鏡像集成療法的上肢康復訓練技術研究進展①

梁爽，鄒任玲，姜亞斌，徐秀林，胡秀枋

鏡像集成療法的上肢康復訓練技術研究進展①

梁爽，鄒任玲，姜亞斌，徐秀林，胡秀枋

傳統鏡像治療作為一種有效的治療方法已廣泛應用于臨床。鏡像集成療法技術使鏡像療法與其他技術相結合，形成虛擬現實游戲鏡像集成療法、功能電刺激鏡像集成療法、增強現實技術鏡像集成療法等，可增強任務導向性，提高治療效率。

鏡像療法；集成療法；上肢；虛擬現實；功能電刺激；增強現實；綜述

[本文著錄格式] 梁爽，鄒任玲，姜亞斌，等.鏡像集成療法的上肢康復訓練技術研究進展[J].中國康復理論與實踐,2017,23 (1):59-62.

CITED AS:Liang S,Zou RL,Jiang YB,et al.Advance of mirror integrated therapy for upper limbs rehabilitation(review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(1):59-62.

鏡像療法(mirror visual feedback,MVF)于1995年由Ramachandran和Rogers-Ramachandran[1]首次提出并應用在上肢康復中。該療法利用平面鏡成像原理，將健側活動通過視覺反饋誘發患側的活動，達到消除異常感覺或恢復運動功能的目的[2-3]。鏡像訓練在改善患肢運動準確性、關節活動度、靈巧性和肢體握力方面有效[4-7]，目前用于治療幻肢痛[8-10]、復雜性區域疼痛綜合征[11-12]、腦卒中[13-15]、周圍神經損傷[16-17]、偏側腦性癱瘓[18]、偏側空間忽略[19]等病癥，療效顯著。

上肢功能對于自我照顧至關重要，上肢功能障礙嚴重影響患者的日常生活能力；由于上肢動作精細，功能恢復難度也較大，康復效果受多種因素影響。

傳統的鏡像療法將鏡子放置在患肢和健肢中間，將患肢放在鏡子后面，健肢放在鏡子正面[20]。當患者同時移動雙側肢體時，會將鏡子中健肢的移動當成患肢的移動。通過鏡像訓練中鏡像對稱的雙側上肢運動模式，使未受損傷的半腦和損傷半腦進行交互，從而誘導運動皮層神經網絡的重組，并促進大腦皮層神經的可塑性[21-22]。

鏡像療法依靠鏡子的反射，受到裝置的限制，訓練的規范性、統一性較難量化，直接影響臨床效果的穩定，并且在范式創新上難以突破[23]。近年來，有學者將鏡像療法與任務導向集成，治療效果較單純鏡像療法更顯著。

1 虛擬現實游戲鏡像集成療法

2010年，Sato等[24]開發一個虛擬現實鏡像視覺反饋系統，并將其應用于復雜區域性疼痛綜合征的治療，可同時進行手腕和手指功能的訓練。該系統包括一臺計算機、用于獲取手部動作數據的CyberGlove數據手套、用于跟蹤手臂移動方向和位置的FASTRAK運動跟蹤定位系統、一臺顯示器及一個虛擬訓練游戲系統(virtual environment,VE)。使用時，用戶坐在桌子前面，雙手置于屏幕前，健側手穿戴CyberGlove手套，患側穿戴FASTRAK系統，根據顯示屏上的圖像，由患側手臂控制VE中虛擬手臂移動，到達相應位置后，由健側手控制抓取物品，再由患側手臂控制VE中的虛擬手臂移動到另一個位置，由健側手控制放置物品。該系統的控制方式與傳統鏡像療法很不相同，但基礎原理相似。Kenji Sato等對5例患有復雜區域性疼痛綜合征的患者進行臨床測試，視覺模擬評分(Visual Analog Scale,VAS)顯示，患者疼痛程度較訓練前有明顯改善，其中4例疼痛減少50%，且手指靈活度也有明顯改善。

2016年，Beom等[25]設計一個可以實時運動的兩軸機器人，用于腦卒中后偏癱康復。該機器人在傳統的鏡像療法中加入可實時運動的機械臂，一只帶有3個AHRS傳感器的機械臂裝置用于健側，另一只包括2個無刷直流電機和機器人外骨骼機械臂用于患側。當健側移動時，AHRS傳感器將信號轉換成坐標信號，經過計算機的計算轉換成扭力，傳遞給機器人外骨骼；患側手臂的外骨骼對患側手臂的移動進行扭力補償，使患側手臂和健側手臂做到同時同步移動，完成4個虛擬現實游戲(球進洞、足球游戲、點跟隨和推動杯子)。健側和患側的同步延遲約0.04～0.4 s。Beom等將該系統用于1例60歲的慢性右側基底神經節出血患者進行測試，結果顯示，患者Fugl-Meyer運動功能評定量表(Fugl-Meyer Assessment,FMA)上肢部分增加，肘屈曲的改良Ashworth量表(modified Ashworth Scale,MAS)分級下降，左手測捏握力值明顯提高。這款可實時運動的兩軸機器人對偏癱后的上肢功能康復有效，但無法鍛煉手腕和手指功能。

有證據表明，虛擬現實技術可以改善腦卒中患者的運動功能[26]，提高患者的參與度和訓練積極性，使患者提高治療強度[27]。上述兩種設備都加入了游戲模塊，同時都使用傳感器對健側手臂的移動位置進行定位捕捉。基于傳感器的定位跟蹤技術目前已較為成熟，檢測到的數據實時性好，且準確性強，符合鏡像治療的要求。第一種設備使用傳感器數據手套，這種設備可以準確識別手勢、記錄位置，但價格較昂貴，且穿戴式會給患者造成不適；第二種設備使用磁傳感器，可以實現動態實時跟蹤，但容易受到金屬物質或電磁場的干擾。

2 功能電刺激(functional electrical stimulation,FES)鏡像集成療法

2014年Kim等[28]設計一款將鏡像訓練和生物反饋FES (BF-FES)相集成的儀器，用于腦卒中后上肢功能康復。儀器的硬件包括一面鏡子、一個表面肌電信號探測儀、一臺筆記本電腦、一臺輸出控制器和一臺功能性電刺激儀。使用時，患者患側置于鏡子后，將表面肌電信號探測儀連接到身體兩側收縮肌肉凸起部位3 cm處，以及身體兩側肘關節彎曲時肌肉凸起部位2 cm處，患者按規定動作進行運動，探測到的表面肌電信號實時傳遞到電腦上的接收裝置中，當檢測到的表面肌電信號值超過預先設定的閾值時，FES會對患側電刺激5 s；當檢測到的表面肌電信號未超過預先設定的閾值時，FES不工作。所以當患者進行鏡像訓練時，健側手執行相應動作時觸發FES，對患側相應部分肌肉進行電刺激，從而達到康復的目的。Kim等對33例腦卒中患者用該儀器治療，與單純使用鏡像療法的患者相比，患者徒手肌力、抓取力量、活動范圍和腦卒中患者生活質量評估明顯提高，MAS無明顯變化。

2014年Lin等[29]設計一款與FES相集成的鏡像治療裝置。該裝置使用網格手套進行FES，并在傳統的鏡盒裝置上進行了一些改進。使用前，先對患者的痙攣情況進行評級。使用時，患者患側穿戴網格手套，進行傳統鏡像訓練治療，同時網格手套根據患者的痙攣情況給予不同強度、不同時間的FES。Lin等對該裝置進行了臨床測試，結果表明，鏡像治療與FES相集成的治療方式與傳統鏡像治療相比，患者手部運動功能有所提高，患手的靈活程度、自主移動和移動速度都有所提高。

FES是一種上肢康復的有效手段。大量臨床研究證明[30-31]，電刺激能顯著改善腦卒中患者的肢體功能，提高患者的生活自理能力，明顯降低致殘率。上述第一種設備使用表面肌電信號進行定位，將FES與鏡像療法相集成，鏡像地實現肌電生物反饋。有大量的研究表明[32-33]，肌電生物反饋技術有助于偏癱患者肢體功能的康復。因此這是一種很有效的上肢運動康復的方法。但表面肌電信號本身較微弱，容易受到干擾，依賴后期信號處理技術。為了實現穩定的功能，還需要進一步研究。

3 增強現實技術鏡像集成療法

2015年Hoermann等[34]提出一種鏡像訓練和增強反饋技術相集成的腦卒中康復設備。該設備由電腦、顯示屏、顯示屏支架、Senz3D攝像頭、攝像頭支架和一塊足夠大的藍布組成。顯示屏支架將顯示屏放置在用戶面前，將用戶的視線擋住；攝像頭安裝在屏幕后面、用戶手部的正上方；攝像頭通過標準相機架固定在桌子上；藍色的布要能夠覆蓋攝像頭能拍攝到的全部區域。訓練時，用戶將健側手臂放在桌子上，被屏幕遮擋，顯示屏中只有鏡像處理后患側方向的手可以看到，仿佛患側手正在運動。Hoermann等對5例患者進行臨床測試，結果表明，其中3例患者的手功能、FMA上肢評分、MAS評分明顯提高，手指的痙攣情況也有改善，但手腕痙攣沒有改善，兩例患者感受到上肢功能恢復。

使用計算機視覺動作捕獲的鏡像療法是一種新方法，屬于增強現實的范疇。這項技術直接通過攝像機捕捉患者手部的位置和動作，真實感很強，且無需其他穿戴設備，不會造成患者的異樣感；設備簡單，便于移動和攜帶，成本低廉，具有很廣闊的研究空間。但該項技術目前還無法適應所有的個體，容易受到環境干擾；患者的手掌大小、膚色、手型變化都會使手勢識別困難。目前還屬于實驗室研發階段。

4 其他技術鏡像集成療法

2015年Lee等[35]設計一款數字鏡治療系統，用于腦卒中上肢偏癱康復。該系統硬件設備包括一臺計算機、一臺高清攝像頭以及一個治療桌。治療桌上分為鏡像區域和運動區域，鏡像區域上放置一塊高清液晶顯示屏。使用時，患者坐在治療桌前，將健側手臂置于桌子的運動區域，患側手臂置于高清顯示器下方，使患者看不到患側手臂。患者健側手臂的運動圖像被高清攝像頭捕捉到，傳送給電腦，經計算機鏡像處理后再傳送給高清顯示器顯示。Lee等選取18名健康成年志愿者對數字鏡治療系統進行測試，結果表明鏡像神經元系統皮質激活情況顯著增強。這款數字鏡像治療系統的訓練方式與傳統的鏡像治療并無差異，只是將傳統鏡面換成顯示器，使患者獲得更好的視覺角度，但在治療效果上并未有明顯提高。

5 結論

鏡像集成療法是一種需要患者高度參與的一種有效的治療方法。上述的增強現實技術鏡像集成療法，效果依賴于鏡像治療，所以很大程度取決于患者主觀參與度。

虛擬現實游戲鏡像集成療法和FES鏡像集成療法采用其他技術與鏡像治療相輔相成，共同促進提高治療效率；虛擬現實游戲集成鏡像集成療法系統中的虛擬游戲，可以鍛煉患者患側手臂的移動，同時增加患者的積極性，提高患者的主觀參與度，與鏡像治療相輔相成，提高治療效率；FES集成的儀器在鏡像治療時，使患側手臂鏡像跟隨健側手臂移動，使患者患側手臂的運動與患者在鏡子中看到的一致，視覺效果更真實，治療更有效。

鏡像療法在臨床上有巨大的應用價值，但它也有一定的局限性。其技術原理決定了進行鏡像治療的患者應為單側癱瘓，另一側應具備一定的運動能力，沒有明顯的骨科或風濕性疾病的并發癥，且患者應具備充分的認知能力去理解和應用運動指令。鏡像集成療法可以在一定程度上降低傳統鏡像療法的局限性。

目前鏡像治療集成的技術還屬于應用初級階段，但有非常高的臨床價值。其中利用傳感器在鏡像治療中加入虛擬游戲的技術目前正在起步階段，而虛擬游戲多樣，可針對患者病情為患者定制個性化、治療全面化的方案，將促使鏡像集成進一步發展。虛擬現實游戲鏡像集成療法是今后發展的新趨勢。

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Advance of Mirror Integrated Therapy for Upper Limbs Rehabilitation(review)

LIANG Shuang,ZOU Ren-ling,JIANG Ya-bin,XU Xiu-lin,HU Xiu-fang
University of Shanghai for Science and Technology School of Medical Instrument and Food Engineering,Shanghai 200093,China

ZOU Ren-ling.E-mail:zourenling@163.com

Mirror therapy has been widely used in practice as an effective rehabilitaiton method.Mirror integrated therapy combined mirror therapy with some other technologies,such as virtual reality,functional electrical stimulation,augmented reality,etc.,to enhance the task orientation,and improve the efficiency of treatment.

mirror therapy;integrated therapy;upper limb;virtual reality;functional electrical stimulation;augmented reality;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.01.014

R496

A

1006-9771(2017)01-0059-04

2016-12-01

2016-12-29)

上海市科學技術委員會科研計劃項目(No.14441905100)。

上海理工大學醫療器械與食品學院，上海市200093。作者簡介：梁爽(1993-)，女，漢族，內蒙古呼倫貝爾市人，碩士研究生，主要研究方向：康復醫療器械。通訊作者：鄒任玲(1971-)，女，副教授，碩士研究生導師。E-mail:zourenling@163.com。