基于運(yùn)動(dòng)想象的手部機(jī)器人輔助訓(xùn)練對(duì)腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能的療效

侯瑩，高琳，陳苗苗，張茹椒，王慶娟

蘇州工業(yè)園區(qū)星海醫(yī)院康復(fù)科，江蘇蘇州市215021

我國(guó)每年有超過(guò)250萬(wàn)例新發(fā)腦卒中患者，55%～75%會(huì)遺留肢體功能障礙，其中上肢功能障礙約占80%[1]。上肢功能障礙對(duì)患者生活影響較大，患者日常生活能力及生活質(zhì)量更低[2]，更易出現(xiàn)焦慮狀態(tài)[3]。然而，上肢及手的功能卻難以恢復(fù)。腦卒中后，15%患者手功能可以恢復(fù)到原功能50%以上，不足3%患者手功能可以恢復(fù)到原功能70%以上[4]。這是由于一方面手在大腦皮質(zhì)的投射區(qū)域較大，占運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的54%；另一方面，手及手指的精細(xì)操作和協(xié)調(diào)配合復(fù)雜[5]。傳統(tǒng)的手功能康復(fù)，如冷療、電刺激、運(yùn)動(dòng)療法和作業(yè)療法，以及中醫(yī)康復(fù)等，不僅耗費(fèi)較多人力，康復(fù)過(guò)程單調(diào)乏味，缺少調(diào)動(dòng)患者主動(dòng)參與的刺激與反饋，而且缺乏大腦運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)主動(dòng)參與，康復(fù)效果不夠理想[6]。

運(yùn)動(dòng)想象是指為了提高運(yùn)動(dòng)功能而在內(nèi)心反復(fù)模擬排練運(yùn)動(dòng)活動(dòng)，它沒(méi)有明顯運(yùn)動(dòng)輸出，但仍會(huì)帶來(lái)和運(yùn)動(dòng)類(lèi)似的生理影響，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)記憶在大腦中的定位激活某一腦區(qū)[7]。基于運(yùn)動(dòng)想象的訓(xùn)練方法讓患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)直接參與訓(xùn)練，刺激神經(jīng)功能恢復(fù)，激發(fā)腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重塑。

機(jī)器人技術(shù)利用運(yùn)動(dòng)想象的原理，強(qiáng)調(diào)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中大腦對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制，通過(guò)患者存在的視覺(jué)認(rèn)知功能，提高運(yùn)動(dòng)認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)表達(dá)[8]。目前，手部機(jī)器人已逐漸成為一種安全、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的康復(fù)治療手段，對(duì)偏癱患者肢體功能的恢復(fù)具有重要意義[9]。何斌等[10]應(yīng)用Armeo Spring 上肢康復(fù)輔助系統(tǒng)對(duì)腦卒中患者偏癱上肢功能進(jìn)行訓(xùn)練，能有效提高患側(cè)上肢功能。本研究驗(yàn)證使用我國(guó)自主研發(fā)的手部機(jī)器人對(duì)手和上肢功能的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2016 年11 月至2018 年5 月本院康復(fù)科住院偏癱患者55 例，符合1995 年中華醫(yī)學(xué)會(huì)第四屆全國(guó)腦血管疾病會(huì)議制定的腦卒中診斷標(biāo)準(zhǔn)[11]，并經(jīng)頭顱CT或MRI確診。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡18～80 歲；②病程≥3 個(gè)月；③偏癱側(cè)上肢近端肌力≥Ⅱ級(jí)，肌力測(cè)試過(guò)程中未誘發(fā)出明顯痙攣、動(dòng)態(tài)張力及軀干或其他身體部位的代償動(dòng)作；④患側(cè)上肢肌張力改良Ashworth 量表評(píng)定≤Ⅱ級(jí)[12]；⑤簡(jiǎn)易精神狀態(tài)檢查評(píng)分≥24 分[13]；⑥病情穩(wěn)定，依從性好；⑦簽署知情同意書(shū)。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①患有嚴(yán)重高血壓或心肺等全身性疾病；②嚴(yán)重的關(guān)節(jié)疼痛；③視力、聽(tīng)力及理解嚴(yán)重障礙；④?chē)?yán)重癲癇病史。

脫落標(biāo)準(zhǔn)：在臨床試驗(yàn)過(guò)程中，由于各種原因不能完成規(guī)定流程而提前退出，如不良反應(yīng)、療效缺乏、患者主動(dòng)退出等。

納入的患者隨機(jī)數(shù)字表法分為對(duì)照組(n=25)和觀察組(n=30)。兩組間性別、年齡、病程、病變性質(zhì)均無(wú)顯著性差異(P ＞0.05)。見(jiàn)表1。

本研究經(jīng)蘇州工業(yè)園區(qū)星海醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 方法

兩組患者均予常規(guī)治療和康復(fù)，觀察組增加手部機(jī)器人輔助訓(xùn)練，對(duì)照組則增加常規(guī)手功能訓(xùn)練。

1.2.1 常規(guī)治療和康復(fù)

患者根據(jù)病情接受相同的營(yíng)養(yǎng)神經(jīng)、改善循環(huán)等藥物治療。對(duì)于存在的并發(fā)癥，如2 型糖尿病、高血壓病、高脂血癥、冠心病、肺心病等，予降糖、降壓、調(diào)脂、改善心肺功能等治療。

根據(jù)具體情況行腦卒中常規(guī)康復(fù)，包括物理治療和作業(yè)治療，采用一對(duì)一方式。物理治療包括良肢位擺放、牽伸訓(xùn)練、軀干及四肢肌群肌力訓(xùn)練、平衡及協(xié)調(diào)訓(xùn)練、站立及步行訓(xùn)練等；作業(yè)治療包括日常生活能力訓(xùn)練，上肢滾桶、套圈、磨砂板、夠物、抓握訓(xùn)練等。從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從單軸到多軸、從單關(guān)節(jié)到多關(guān)節(jié)，治療量以第2 天不疲勞和疼痛為度。每天1.5 h，每周5 d，共連續(xù)4周。

1.2.2 常規(guī)手功能訓(xùn)練

對(duì)照組由患手獨(dú)立或非患手輔助完成手功能訓(xùn)練，訓(xùn)練動(dòng)作均需腕、手參與，包括側(cè)捏、對(duì)指捏、插件、手指背伸及外展、腕部各向運(yùn)動(dòng)。訓(xùn)練難度、強(qiáng)度循序漸進(jìn)。每天20 min，每周5 d，共4 周。

表1 兩組一般資料比較

1.2.3 手部機(jī)器人輔助訓(xùn)練

采用SPT-GI型手功能訓(xùn)練儀(西安交通大學(xué)研發(fā)，蘇州蘇比特醫(yī)療科技有限公司生產(chǎn))。治療前向患者說(shuō)明治療情況，使患者學(xué)會(huì)運(yùn)動(dòng)想象與實(shí)際器械操作相結(jié)合，并根據(jù)訓(xùn)練計(jì)劃調(diào)整前臂支撐結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度，將患者前臂和手固定于機(jī)器人中；進(jìn)入評(píng)估界面，對(duì)患者上肢各關(guān)節(jié)、各方向活動(dòng)度及手部抓握力量進(jìn)行評(píng)估；依據(jù)評(píng)估結(jié)果選擇訓(xùn)練空間維度，有虛擬的1～3 維空間可供選擇；選擇游戲項(xiàng)目，有捕蝴蝶、射擊氣球等。例如捕蝴蝶游戲在虛擬二維空間進(jìn)行，患者通過(guò)手指關(guān)節(jié)屈伸控制精靈的上下位置，捕捉從屏幕左側(cè)向右側(cè)飛動(dòng)的蝴蝶。訓(xùn)練難度、強(qiáng)度由易到難，循序漸進(jìn)。訓(xùn)練過(guò)程中注意避免過(guò)度用力或錯(cuò)誤用力而出現(xiàn)痙攣和代償運(yùn)動(dòng)，僅患側(cè)上肢按指定要求進(jìn)行活動(dòng)。每天20 min，每周5 d，共4周。

1.3 評(píng)定方法

1.3.1 Fugl-Meyer 評(píng)定量表上肢部分(Fugl-Meyer Assessment-Upper Extremity,FMA-UE)[14]

共33個(gè)項(xiàng)目，每項(xiàng)的評(píng)分0～2 分，分值越高代表功能越好。

1.3.2 Wolf 上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)量表(Wolf Motor Function Test,WMFT)[15]

共15 個(gè)項(xiàng)目，每項(xiàng)評(píng)分0～5 分。受試上肢未嘗試參與評(píng)定，未產(chǎn)生任何動(dòng)作為0 分；試圖參與測(cè)試，但未產(chǎn)生任何功能性動(dòng)作為1分。在單側(cè)動(dòng)作測(cè)試中，若受試上肢需依靠未受試上肢輔助完成評(píng)定或患者在2 min 內(nèi)不能完成任務(wù)，則停止該項(xiàng)評(píng)定，功能評(píng)分計(jì)為1 min，作業(yè)時(shí)間計(jì)為120 s；受試上肢參與評(píng)定并完成任務(wù)，但需要小范圍調(diào)整或變換位置，或需要2 次嘗試才能完成任務(wù)為2 分。在雙側(cè)任務(wù)中，受試上肢功能損害非常嚴(yán)重，只能作為輔助為2 分；受試上肢參與測(cè)試并完成任務(wù)，但動(dòng)作受協(xié)同運(yùn)動(dòng)影響，或動(dòng)作完成費(fèi)時(shí)費(fèi)力為3 分；受試上肢參與評(píng)定并完成任務(wù)，動(dòng)作接近正常，但完成速度較健側(cè)慢，或缺乏精準(zhǔn)、協(xié)調(diào)和流暢為4 分；受試上肢參與測(cè)試并完成任務(wù)，與健側(cè)相比動(dòng)作無(wú)異常為5 分?？偡?5分。

1.3.3 改 良Barthel 指數(shù)(modified Barthel Index, MBI)評(píng)定[16]

共10項(xiàng)，每項(xiàng)評(píng)分1～5 分。評(píng)分越高代表獨(dú)立能力程度越高。

于治療前(t0)、治療1 周后(t1)、療程結(jié)束后即刻(t2)、療程結(jié)束后2 個(gè)月(t3)分別對(duì)兩組患者進(jìn)行評(píng)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析?；颊吣挲g、病程用(xˉ±s)表示，采用t 檢驗(yàn)。MBI 評(píng)分呈正態(tài)分布，用(xˉ±s)表示，采用t 檢驗(yàn)。FMA-UE、WMFT評(píng)分不服從正態(tài)分布，用M(QL,QH)表示，采用Wilcoxon 檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn)。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 FMA-UE

t0 時(shí)，兩組FMA-UE 評(píng)分無(wú)顯著性差異(P ＞0.05)。t2、t3 時(shí)，兩組FMA-UE 評(píng)分增加(P ＜0.05)，觀察組評(píng)分高于對(duì)照組(P ＜0.05)。見(jiàn)表2。

2.2 WMFT

t0 時(shí)，兩組WMFT 評(píng)分無(wú)顯著性差異(P ＞0.05)。t1 時(shí)，觀察組WMFT 評(píng)分提高(P ＜0.05)。t2、t3時(shí)，兩組WMFT評(píng)分均提高(P ＜0.05)，但兩組間無(wú)顯著性差異(P ＞0.05)。見(jiàn)表3。

2.3 MBI

t0 時(shí)，兩組MBI 評(píng)分無(wú)顯著性差異(P ＞0.05)。t2、t3 時(shí)，兩組MBI 評(píng)分均提高(P ＜0.05)，觀察組評(píng)分高于對(duì)照組(P ＜0.05)。見(jiàn)表4。

3 討論

本研究顯示，采用SPT-GI 型手功能訓(xùn)練儀進(jìn)行手功能訓(xùn)練可有效提高偏癱患者上肢和手功能，提高日常生活能力，臨床療效可持續(xù)到治療結(jié)束后2 個(gè)月，且相對(duì)安全。手部機(jī)器人輔助訓(xùn)練，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)想象，提高運(yùn)動(dòng)認(rèn)知能力，提高動(dòng)作及行為表達(dá)，但具體機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

運(yùn)動(dòng)想象訓(xùn)練作為激活運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一種手段，適用于腦卒中的任何階段，尤其是腦卒中早期患者明顯喪失自主運(yùn)動(dòng)能力，使主動(dòng)訓(xùn)練受限的情況。運(yùn)動(dòng)想象不依賴(lài)患者殘存功能，直接通過(guò)大腦可塑性促進(jìn)肢體功能恢復(fù)，被認(rèn)為是偏癱康復(fù)的重要方法之一[17]。將運(yùn)動(dòng)想象與腦機(jī)接口結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)控、測(cè)量及反饋。

根據(jù)鏡像神經(jīng)元理論，鏡像神經(jīng)元是一類(lèi)特殊的神經(jīng)元，不僅在個(gè)體執(zhí)行特定動(dòng)作時(shí)興奮，在個(gè)體看到或聽(tīng)到其他同類(lèi)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作時(shí)也興奮[18]。分布于不同腦區(qū)的所有鏡像神經(jīng)元構(gòu)成鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)，提供一種統(tǒng)一動(dòng)作感知與動(dòng)作執(zhí)行的“觀察-執(zhí)行匹配機(jī)制”，在動(dòng)作理解、動(dòng)作模仿、運(yùn)動(dòng)想象及運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)等重要的神經(jīng)生理學(xué)過(guò)程中起關(guān)鍵作用[19]。腦損傷患者通過(guò)觀察和想象動(dòng)作，可以激活鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)，從而起到恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能的目的。

基于運(yùn)動(dòng)想象的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)主要用于患者數(shù)據(jù)管理、訓(xùn)練方案設(shè)計(jì)以及提供虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。這一技術(shù)能夠改善腦卒中患者偏癱上肢的運(yùn)動(dòng)功能[20]，患者在游戲場(chǎng)景完成任務(wù)導(dǎo)向型訓(xùn)練時(shí)，需不斷試錯(cuò)學(xué)習(xí)，使手指達(dá)到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這一過(guò)程有利于增強(qiáng)大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)相關(guān)區(qū)域與肌肉活動(dòng)間的交互作用，增加皮質(zhì)對(duì)肌肉的控制。賈杰[21]提出的“中樞-外周-中樞”閉環(huán)康復(fù)理論論證了這一過(guò)程。

機(jī)器人技術(shù)近年取得巨大進(jìn)步，手部機(jī)器人輔助手或上肢功能訓(xùn)練被認(rèn)為是一種有效的偏癱上肢康復(fù)方法[22]。梁天佳等[23]、劉霖等[24]、侯紅等[25]都驗(yàn)證了手部機(jī)器人對(duì)偏癱上肢功能康復(fù)的有效性。侯紅等[25]的研究結(jié)果表明，機(jī)器人輔助訓(xùn)練能取得與傳統(tǒng)作業(yè)治療相似的療效。Colombo 等[26]比較3 種手部機(jī)器人(BracciodiFerro、InMotion2 和MEchatronic system)對(duì)腦卒中后上肢功能的療效，三組患者FMA-UE 評(píng)分變化值分別為9.5 分、7.3 分和7.1 分。本研究治療前后FMA-UE變化值為8.56分。

表2 兩組治療前后FMA-UE 評(píng)分比較

表3 兩組治療前后WMFT 評(píng)分比較

表4 兩組治療前后MBI 評(píng)分比較

SPT-GI型手功能訓(xùn)練儀的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)為：①可依據(jù)患者肢體功能狀態(tài)選擇被動(dòng)、輔助和主動(dòng)訓(xùn)練3 種模式，在后兩種模式下，機(jī)器人能夠檢測(cè)到肢體的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖，并視情況提供助力；②運(yùn)動(dòng)意圖檢測(cè)利用腦機(jī)接口，將運(yùn)動(dòng)想象腦電作為啟動(dòng)信號(hào)，以手部肌力作為反饋信號(hào)，以氣動(dòng)自適應(yīng)方式分級(jí)提供補(bǔ)償助力或阻力，將運(yùn)動(dòng)想象與機(jī)器人輔助運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練相結(jié)合；③康復(fù)訓(xùn)練結(jié)構(gòu)采用終端牽拉式欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以“握手”的方式通過(guò)牽拉手指遠(yuǎn)端，帶動(dòng)掌指及近端指關(guān)節(jié)活動(dòng)，穿戴簡(jiǎn)單，應(yīng)用空間狀態(tài)法解決欠驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，保證不同患者佩戴后各手指關(guān)節(jié)均有足夠的活動(dòng)范圍，并可對(duì)各個(gè)手指進(jìn)行單獨(dú)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。

綜上所述，基于運(yùn)動(dòng)想象理論和腦機(jī)接口技術(shù)的手部機(jī)器人，將運(yùn)動(dòng)想象療法與運(yùn)動(dòng)療法相結(jié)合，對(duì)腦卒中后上肢功能有較好療效，具有經(jīng)濟(jì)、安全、有效的優(yōu)勢(shì)，值得進(jìn)一步研究。

本研究分層不足。進(jìn)一步可比較不同嚴(yán)重程度、年齡、發(fā)病部位患者手功能恢復(fù)情況，并進(jìn)行多中心、大樣本及長(zhǎng)周期觀察。