上肢協(xié)調(diào)功能障礙康復(fù)技術(shù)研究進展*

張瑞青，鄒任玲

(上海理工大學醫(yī)療器械與食品工程學院，上海 200093)

1 引 言

上肢協(xié)調(diào)障礙嚴重影響患者的生活質(zhì)量。造成患者協(xié)調(diào)障礙的主要病因是腦癱和腦卒中造成的腦損傷。

大部分腦癱兒童的臨床表現(xiàn)均有上肢協(xié)調(diào)障礙[1-3]。上肢協(xié)調(diào)功能障礙嚴重影響兒童的健康成長，導致其他重要功能的發(fā)育也受到制約，比如精細運動功能、粗大運動功能、認知功能及日常生活能力等[4-5]。據(jù)統(tǒng)計，目前有3%左右的兒童患有上肢協(xié)調(diào)功能障礙。

腦卒中后遺癥是協(xié)調(diào)功能障礙的另一大原因[6]。腦卒中后三個月，30%的患者永久性殘疾，其中80%的患者愈后均有上肢協(xié)調(diào)功能障礙[7-8]。其引發(fā)機理為高級中樞對低級中樞控制失靈，上肢肌體各肌群之間失去了相互協(xié)調(diào)，正常的精細、協(xié)調(diào)、分離運動被粗大的共同運動或痙攣所取代，導致患者不能進行打結(jié)、系鞋帶、剪指甲等日?；顒覽9]，生活不能自理。

針對上肢協(xié)調(diào)功能障礙，常用的訓練方法有雙側(cè)肢體間協(xié)調(diào)訓練和單側(cè)肢體內(nèi)協(xié)調(diào)訓練[10]。有效的康復(fù)運動訓練具有[11-12]高強度、可重復(fù)性、以任務(wù)為導向訓練、調(diào)動患者主動訓練積極性的特點。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實、傳感器、圖像投影、康復(fù)機器人、肌電生物反饋等技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于康復(fù)治療。

2 雙側(cè)肢體間協(xié)調(diào)訓練

大多數(shù)日?；顒泳枰p手的協(xié)作來執(zhí)行功能性的、目標導向性的任務(wù)。上肢協(xié)調(diào)障礙患者由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常，無法進行雙手的配合運動。通過對雙側(cè)肢體進行生活中常見的動作訓練，能使兩側(cè)控制肌肉的大腦半球神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被激活，很大程度上提高雙側(cè)肢體間的協(xié)調(diào)性。有學者將傳感器和虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于上肢協(xié)調(diào)康復(fù)系統(tǒng)中，效果顯著。

2.1 基于虛擬技術(shù)雙側(cè)協(xié)調(diào)訓練

2011年，Ustinova等[13]針對腦損傷患者手臂姿勢協(xié)調(diào)障礙，開發(fā)了一款3D沉浸式視頻游戲——八爪魚(Octopus)。該游戲使用WorldViz Vizard軟件開發(fā)，并與Qualysis系統(tǒng)集成，用于運動分析，精確再現(xiàn)了實時運動模式下參與者手臂姿態(tài)與模擬環(huán)境同步?；颊哒驹陲@示屏前，通過八爪魚吐出的氣泡與計算機生成的環(huán)境進行交互。氣泡遵循不特定的軌跡，患者的左右手通過姿態(tài)運動控制虛擬環(huán)境中的左右手對氣泡進行攔截。與其他VR方法相比，Octopus有一個算法，它允許根據(jù)患者的能力操縱最大限度的姿勢位移。這是康復(fù)游戲設(shè)計中一個新穎的方面，它鼓勵最大限度地使用可用的肢體協(xié)調(diào)。Octopus還包含一個具有多種獎勵系統(tǒng)的游戲組件，使游戲具有挑戰(zhàn)性、競爭性、激勵性和趣味性。Ustinova等對13名參與者進行研究，通過短期訓練，參與者的手臂前伸時間和姿勢協(xié)調(diào)精確度都有所提高。證明了使用該系統(tǒng)訓練手臂姿勢協(xié)調(diào)的可行性。

2017年，Do等[14]對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)Nintendo Wii進行研究，將其應(yīng)用于雙側(cè)協(xié)調(diào)康復(fù)訓練。該研究選定四個Nintendo Wii虛擬現(xiàn)實游戲：獨木舟、高爾夫、劍術(shù)和自行車運動，與雙側(cè)協(xié)調(diào)康復(fù)訓練相結(jié)合，進行對稱上肢協(xié)調(diào)運動和不對稱上肢協(xié)調(diào)運動。訓練系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括顯示屏、臺式機、三維運動傳感器和遙控器。訓練程序被執(zhí)行時，受試者距離顯示器5 m，三維運動傳感器檢測上肢運動的位置及角度變化數(shù)據(jù)，與主機進行通信，受試者雙手握住遙控器按照屏幕上顯示的游戲指令進行肢體運動，同時使游戲里的虛擬化身跟隨受試者的方向進行移動，增加受試者的視覺反饋。Do等對三例偏癱腦癱患兒進行Nintendo Wii虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)訓練，通過投籃和移動大型輕量化盒子進行協(xié)調(diào)能力的評估。結(jié)果表明，基于虛擬現(xiàn)實的Nintendo Wii訓練系統(tǒng)對改善偏癱腦癱患兒的上肢運動技巧和雙側(cè)手部協(xié)調(diào)能力具有積極作用。

2.2 基于多感官傳感技術(shù)雙側(cè)協(xié)調(diào)訓練

2016年，Ningbo等[15]設(shè)計一款雙側(cè)上肢協(xié)調(diào)訓練系統(tǒng)。見圖1，該系統(tǒng)基于開源平臺框架CHAI3D觸覺引擎，將Leap Motion手勢傳感器與具有力反饋能力的Omega.7觸覺傳感器結(jié)合，設(shè)計了涉及視覺、聽覺和輔助力反饋的虛擬場景，通過雙手合作將虛擬長方體放入合適的框內(nèi)，進行雙手的協(xié)調(diào)訓練治療。其中Leap Motion 運動手勢傳感器采集健康手的運動數(shù)據(jù)，患側(cè)手根據(jù)設(shè)計的協(xié)作任務(wù)范例，通過Omega.7力反饋設(shè)備采集運動數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流通過USB連接進入主機。該系統(tǒng)的虛擬訓練任務(wù)是健康的左手發(fā)揮支持作用，托起移動板，補償右手的運動。而受損的右手則扮演主導作用，逐一接近并抓取特定物體，將其平穩(wěn)放置在相應(yīng)的目標位置。該任務(wù)對屈曲、伸展、腕關(guān)節(jié)橈尺偏移和前臂前仰等動作進行重復(fù)練習。Ningbo等成功地對八名健康受試者進行了初步實驗，雙手協(xié)調(diào)動作的配合度顯著提高，顯示了該系統(tǒng)在家庭或臨床機構(gòu)進行康復(fù)訓練和評估的技術(shù)可行性。

大量臨床證據(jù)[16-18]表明，虛擬現(xiàn)實療法能夠改善上肢功能障礙患者的運動功能，提高患者的參與度和訓練積極性，縮短患者的康復(fù)時間。上述三種訓練系統(tǒng)均由傳感器獲取患者上肢及手指運動的位置，配合上肢協(xié)調(diào)訓練動作設(shè)計虛擬場景，增加了視覺、聽覺、觸覺反饋，但傳感器精度不高，游戲類型過于簡單，訓練動作較單一，無法實現(xiàn)患者的個性化訓練。

圖1雙側(cè)協(xié)調(diào)訓練系統(tǒng)

Fig.1Bilateral coordination training system

3 單側(cè)肢體內(nèi)協(xié)調(diào)訓練

近年來對上肢協(xié)調(diào)障礙患者引入單側(cè)肢體內(nèi)部協(xié)調(diào)訓練康復(fù)方法，單側(cè)訓練增強單側(cè)肢體內(nèi)部多個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性。當進行伸展、抓握等活動時，肌肉能夠更好的運動分離。研究發(fā)現(xiàn)，使用機器人輔助訓練和肌電生物反饋療法進行肢體內(nèi)部的協(xié)調(diào)訓練，極大地促進了患者上肢協(xié)調(diào)障礙功能的恢復(fù)。

3.1 基于圖像投影技術(shù)單側(cè)協(xié)調(diào)訓練

2013年，Liu等[19]設(shè)計開發(fā)了一種基于圖像投影的桌面手臂訓練器(IDAT)。該設(shè)備包括一個筆記本電腦，一個投影儀和一個激光距離傳感器。投影儀顯示操作區(qū)域，傳感器測量距離數(shù)據(jù)。該訓練器開發(fā)了三種訓練游戲，包括打鼴鼠、破氣球和抓魚，通過訓練患者的手眼協(xié)調(diào)來維持和改善患者的上肢運動協(xié)調(diào)功能。IDAT提供了一個非常不同的人機交互，裝備了一個操縱桿來遠程操作。選擇SOI(step-on interface，SOI)作為輸入系統(tǒng)，使患者可以直接用手操作IDAT。與傳統(tǒng)療法相比，IDAT可以定制訓練任務(wù)，為患者進行枯燥的康復(fù)運動提供動力和成就感，保持他們訓練的熱情和興趣，更具有親和力和可操作性。因此，IDAT為上肢康復(fù)開辟了一條新的途徑。

3.2 基于復(fù)合技術(shù)康復(fù)機器人單側(cè)協(xié)調(diào)訓練

2013年，Hu等[20]研制了一種用于腦卒中后肌肉協(xié)調(diào)康復(fù)訓練的手部機器人。手部機器人由肌電圖驅(qū)動，有五個獨立的手指，每個手指可以提供兩個自由度。手指伸肌肌電圖控制手的張開動作，收手動作受外展短臂肌肌電圖的控制。患者佩戴肌電圖驅(qū)動的手部機器人，完成橫向手臂伸展抓握和垂直手臂伸展抓握兩個任務(wù)。其中橫向手指伸展抓握指將一個海綿從桌子一側(cè)a點水平移動50 cm到另一側(cè)b點，再從b點移動到a點；垂直手臂伸展抓握是從架子下層抓起海綿垂直提起17 cm，放在上層，再拿起放回下層。肌電信號可以監(jiān)測單個肌肉的活動和肌肉之間的協(xié)調(diào)模式，任務(wù)期間肌電信號達到一定閾值觸發(fā)電機運動，進而控制手指的伸展和抓握。Hu等對十名患者進行訓練，訓練過程中，伸肌和屈肌的肌電信號明顯降低，導致其共收縮減少，意味著伸展和抓握任務(wù)時，兩塊肌肉能夠更好地分離。結(jié)果表明，與肌電信號驅(qū)動的手部機器人相結(jié)合的上肢訓練可以改善拮抗手指肌肉對，即屈肌和伸肌的協(xié)調(diào)。

2017年，Proietti等[21]對四自由度外骨骼機器人進行研究，采用Corcher等[22]開發(fā)的運動協(xié)同控制器，對其設(shè)計特定的關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)模式。外骨骼固定到受試者的右臂，另外，受試者佩戴商用腕夾板以限制腕部運動。對20名受試者佩戴外骨骼，在關(guān)節(jié)間速度相關(guān)的擾動力場的作用下，執(zhí)行指點和跟蹤任務(wù)。研究發(fā)現(xiàn)，當受試者專注于完成任務(wù)時，他們關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)能夠被修改，并可以學習特定的關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)。這為機器人輔助治療上肢協(xié)調(diào)功能障礙提供依據(jù)。但人體關(guān)節(jié)運動學非常復(fù)雜，并不能被傳統(tǒng)的機器人關(guān)節(jié)完美的模仿，對于協(xié)調(diào)功能的機器人輔助訓練還需進一步的研究。

3.3 基于生物反饋電刺激技術(shù)單側(cè)協(xié)調(diào)訓練

2017年，Rong等[23]開發(fā)了神經(jīng)肌肉電刺激和機器人混合系統(tǒng)用于上肢的多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)康復(fù)訓練。見圖2，該系統(tǒng)為可穿戴設(shè)備，機械部分包括兩個模塊：肘模塊和腕模塊。這兩個模塊通過支撐系統(tǒng)固定在相應(yīng)的關(guān)節(jié)，對皮膚施加的壓力進行自適應(yīng)控制。該系統(tǒng)可以支持一系列肢體運動，包括肘關(guān)節(jié)伸展、肘關(guān)節(jié)屈曲、腕關(guān)節(jié)伸展、腕關(guān)節(jié)屈曲，目的是模擬手臂各個關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)地進行伸展、抓握、屈曲等日常活動。四通道神經(jīng)肌肉電刺激分別應(yīng)用于肱二頭肌、肱三頭肌、橈側(cè)曲腕肌、尺側(cè)腕伸肌和指伸肌。受試者通過跟隨顯示屏上的光標進行一系列運動。在每個運動階段，肌肉本身的電信號用于控制機器人中的電機運動，并且在該肌肉上施加相應(yīng)電刺激。通過對十一名上肢協(xié)調(diào)障礙患者進行試驗，結(jié)果顯示肌肉對之間的共同收縮明顯降低，肘部和腕部的MAS評分明顯降低，表明了神經(jīng)肌肉電刺激和機器人與多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動的聯(lián)合治療可以有效改善肘部、手腕和手指之間的肌肉協(xié)調(diào)性。

圖2 神經(jīng)肌肉電刺激和機器人混合系統(tǒng)

大量臨床研究證明[24-26]，生物反饋療法聯(lián)合常規(guī)康復(fù)治療，可調(diào)節(jié)神經(jīng)興奮性，促進肌肉節(jié)奏性收縮，增強局部肌肉血液循環(huán)，明顯改善協(xié)調(diào)障礙患者的運動協(xié)調(diào)功能，提高患者的日常生活能力。上述神經(jīng)肌肉和機器人混合系統(tǒng)較單純的機器人訓練，減少了肘部的肌肉過度及手腕相關(guān)的肌肉激活水平，并且能用于多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動。但是肌電信號本身較微弱，容易受到干擾，很大程度上依賴后期的信號處理。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的功能，還需要進一步的研究。

4 結(jié)論

上肢協(xié)調(diào)訓練技術(shù)日趨成熟，傳感器技術(shù)的發(fā)展將提高位置傳感器的精度，使運動捕捉準確度增加，提高患者治療效率?？祻?fù)機器人輔助訓練利用機器人外骨骼使肢體的多個關(guān)節(jié)進行協(xié)調(diào)，產(chǎn)生抓握、伸展、屈肘等運動，使產(chǎn)生運動的各個肌肉對的收縮時間明顯降低，協(xié)調(diào)運動能力得到提高，但上肢機器人往往體型巨大，佩戴不舒服。肌電生物反饋療法通過對相應(yīng)肌肉進行電刺激，增強神經(jīng)的興奮性，并且可以通過肌電圖對治療效果進行評估，但是設(shè)備往往耗資較大，且信號微弱，信號分析處理比較困難。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)飛速發(fā)展，越來越多的應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域。針對上肢協(xié)調(diào)功能障礙，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行上肢協(xié)調(diào)訓練無需專業(yè)醫(yī)師指導，減少了醫(yī)護人員及家庭的負擔，還可以進行遠程治療。虛擬現(xiàn)實場景增加患者的訓練沉浸感，令患者不知不覺地增加訓練時間，提高治療效率。虛擬游戲的多樣化可以為患者制定既有單側(cè)協(xié)調(diào)訓練又有雙側(cè)協(xié)調(diào)訓練的方案，使訓練方式多樣化。相信不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)會在上肢協(xié)調(diào)功能康復(fù)領(lǐng)域得到進一步的發(fā)展。