基于鏡像神經(jīng)元理論的手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

嚴(yán) 程，陳 程，張 翔，張 宇，楊 洋，張 一*

（1.蘇州大學(xué)附屬第三醫(yī)院，常州市第一人民醫(yī)院，江蘇常州 213000；2.錢璟康復(fù)股份有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

腦卒中是導(dǎo)致殘疾的主要原因之一。卒中患者患側(cè)肌力、肌張力、感覺及運動姿勢控制等方面的功能障礙嚴(yán)重影響其日常生活，給患者及家屬造成沉重負(fù)擔(dān)。

上肢手部功能障礙是腦卒中患者常見的功能障礙之一。傳統(tǒng)的康復(fù)治療方法對部分患者治療作用有限[1]，且需要投入一定的精力和時間，功能改善效果不盡如人意。近年來，基于鏡像神經(jīng)元的康復(fù)方法在臨床上的應(yīng)用越來越廣泛[2]，并取得了相對不錯的治療效果。根據(jù)相關(guān)研究顯示，運動觀察（視頻或鏡像）、運動想像均可以通過激活鏡像神經(jīng)元來促進(jìn)腦卒中患者偏癱肢體運動功能改善以及日常生活能力的提高[3-11]。目前，國內(nèi)尚無有關(guān)基于鏡像神經(jīng)元在腦卒中后的針對性康復(fù)治療設(shè)備，大多數(shù)還是需要康復(fù)治療師操作簡單的工具設(shè)備（例如平面鏡等）來讓患者觀察健側(cè)肢體動作，從而達(dá)到刺激鏡像神經(jīng)元的目的，存在治療過程中易受外界干擾，花費時間、精力多，訓(xùn)練方法規(guī)范性、統(tǒng)一性較難量化，影響臨床治療效果的穩(wěn)定等問題。鑒于此，本文在鏡像神經(jīng)元康復(fù)療法的基礎(chǔ)上，設(shè)計適用于腦卒中患者上肢手部功能障礙的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，本系統(tǒng)實用性強，專為腦卒中后手功能障礙者提供豐富有趣、科學(xué)實用的康復(fù)訓(xùn)練方法，有效改善其上肢手部功能狀況，從而提高其日常生活活動能力及生活質(zhì)量。

1 總體設(shè)計

手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)主要由康復(fù)訓(xùn)練桌及智能康復(fù)訓(xùn)練軟件組成。通過操作訓(xùn)練桌上的升降按鈕可調(diào)整桌面的升降高度；通過訓(xùn)練桌上的手勢識別器和攝像頭模塊可實時捕捉患者的手部動作，并將動作呈現(xiàn)在觸控顯示器上；通過把鏡像神經(jīng)元理論融入到智能康復(fù)訓(xùn)練軟件中，可有效實現(xiàn)對患者的篩查評估、指導(dǎo)患者進(jìn)行手部的智能康復(fù)訓(xùn)練并提供相應(yīng)的訓(xùn)練報告，達(dá)到刺激患者大腦中的鏡像神經(jīng)元，從而提高患者上肢手部運動功能和日常生活活動能力的目的。

2 具體設(shè)計

2.1 訓(xùn)練桌

如圖1 所示，訓(xùn)練桌主要由移動底座、升降機(jī)構(gòu)、桌面、攝像頭模塊、觸控顯示器和手勢識別器等組成。

圖1 訓(xùn)練桌整體結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 移動底座及升降機(jī)構(gòu)

移動底座主要由支撐底架和4 個萬向腳輪組成，可實現(xiàn)任意方向的順暢移動，并具有腳輪鎖緊功能。采用電動推柱作為訓(xùn)練桌的升降機(jī)構(gòu)，電動推柱用螺栓連接固定在支撐底架上，如圖2 所示。電動推柱的升降行程為467～767 mm，訓(xùn)練桌高度的升降行程為580～880 mm，用戶可根據(jù)自己的舒適性和方便性進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 移動底座與升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 桌面、攝像頭模塊、觸控顯示器和手勢識別器

桌面由鋁合金支撐板制作，外圍由ABS（acrylonitrile butadiene styrene）板制作，如圖 3 所示。攝像頭模塊采用LRCP5033_500W_USB3.0，焦距 6 mm（60°廣角），用于捕捉患者的手部動作成像到觸控顯示器上；觸控顯示器采用觸摸屏Dell 一體機(jī)，尺寸為23.8 in（1 in=25.4 mm）；手勢識別器采用厲動leap motion 三維 3D 手勢虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）體感控制器，可捕捉、識別患者的手勢、動作，從而完成軟件中的訓(xùn)練功能。

圖3 桌面結(jié)構(gòu)圖

2.2 智能康復(fù)訓(xùn)練軟件

本研究以鏡像神經(jīng)元理論為指導(dǎo)，融入體感控制技術(shù)[12-13]、視頻追蹤技術(shù)，結(jié)合認(rèn)知[14-15]、精細(xì)運動等多種康復(fù)訓(xùn)練方法，根據(jù)康復(fù)醫(yī)師多年的專業(yè)康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)經(jīng)驗，有針對性地設(shè)計適合腦卒中患者的智能康復(fù)訓(xùn)練軟件。軟件訓(xùn)練功能通過動作觀察、動作模仿、運動想像、運動學(xué)習(xí)來刺激患者的鏡像神經(jīng)元，從而促使大腦發(fā)生可塑性改變和功能重組，進(jìn)而促進(jìn)受損的運動功能恢復(fù)。患者可以通過該軟件針對性地得到康復(fù)訓(xùn)練，并能體驗到康復(fù)訓(xùn)練過程中的樂趣。同時該訓(xùn)練軟件還能反饋出相應(yīng)的訓(xùn)練報告，指導(dǎo)并糾正患者的康復(fù)訓(xùn)練，從而加速患者的恢復(fù)進(jìn)程。軟件流程圖如圖4 所示。

智能康復(fù)訓(xùn)練軟件主要由用戶管理、篩查評估、智能訓(xùn)練、影音庫、數(shù)據(jù)記錄等功能模塊組成，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

該軟件采用C#編程語言、Access 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)，其中實現(xiàn)游戲訓(xùn)練功能的部分開發(fā)代碼如下：

圖4 智能康復(fù)訓(xùn)練軟件流程圖

圖5 智能康復(fù)訓(xùn)練軟件功能結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊主要是記錄和管理患者的評估檢查量表，康復(fù)治療師可以通過該功能查閱患者的相關(guān)歷史評估信息，了解患者的康復(fù)功能狀況，從而對照現(xiàn)階段患者的功能狀態(tài)制訂后續(xù)的康復(fù)訓(xùn)練方案。

2.2.2 篩查評估模塊

篩查評估模塊主要包含情緒狀態(tài)評估、認(rèn)知功能評估和運動功能評定?；颊吒鶕?jù)屏幕上的提示回答問題或者按照規(guī)定完成相應(yīng)的動作，從情緒狀態(tài)、認(rèn)知功能、運動功能3 個方面進(jìn)行全方位的評估。評估結(jié)束后會顯示患者的評估報告?？祻?fù)治療師可依據(jù)患者評定的分?jǐn)?shù)及分級，根據(jù)其具體情況制訂相應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練方案。具體應(yīng)用界面如圖6 所示。

情緒狀態(tài)評估是指通過焦慮自評量表和抑郁自評量表評估患者的焦慮、抑郁狀態(tài)。評估結(jié)果能客觀反映患者的焦慮、抑郁情況及其在康復(fù)治療過程中的變化。

認(rèn)知功能評估是指對患者進(jìn)行洛文斯頓認(rèn)知功能評定測驗（Loewenstein occupational therapy cognitive assessment，LOTCA）、簡易智力狀態(tài)檢查量表（minimental state examination，MMSE）、蒙特利爾認(rèn)知評估量表（Montreal cognitive assessment，MoCA）[16-17]、AD8量表的問卷式評估，確認(rèn)患者的認(rèn)知功能狀態(tài)。該評估主要用來對認(rèn)知功能異常的患者進(jìn)行快速篩查評定，評估內(nèi)容涉及注意力與集中力、執(zhí)行功能、記憶、語言、抽象思維、計算和定向力等認(rèn)知領(lǐng)域。

運動功能評定是指對患者進(jìn)行Brunnstrom 偏癱運動功能分期評定、FMA（Fugl-Meyer assessment）上肢運動功能評定[18]、巴氏指數(shù)評定，主要是要求患者按照規(guī)定完成相應(yīng)的動作，從而完成相應(yīng)測試，以此來評估患者偏癱側(cè)肢體的功能狀態(tài)。

圖6 篩查評估應(yīng)用界面

2.2.3 智能訓(xùn)練模塊

智能訓(xùn)練模塊包含教學(xué)訓(xùn)練、自由訓(xùn)練和游戲訓(xùn)練三大子模塊，具體訓(xùn)練界面如圖7 所示。教學(xué)訓(xùn)練：通過觀看軟件中內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)視頻進(jìn)行訓(xùn)練，也可進(jìn)行個性化教學(xué)訓(xùn)練，可自行將健肢運動過程錄制視頻并存儲，系統(tǒng)會將視頻自動鏡像成患肢的運動視頻，從而指導(dǎo)患肢的運動。自由訓(xùn)練：可進(jìn)行左右手及不同部位的訓(xùn)練，如腕關(guān)節(jié)、前臂、手部。將雙手放置在桌面上的攝像頭下，健肢正常運動，顯示器上會對應(yīng)顯示出相應(yīng)一側(cè)患肢的運動，從而刺激患者大腦中的鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)，達(dá)到健肢帶動患肢的康復(fù)訓(xùn)練效果。游戲訓(xùn)練：設(shè)置有4 種訓(xùn)練模式，包含打地鼠、平衡積木、機(jī)械手打包和炮轟海盜船，通過手部運動控制完成游戲操作，游戲結(jié)束后顯示游戲結(jié)果報表。

2.2.4 影音庫模塊

通過影音庫可上傳影音、播放影音、刪除影音。通過觀察手部及相關(guān)部位的運動影音及運動想像來刺激大腦中的鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)，有利于腦卒中患者偏癱肢體運動功能改善以及日常生活能力的提高[19]。

圖7 智能訓(xùn)練界面

2.2.5 數(shù)據(jù)記錄模塊

評估和訓(xùn)練結(jié)束后，康復(fù)治療師可查看患者當(dāng)前評估報告和訓(xùn)練報告中的相關(guān)數(shù)據(jù)。評估報告中包含患者的焦慮抑郁狀態(tài)、認(rèn)知功能、運動功能等各項量表的評分，訓(xùn)練報告中包含各項訓(xùn)練內(nèi)容的評分。康復(fù)治療師可根據(jù)每次評估及訓(xùn)練的歷史數(shù)據(jù)報告橫向比較各患者之間的差異性，也可以針對某一位患者的歷史數(shù)據(jù)報告進(jìn)行縱向比對，觀察其接受治療后的功能改善情況，為制訂個性化治療方案與修正當(dāng)前治療方案提供臨床依據(jù)。具體界面如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)記錄界面

3 手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)使用方法

首先踩下腳輪剎車將訓(xùn)練桌鎖住，使其不再移動。插上訓(xùn)練桌電源，調(diào)節(jié)桌面上的升降按鈕使桌面升降至合適高度。打開桌面上的觸控顯示器，登錄用戶賬戶，可進(jìn)行篩查評估或選擇相應(yīng)的訓(xùn)練模塊進(jìn)行訓(xùn)練。在教學(xué)訓(xùn)練和自由訓(xùn)練時，將患者的雙側(cè)上肢同時放置在觸控顯示器后面的攝像頭下，顯示器上即可顯示患者手部操作、訓(xùn)練的圖像；在游戲訓(xùn)練時，手勢識別器可捕捉、識別患者手部的細(xì)微手勢、動作，從而完成游戲訓(xùn)練。訓(xùn)練結(jié)束后可查看相應(yīng)的訓(xùn)練報告。

4 系統(tǒng)樣機(jī)與測試

手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)實物樣機(jī)如圖9 所示。對樣機(jī)進(jìn)行測試，具體如下：

納入30 名腦卒中患者，隨機(jī)分為常規(guī)治療組和手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)實物樣機(jī)治療組（以下簡稱“樣機(jī)治療組”），每組15 人。2 組患者一般資料（包括年齡、性別、發(fā)病時間以及偏癱側(cè)數(shù)據(jù)）差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0．05），詳見表 1。常規(guī)治療組每周接受5 d 作業(yè)治療（包括治療性作業(yè)活動訓(xùn)練、感覺訓(xùn)練、日常生活活動訓(xùn)練等），每天2次，每次持續(xù)30 min，共4 周。樣機(jī)治療組每周接受5 d 作業(yè)治療，每天1 次，每次治療持續(xù)30 min，共4周，同時在作業(yè)治療的基礎(chǔ)上采用手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)實物樣機(jī)進(jìn)行鏡像治療訓(xùn)練，每天1 次，每次30 min。采用Fugl-Meyer 上肢運動功能評分和改良Barthel指數(shù)（modified Barthel index，MBI）評分對 2 組患者的康復(fù)治療效果進(jìn)行評價。采用SPSS 17.0 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計數(shù)資料用例數(shù)表示，采用χ2檢驗進(jìn)行比較；計量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（）表示，采用t 檢驗進(jìn)行比較。組內(nèi)治療前后比較采用配對樣本t檢驗，其中，組間比較采用獨立樣本 t 檢驗，P<0.05 表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖9 實物樣機(jī)圖

2 組患者治療前Fugl-Meyer 上肢運動功能評分、MBI 評分差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0．05）。治療后 2 組Fugl-Meyer 上肢運動功能評分、MBI 評分與治療前相比均顯著改善，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.01）。樣機(jī)治療組與常規(guī)治療組相比治療后Fugl-Meyer 上肢運動功能評分、MBI 評分顯著提升，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.01），詳見表2。綜上所述，使用本系統(tǒng)可有效改善腦卒中患者的上肢手部運動功能，提高其日常生活活動能力。

表1 2 組一般資料比較

表2 2 組治療前后Fugl-Meyer 上肢運動功能評分、MBI 評分比較 單位：分

5 結(jié)語

本文設(shè)計了適用于腦卒中患者的手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，康復(fù)訓(xùn)練模式多樣，在較大程度上能夠輔助患者康復(fù)訓(xùn)練并進(jìn)行評估，填補了國內(nèi)在基于鏡像神經(jīng)元康復(fù)療法的智能康復(fù)設(shè)備方面的空缺。但是本系統(tǒng)也存在著一些不足之處，如鏡像圖像同步性不穩(wěn)定、訓(xùn)練內(nèi)容不夠豐富、觸控屏幕靈敏性需改善等。后期在本設(shè)計的基礎(chǔ)上還可配備更完善的智能化系統(tǒng)[20-21]，融入更多的情景交互訓(xùn)練游戲，同時添加康復(fù)治療師屏幕，便于其在治療過程中觀察、引導(dǎo)患者訓(xùn)練。綜上，本文設(shè)計的手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)人機(jī)交互性好、功能較為齊全，具有廣闊的市場需求和推廣前景。