计，以及采用配对t检验或Wilcoxon符号秩检验比较T0和T1的临床和神经心理学指标变化。从平台获取的生理和生物力学数据将经过预处理、特征提取（如HR、RR、GSR的时域指标、面部表情分析等），并分段（基线、主动交互、恢复期）进行组内和组间比较，可能使用线性混合模型（LMMs）或重复测量方差分析（RMANOVA）。
讨论
OPERA项目的方法学框架强调以用户为中心的设计，通过迭代过程（聚焦小组→技术开发→生活实验室→临床可用性研究）确保PRoBio平台满足真实世界的康复需求。PRoBio的创新性在于将生物协同交互范式从运动康复扩展到认知和情感领域，通过实时适应患者的认知负荷和情绪状态，有望提高训练参与度和依从性——这对于常伴有淡漠和动机波动的PD-MCI患者至关重要。与当前主要侧重于运动训练的机器人辅助干预相比，PRoBio明确针对认知-执行机制，代表了概念上的转变。该项目与个性化康复的新兴范式相一致，其中治疗基于个体认知和心理生理特征动态调整。然而，研究也存在局限性，如生活实验室样本量较小且未涉及患者，可用性研究的样本量也限制了结果的普适性。患者因素如淡漠、疲劳等可能影响参与和依从性，未来研究需考虑这些因素。
结论
OPERA项目通过整合机器人技术、VR和生物传感器，为PD-MCI患者开发了一种有前景的、个性化的、适应性的认知康复解决方案。其以用户为中心的方法以及对可用性、可接受性和个性化数字反馈的关注，为开发针对此类人群的适应性、可扩展且基于证据的数字健康解决方案提供了宝贵见解。该平台的设计理念和验证流程也有望为其他神经系统疾病的认知-运动障碍康复方案开发提供参考。
