體感游戲與功能電刺激相結(jié)合的中風(fēng)手部康復(fù)

涂浚波 胡曉翎 鄭筱祥

1(浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，杭州 310027)2(香港理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程跨領(lǐng)域?qū)W系，香港 999077)3(浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)院，杭州 310000)

體感游戲與功能電刺激相結(jié)合的中風(fēng)手部康復(fù)

涂浚波1,3胡曉翎2鄭筱祥1#*

1(浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，杭州 310027)2(香港理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程跨領(lǐng)域?qū)W系，香港 999077)3(浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)院，杭州 310000)

介紹一種結(jié)合認(rèn)知游戲與功能電刺激的中風(fēng)手部康復(fù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將電刺激輔助下的手指抓握訓(xùn)練融入由Kinect傳感器為媒介的認(rèn)知游戲中,以鼓勵中風(fēng)患者堅(jiān)持重復(fù)性的康復(fù)訓(xùn)練。4名慢性中風(fēng)患者分別在電刺激輔助下和沒有電刺激輔助下，做手指抓握訓(xùn)練15 min；在訓(xùn)練過程中，患者通過頭部擺動及癱瘓側(cè)手掌的抓握與張開來操控游戲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電刺激輔助下，患者在游戲中完成的手掌抓握次數(shù)以及5指的伸張角度都高于無電刺激時(shí)的水平。訓(xùn)練結(jié)束后，4位被試都對本訓(xùn)練方式表示出濃厚興趣。

中風(fēng)；電刺激；Kinect；上肢；積極性

引言

中風(fēng)病人的肢體運(yùn)動功能重建離不開高強(qiáng)度的重復(fù)性肢體訓(xùn)練[1-3]。現(xiàn)有的上肢功能康復(fù)研究表明，多數(shù)中風(fēng)病人經(jīng)過康復(fù)訓(xùn)練后，肩、肘關(guān)節(jié)的功能恢復(fù)程度好過腕關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié)的恢復(fù)程度[4-5]。造成這種差別除了與患者及康復(fù)治療師更注重大關(guān)節(jié)功能的訓(xùn)練有關(guān)外，還與肩、肘關(guān)節(jié)比指關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)更易協(xié)調(diào)控制有關(guān)。然而，手指功能的恢復(fù)程度與中風(fēng)患者的生活自理能力息息相關(guān)，如自我清潔和飲食自理。因此，手指功能的恢復(fù)不但是中風(fēng)康復(fù)的一個難點(diǎn)，還是提高中風(fēng)病人生活質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。有鑒于此，筆者將研究的重點(diǎn)放在中風(fēng)病人的手指功能康復(fù)上。

中風(fēng)康復(fù)需要治療師與患者長期地投入訓(xùn)練中。然而，由于缺乏足夠的康復(fù)治療師，再加上中風(fēng)患者行動不便等，耗時(shí)長久的中風(fēng)康復(fù)方案往往難以完全落實(shí)，康復(fù)療效也難以顯現(xiàn)。此外，單調(diào)枯燥的傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練項(xiàng)目也會消磨患者堅(jiān)持訓(xùn)練的積極性，從而使康復(fù)方案更難以完全落實(shí)。研究表明，有自主運(yùn)動參與的訓(xùn)練效果會優(yōu)于無自主運(yùn)動(即被動訓(xùn)練)參與的訓(xùn)練方式[1]。如果訓(xùn)練項(xiàng)目能夠激發(fā)患者主動參與訓(xùn)練的熱情[6-7]，同時(shí)在訓(xùn)練中鍛煉其認(rèn)知能力，那么這種訓(xùn)練項(xiàng)目會有助于提高肢體訓(xùn)練的康復(fù)效果。由于中風(fēng)患者不便長期參與醫(yī)院的康復(fù)訓(xùn)練，因而家庭康復(fù)理療設(shè)備更適宜出門困難的中風(fēng)患者。功能性電刺激是一種有效和易于操作的神經(jīng)肌肉理療輔助手段，它通過電流刺激癱瘓肌肉產(chǎn)生肌肉收縮，以此來實(shí)現(xiàn)鍛煉肌肉力量，防止肌肉蔞縮，增加神經(jīng)感知的作用[8]。目前，常見的電刺激康復(fù)設(shè)備為開環(huán)式的電刺激儀(如TENS)，盡管其有助于中風(fēng)病人的肢體康復(fù)，但大部分在使用時(shí)無需患者主動意識地參與，患者肢體的運(yùn)動完全由電刺激誘發(fā)，故而使用這類儀器的康復(fù)效果相對于需要患者主動意識地參與的電刺激儀器而言更為局限。此外，這類儀器的訓(xùn)練模式單調(diào)，患者在缺乏醫(yī)護(hù)人員督促和指導(dǎo)的家庭環(huán)境中難以長期堅(jiān)持訓(xùn)練。為了提高康復(fù)訓(xùn)練效果，促使患者在家庭環(huán)境中長期堅(jiān)持康復(fù)訓(xùn)練，下面介紹了一種需要中風(fēng)患者自主運(yùn)動意識及認(rèn)知功能參與，并與虛擬現(xiàn)實(shí)游戲相結(jié)合的電刺激康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。

1 康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)介紹

手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)用于手指的抓握與伸張訓(xùn)練。大部分中風(fēng)患者手臂殘障的主要表現(xiàn)為指屈肌攣縮，手指關(guān)節(jié)僵硬，以及指伸肌萎縮等[9-11]。因此，大部分中風(fēng)患者雖然可以完成一部分的抓握動作，但是無法完成張手動作。針對這一特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一套幫助中風(fēng)患者訓(xùn)練張手動作的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，見圖1(a)?；颊咴谟?xùn)練中參與融合計(jì)算、估計(jì)、決策和快速應(yīng)變等過程的認(rèn)知游戲，該游戲類似于“俄羅斯方塊”，其操控通過鼠標(biāo)的移動和點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)?？祻?fù)訓(xùn)練系統(tǒng)將患者的張手動作映射成鼠標(biāo)單擊，頭部擺動動作被映射成鼠標(biāo)的平移運(yùn)動。該游戲把單調(diào)枯燥的張手動作轉(zhuǎn)變成游戲控制，有助于患者將注意力轉(zhuǎn)移到游戲的趣味性和挑戰(zhàn)性上來，進(jìn)而忽視訓(xùn)練動作本身的乏味性。

系統(tǒng)由電刺激手套、體感傳感器、認(rèn)知游戲界面組成。電刺激手套由觸發(fā)式電刺激發(fā)生器及手指關(guān)節(jié)角度傳感器組成(見圖1(b))。手套背部每個近端指間關(guān)節(jié)處安置角度傳感器(flex sensor，spectrasymbol)?？祻?fù)訓(xùn)練系統(tǒng)通過測量五指近端指間關(guān)節(jié)的平均角度變化來觸發(fā)電刺激，從而協(xié)助中風(fēng)患者完成手指伸張的動作。由于不同殘障程度的患者近端指間關(guān)節(jié)的活動范圍不同，中風(fēng)患者在訓(xùn)練后各手指關(guān)節(jié)的活動度也可能會增加。為增加訓(xùn)練系統(tǒng)的適用人群，電刺激的觸發(fā)閾值可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)置觸發(fā)閾值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：該閾值下測試者可以在10 s內(nèi)成功觸發(fā)至少1次、但不多于3次的電刺激。電刺激發(fā)生器可產(chǎn)生頻率40 Hz，幅值150 V、脈寬0～80 μs可變的脈沖。圖2(a)是脈沖寬度為80 μs的脈沖實(shí)測波形。實(shí)時(shí)的關(guān)節(jié)角度信號由手套采樣(采樣頻率1 000 Hz)，并通過藍(lán)牙傳遞到計(jì)算機(jī)，用于實(shí)時(shí)處理或保存。圖2(b)是一名中風(fēng)患者在無電刺激輔助下執(zhí)行一次抓握并張手動作時(shí)測得的五指近端指間關(guān)節(jié)角度的變化信號。

圖1 電刺激輔助手部訓(xùn)練系統(tǒng)。(a)系統(tǒng)組成； (b)電刺激手套Fig.1 FES-assisted hand training system.(a) System consist;(b) FES glove

圖2 刺激波形及系統(tǒng)記錄到的手指彎曲情況。(a)脈沖寬度為80μs的刺激波形；(b)單次抓握與張手過程中五指近端指間關(guān)節(jié)角度的變化Fig.2 The stimulation pulse and fingers flex recorded by the system.(a) The stimulation with the pulse width of 80 μs; (b) The proximal interphalangeal (PIP) joint angles of the five fingers during a cycle of grasp and hand open

訓(xùn)練系統(tǒng)采用Kinect(Microsoft)作為體感傳感器，用于檢測患者頭部前后左右的擺動動作。圖3顯示了Kinect傳感器的肢體位置向量追蹤效果。

圖4為認(rèn)知游戲的界面，該游戲的任務(wù)為消除方塊、獲得積分，并且不讓方塊填滿5×5的棋盤格。在游戲過程中，患者利用頭部的擺動、手掌的抓握與張開來控制方塊?；颊叱枥糜?xùn)練動作完成方塊移動外，還需考慮方塊的擺放位置，爭取在游戲規(guī)則范圍內(nèi)獲得更多積分。

2 刺激強(qiáng)度與手指伸張角度

4位認(rèn)知正常且至少有兩個手指具有10°背伸能力的慢性中風(fēng)患者參與了實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)經(jīng)香港理工大學(xué)人體實(shí)驗(yàn)道德委員會批準(zhǔn)，參與實(shí)驗(yàn)的患者簽署了知情同意書，表1為參與實(shí)驗(yàn)的患者資料。

表1 被試者信息Tab.1 The demographic data of the recruited subjects

實(shí)驗(yàn)人員對患者在不同強(qiáng)度刺激下的手指張開情況進(jìn)行了定量評估，評估方法如下：

1)患者端坐在實(shí)驗(yàn)桌前，前臂與桌沿成90°角，調(diào)整座椅或桌子高度以及椅子離桌子的距離，保證被試者處在舒服的位置；

2)患者肘關(guān)節(jié)打開100°；

3)患者掌心朝桌面，握住橫放在桌面上方的鐵管(直徑2.5cm)；

4)患者手腕處放置腕托，調(diào)整腕托高度，使其抓住鐵管時(shí)腕關(guān)節(jié)處于平直狀態(tài)；

圖3 由Kinect傳感器獲取的肢體位置向量數(shù)據(jù)Fig.3 Limb vectors captured by Kinect sensor

圖4 認(rèn)知游戲界面Fig.4 User interface of the cognitive game

5)患者患側(cè)前臂的指伸肌上粘貼一對表面刺激電極(直徑3.5cm)。每次測試前，被試者的手指初始位置保持在輕握鐵管的狀態(tài)。

在進(jìn)行定量評估時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生兩次相同脈沖寬度的刺激(每次刺激持續(xù)時(shí)間為10～15 s，兩次刺激間隔為30 s)，手套記錄五指伸張角度的變化情況。在測試中，刺激脈寬以5 μs為步長從5 μs增強(qiáng)至50 μs。由于長時(shí)間電刺激會引起肌肉疲勞，為降低這種疲勞對測量結(jié)果的影響，筆者對不同刺激脈寬的刺激響應(yīng)的測定次序進(jìn)行了隨機(jī)處理。下面對不同刺激強(qiáng)度下，各手指近端指間關(guān)節(jié)的最大平均伸張角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較。

在不同的電刺激強(qiáng)度下，食指近端指間關(guān)節(jié)角度的變化過程見圖5。當(dāng)刺激脈寬增加時(shí)，食指的伸張角度也會變大；相比于低刺激強(qiáng)度(10和20 μs)，當(dāng)刺激強(qiáng)度增加時(shí)(40和50 μs)，食指近端指間關(guān)節(jié)角度的變化程度和速度都有所增加。圖5表明，在電刺激作用下，手指伸張角度可在5 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定；停止施加刺激后，手指的伸張效果不能保持。

圖5 不同刺激強(qiáng)度下食指近端指間關(guān)節(jié)角度的變化過程Fig.5 The PIP joint angles of the index finger given stimuli with different stimulation pulse width

在不同的刺激脈寬下，4個中風(fēng)患者測得的手指最大伸張角度的均值變化見圖6，可見刺激脈寬對最大手指伸張角度能產(chǎn)生較大影響。當(dāng)刺激脈寬大于30 μs時(shí)，隨著刺激脈寬的增加，手指伸張角度有較大變化；當(dāng)刺激脈寬大于35 μs時(shí)，刺激脈寬增加所引起的手指伸張角度的變化程度變小。

圖6 不同刺激脈寬引起的手指最大伸張角度(五指平均)Fig.6 The maximum extension angle of the PIP joint (averaged of the five fingers) withdifferent stimulation pulse width

3 游戲場景下的手部功能訓(xùn)練

定量評估結(jié)果表明，當(dāng)刺激脈寬為40 μs時(shí)，所有受邀請的病人都能產(chǎn)生快速而穩(wěn)定的張手動作。盡管50 μs脈寬的刺激也能使所有受邀病人的癱瘓手臂快速張開，但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)刺激強(qiáng)度接近50 μs時(shí)，電流會使個別患者產(chǎn)生疼痛。因此在本康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中，用于輔助患者張手的電刺激脈寬設(shè)為40 μs。4位患者參與了每組各15 min、總共2組的康復(fù)訓(xùn)練，其中一組為訓(xùn)練時(shí)給予電刺激幫助，另一組訓(xùn)練則不施加電刺激。每位患者參與兩組訓(xùn)練的先后次序是隨機(jī)的，在完成一組訓(xùn)練之后，患者休息15 min。

圖7中(a)、(b)分別顯示患者3在無刺激幫助與有刺激幫助下手指角度的變化情況。結(jié)果表明，患者在電刺激輔助下能完成多次抓握及張手動作，并能更好地在游戲中實(shí)現(xiàn)重復(fù)性的手指訓(xùn)練。當(dāng)沒有刺激幫助時(shí)，患者只依靠自身患側(cè)殘余的功能很難順利完成游戲訓(xùn)練任務(wù)，也很難達(dá)到與有刺激幫助時(shí)同等的訓(xùn)練強(qiáng)度。表2比較了在有刺激和無刺激時(shí)，測試取得的手掌抓握次數(shù)與最大平均手指伸張角度。在有電刺激輔助的情況下，不論是手掌抓握次數(shù)，還是手指伸張角度，都高于無電刺激輔助的情況。當(dāng)訓(xùn)練結(jié)束后，所有測試者都表示對這個游戲式的訓(xùn)練方法有濃厚興趣，并希望能再次接受訓(xùn)練。

圖7 患者3的近端指間關(guān)節(jié)角度變化情況。(a)無刺激幫助；(b)有刺激幫助Fig.7 The PIP angle change of Subject 3.(a) Without assistance of FES; (b) With assistance of FES

表2 患者實(shí)驗(yàn)中完成的抓握/張手次數(shù)及近端指間關(guān)節(jié)最大平均伸張角度Tab.2 The averaged times of hand open/grasp when playing the game and the maximum extension angles of PIP angles

4 結(jié)論

手部功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)綜合運(yùn)用了電刺激技術(shù)和體感技術(shù)，具有設(shè)置簡單、使用方便的特點(diǎn)。此系統(tǒng)可用于殘疾程度和表1患者相似的中風(fēng)患者的手部功能訓(xùn)練，并且患者在使用本系統(tǒng)后可以達(dá)到一定的訓(xùn)練量。由于有認(rèn)知游戲元素的加入，中風(fēng)患者會更愿意投入到康復(fù)訓(xùn)練中，這將有利于鼓勵他們堅(jiān)持長期的訓(xùn)練。康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)可幫助患側(cè)手指實(shí)現(xiàn)完全的伸張，由表2可知，在有效刺激強(qiáng)度下，手指近端指間關(guān)節(jié)的最大平均伸張角度均值已接近180°?？祻?fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的研究人員將會繼續(xù)邀請更多的中風(fēng)患者多次參與電刺激輔助訓(xùn)練，并進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)比較，以驗(yàn)證其長期訓(xùn)練的效果。康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)可通過增加不同類型的游戲，調(diào)整認(rèn)知游戲的內(nèi)容和難易程度，從而提高患者參與訓(xùn)練的積極性?？祻?fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的一個重要功能是將中風(fēng)病人映射成了鼠標(biāo)：患者的頭部動作可用于移動鼠標(biāo)光標(biāo)，患者的訓(xùn)練動作則用于鼠標(biāo)點(diǎn)擊。因此，利用本系統(tǒng)，患者除了可以操控康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)自帶的游戲外，還可操控其他商業(yè)游戲，從而將康復(fù)訓(xùn)練與更多的游戲結(jié)合，進(jìn)一步增加了康復(fù)訓(xùn)練的趣味性。

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FunctionalElectricalStimulation(FES)withKinectforPost-StrokeRehabilitationonHands

Tu Junbo1,3Hu Xiaoling2Zheng Xiaoxiang1#*

1(CollegeofBiomedicalEngineering&InstrumentScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027，China)2(InterdisciplinaryDivisionofBiomedicalEngineering,HongKongPolytechnicUniversity,HongKong999077，China)3(ZhejiangInstituteofMedicalDeviceSupervisionandTesting,Hangzhou310000,China)

stroke; functional electrical stimulation;kinect; upper limb; motivation

10.3969/j.issn.0258-8021.2015.02.017

2014-04-20，錄用日期:2014-10-30

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61031002); 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2012AA011602); 973-腦機(jī)融合系統(tǒng)驗(yàn)證示范平臺(2013CB329506)

R318

D

0258-8021(2015) 02-0248-05

# 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會會員(Member,Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)，E-mail:zxx@mail.bme.zju.edu.cn