基于運動想象的手部機器人輔助訓練對腦卒中患者上肢運動功能的療效

侯瑩，高琳，陳苗苗，張茹椒，王慶娟

蘇州工業園區星海醫院康復科，江蘇蘇州市215021

我國每年有超過250萬例新發腦卒中患者，55%～75%會遺留肢體功能障礙，其中上肢功能障礙約占80%[1]。上肢功能障礙對患者生活影響較大，患者日常生活能力及生活質量更低[2]，更易出現焦慮狀態[3]。然而，上肢及手的功能卻難以恢復。腦卒中后，15%患者手功能可以恢復到原功能50%以上，不足3%患者手功能可以恢復到原功能70%以上[4]。這是由于一方面手在大腦皮質的投射區域較大，占運動皮質的54%；另一方面，手及手指的精細操作和協調配合復雜[5]。傳統的手功能康復，如冷療、電刺激、運動療法和作業療法，以及中醫康復等，不僅耗費較多人力，康復過程單調乏味，缺少調動患者主動參與的刺激與反饋，而且缺乏大腦運動神經系統主動參與，康復效果不夠理想[6]。

運動想象是指為了提高運動功能而在內心反復模擬排練運動活動，它沒有明顯運動輸出，但仍會帶來和運動類似的生理影響，并根據運動記憶在大腦中的定位激活某一腦區[7]。基于運動想象的訓練方法讓患者中樞神經系統直接參與訓練，刺激神經功能恢復，激發腦神經網絡重塑。

機器人技術利用運動想象的原理，強調運動過程中大腦對運動的控制，通過患者存在的視覺認知功能，提高運動認知和運動表達[8]。目前，手部機器人已逐漸成為一種安全、經濟、簡便的康復治療手段，對偏癱患者肢體功能的恢復具有重要意義[9]。何斌等[10]應用Armeo Spring 上肢康復輔助系統對腦卒中患者偏癱上肢功能進行訓練，能有效提高患側上肢功能。本研究驗證使用我國自主研發的手部機器人對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 月本院康復科住院偏癱患者55 例，符合1995 年中華醫學會第四屆全國腦血管疾病會議制定的腦卒中診斷標準[11]，并經頭顱CT或MRI確診。

納入標準：①年齡18～80 歲；②病程≥3 個月；③偏癱側上肢近端肌力≥Ⅱ級，肌力測試過程中未誘發出明顯痙攣、動態張力及軀干或其他身體部位的代償動作；④患側上肢肌張力改良Ashworth 量表評定≤Ⅱ級[12]；⑤簡易精神狀態檢查評分≥24 分[13]；⑥病情穩定，依從性好；⑦簽署知情同意書。

排除標準：①患有嚴重高血壓或心肺等全身性疾病；②嚴重的關節疼痛；③視力、聽力及理解嚴重障礙；④嚴重癲癇病史。

脫落標準：在臨床試驗過程中，由于各種原因不能完成規定流程而提前退出，如不良反應、療效缺乏、患者主動退出等。

納入的患者隨機數字表法分為對照組(n=25)和觀察組(n=30)。兩組間性別、年齡、病程、病變性質均無顯著性差異(P ＞0.05)。見表1。

本研究經蘇州工業園區星海醫院倫理委員會批準。

1.2 方法

兩組患者均予常規治療和康復，觀察組增加手部機器人輔助訓練，對照組則增加常規手功能訓練。

1.2.1 常規治療和康復

患者根據病情接受相同的營養神經、改善循環等藥物治療。對于存在的并發癥，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、調脂、改善心肺功能等治療。

根據具體情況行腦卒中常規康復，包括物理治療和作業治療，采用一對一方式。物理治療包括良肢位擺放、牽伸訓練、軀干及四肢肌群肌力訓練、平衡及協調訓練、站立及步行訓練等；作業治療包括日常生活能力訓練，上肢滾桶、套圈、磨砂板、夠物、抓握訓練等。從簡單到復雜、從單軸到多軸、從單關節到多關節，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4周。

1.2.2 常規手功能訓練

對照組由患手獨立或非患手輔助完成手功能訓練，訓練動作均需腕、手參與，包括側捏、對指捏、插件、手指背伸及外展、腕部各向運動。訓練難度、強度循序漸進。每天20 min，每周5 d，共4 周。

表1 兩組一般資料比較

1.2.3 手部機器人輔助訓練

采用SPT-GI型手功能訓練儀(西安交通大學研發，蘇州蘇比特醫療科技有限公司生產)。治療前向患者說明治療情況，使患者學會運動想象與實際器械操作相結合，并根據訓練計劃調整前臂支撐結構旋轉角度，將患者前臂和手固定于機器人中；進入評估界面，對患者上肢各關節、各方向活動度及手部抓握力量進行評估；依據評估結果選擇訓練空間維度，有虛擬的1～3 維空間可供選擇；選擇游戲項目，有捕蝴蝶、射擊氣球等。例如捕蝴蝶游戲在虛擬二維空間進行，患者通過手指關節屈伸控制精靈的上下位置，捕捉從屏幕左側向右側飛動的蝴蝶。訓練難度、強度由易到難，循序漸進。訓練過程中注意避免過度用力或錯誤用力而出現痙攣和代償運動，僅患側上肢按指定要求進行活動。每天20 min，每周5 d，共4周。

1.3 評定方法

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

共33個項目，每項的評分0～2 分，分值越高代表功能越好。

1.3.2 Wolf 上肢運動功能評價量表(Wolf Motor Function Test,WMFT)[15]

共15 個項目，每項評分0～5 分。受試上肢未嘗試參與評定，未產生任何動作為0 分；試圖參與測試，但未產生任何功能性動作為1分。在單側動作測試中，若受試上肢需依靠未受試上肢輔助完成評定或患者在2 min 內不能完成任務，則停止該項評定，功能評分計為1 min，作業時間計為120 s；受試上肢參與評定并完成任務，但需要小范圍調整或變換位置，或需要2 次嘗試才能完成任務為2 分。在雙側任務中，受試上肢功能損害非常嚴重，只能作為輔助為2 分；受試上肢參與測試并完成任務，但動作受協同運動影響，或動作完成費時費力為3 分；受試上肢參與評定并完成任務，動作接近正常，但完成速度較健側慢，或缺乏精準、協調和流暢為4 分；受試上肢參與測試并完成任務，與健側相比動作無異常為5 分。總分75分。

1.3.3 改 良Barthel 指數(modified Barthel Index, MBI)評定[16]

共10項，每項評分1～5 分。評分越高代表獨立能力程度越高。

于治療前(t0)、治療1 周后(t1)、療程結束后即刻(t2)、療程結束后2 個月(t3)分別對兩組患者進行評定。

1.4 統計學分析

采用SPSS 22.0 軟件進行統計學分析。患者年齡、病程用(xˉ±s)表示，采用t 檢驗。MBI 評分呈正態分布，用(xˉ±s)表示，采用t 檢驗。FMA-UE、WMFT評分不服從正態分布，用M(QL,QH)表示，采用Wilcoxon 檢驗。計數資料采用χ2檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 FMA-UE

t0 時，兩組FMA-UE 評分無顯著性差異(P ＞0.05)。t2、t3 時，兩組FMA-UE 評分增加(P ＜0.05)，觀察組評分高于對照組(P ＜0.05)。見表2。

2.2 WMFT

t0 時，兩組WMFT 評分無顯著性差異(P ＞0.05)。t1 時，觀察組WMFT 評分提高(P ＜0.05)。t2、t3時，兩組WMFT評分均提高(P ＜0.05)，但兩組間無顯著性差異(P ＞0.05)。見表3。

2.3 MBI

t0 時，兩組MBI 評分無顯著性差異(P ＞0.05)。t2、t3 時，兩組MBI 評分均提高(P ＜0.05)，觀察組評分高于對照組(P ＜0.05)。見表4。

3 討論

本研究顯示，采用SPT-GI 型手功能訓練儀進行手功能訓練可有效提高偏癱患者上肢和手功能，提高日常生活能力，臨床療效可持續到治療結束后2 個月，且相對安全。手部機器人輔助訓練，可以實現運動想象，提高運動認知能力，提高動作及行為表達，但具體機制還需要進一步研究。

運動想象訓練作為激活運動網絡的一種手段，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動能力，使主動訓練受限的情況。運動想象不依賴患者殘存功能，直接通過大腦可塑性促進肢體功能恢復，被認為是偏癱康復的重要方法之一[17]。將運動想象與腦機接口結合，實現對其實時監控、測量及反饋。

根據鏡像神經元理論，鏡像神經元是一類特殊的神經元，不僅在個體執行特定動作時興奮，在個體看到或聽到其他同類執行相應動作時也興奮[18]。分布于不同腦區的所有鏡像神經元構成鏡像神經元系統，提供一種統一動作感知與動作執行的“觀察-執行匹配機制”，在動作理解、動作模仿、運動想象及運動學習等重要的神經生理學過程中起關鍵作用[19]。腦損傷患者通過觀察和想象動作，可以激活鏡像神經元系統，從而起到恢復運動功能的目的。

基于運動想象的康復訓練系統主要用于患者數據管理、訓練方案設計以及提供虛擬現實場景。這一技術能夠改善腦卒中患者偏癱上肢的運動功能[20]，患者在游戲場景完成任務導向型訓練時，需不斷試錯學習，使手指達到目標運動狀態。這一過程有利于增強大腦運動皮質相關區域與肌肉活動間的交互作用，增加皮質對肌肉的控制。賈杰[21]提出的“中樞-外周-中樞”閉環康復理論論證了這一過程。

機器人技術近年取得巨大進步，手部機器人輔助手或上肢功能訓練被認為是一種有效的偏癱上肢康復方法[22]。梁天佳等[23]、劉霖等[24]、侯紅等[25]都驗證了手部機器人對偏癱上肢功能康復的有效性。侯紅等[25]的研究結果表明，機器人輔助訓練能取得與傳統作業治療相似的療效。Colombo 等[26]比較3 種手部機器人(BracciodiFerro、InMotion2 和MEchatronic system)對腦卒中后上肢功能的療效，三組患者FMA-UE 評分變化值分別為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 評分比較

表3 兩組治療前后WMFT 評分比較

表4 兩組治療前后MBI 評分比較

SPT-GI型手功能訓練儀的設計優勢為：①可依據患者肢體功能狀態選擇被動、輔助和主動訓練3 種模式，在后兩種模式下，機器人能夠檢測到肢體的主動運動意圖，并視情況提供助力；②運動意圖檢測利用腦機接口，將運動想象腦電作為啟動信號，以手部肌力作為反饋信號，以氣動自適應方式分級提供補償助力或阻力，將運動想象與機器人輔助運動訓練相結合；③康復訓練結構采用終端牽拉式欠驅動結構，以“握手”的方式通過牽拉手指遠端，帶動掌指及近端指關節活動，穿戴簡單，應用空間狀態法解決欠驅動式結構尺寸的優化設計問題，保證不同患者佩戴后各手指關節均有足夠的活動范圍，并可對各個手指進行單獨運動訓練。

綜上所述，基于運動想象理論和腦機接口技術的手部機器人，將運動想象療法與運動療法相結合，對腦卒中后上肢功能有較好療效，具有經濟、安全、有效的優勢，值得進一步研究。

本研究分層不足。進一步可比較不同嚴重程度、年齡、發病部位患者手功能恢復情況，并進行多中心、大樣本及長周期觀察。