下肢康復機器人訓練對缺血性腦卒中患者腦功能重建影響的初步觀察

李坤彬，吳志遠，吳艷芝，上官建偉，姚先麗，孫平鴿，李小杏，劉亞鴿，溫小鵬，焦 冰，方 樺

下肢運動功能障礙是腦卒中后常見的癥狀之一，大約80%的腦卒中患者存在步行能力、速度、耐力及步態的異常[1]，嚴重影響患者日常生活的獨立性[2，3]。腦卒中后下肢功能障礙是由上運動神經元損傷，引起運動反射釋放，造成運動模式異常。步行訓練是改善下肢功能重要的康復治療方法，但步行訓練時步幅、步行速度等康復難度較高，從而會耗費輔助人員大量體力，且較難糾正患者的步幅系統。下肢康復機器人訓練是近幾年來輔助下肢運動功能康復的重要方法之一。國內外眾多研究表明[4～6]下肢康復機器人訓練可提高腦卒中患者平衡能力、步行能力、日常生活能力等，但這些研究大多關注了下肢康復機器人訓練對周圍運動功能的改善作用，很少關注腦功能的變化。腦卒中后下肢運動功能的恢復有賴于受損腦區的激活和大腦功能的重組[7，8]。然而，常規康復訓練對受損腦功能恢復影響有限，下肢康復機器人訓練對患者腦功能重建的影響目前尚未見臨床報道。因此，本研究主要通過與常規康復對比，觀察基于常規康復的下肢康復機器人訓練對患者腦功能重建的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2017年1月～2018年7月鄭州大學附屬鄭州中心醫院神經康復科收治的缺血性腦卒中患者120例，采用信封隨機法分成觀察組和對照組，每組各60例。兩組患者年齡、發病時間、性別、患側等基線資料對比無統計學意義(P>0.05)(見表1)。本研究符合《世界醫學會赫爾辛基宣言》相關要求，并通過鄭州大學附屬鄭州中心醫院倫理委員會批準。

1.2 納入及排除標準 納入標準：(1)腦卒中診斷符合1995年第四屆腦血管病學術會議制定的《各類腦血管疾病診斷要點》診斷標準[9]；(2)經頭部CT或MRI檢查確診為基底節區缺血性腦梗死，并證實首次發病；(3)年齡30～75歲，病程14～60 d，患者生命體征平穩、意識清楚、能聽從指令，單側肢體癱瘓；(4)在服用降壓藥的情況下血壓維持在150/90 mm Hg(1 mmHg=0．133 kPa)以下，無嚴重的心臟病史，無其他神經系統疾病；(5)Ashworth評定，下肢<3級；(6)簽署知情同意書。

排除標準：(1)患有其他影響步行能力的神經肌肉和骨關節疾病；(2)有嚴重的急慢性心瓣膜病、心肌病及其他器質性心臟病患者；(3)腦出血、顱腦創傷及除基底節區損傷外的其他部位造成的偏癱患者；(4)有精神癥狀、聽力障礙、言語表達障礙、認知障礙者；(5)合并有嚴重的感染、呼吸衰竭、腎衰竭或癌癥等其他器官的器質性病變患者；(6)精神病患者。

1.3 方法 兩組患者均予以常規抗血小板聚集、擴張血管、穩定斑塊、調整血壓及血糖等腦血管病二級預防治療。

1.3.1 對照組 患者實施常規康復訓練，主要包括運動治療、作業治療、物理因子治療、針灸治療等，運動治療主要以四大神經發育療法為主(Brunnstrom技術、Bobath技術、PNF技術、Rood技術)，主要治療包括：被動關節活動訓練、肌力訓練、牽伸訓練、主動控制訓練、轉移能力訓練、平衡功能訓練、步行功能訓練等，30 min/次，5次/w，4 w為1個療程，共2個療程。

1.3.2 觀察組 患者實施基于常規康復的下肢康復機器人訓練，常規康復訓練同對照組，下肢康復機器人訓練采用廣州一康醫療設備實業有限公司生產的A3-步態訓練與評估系統。進行下肢康復機器人訓練前先測量腿部長短，調節機器人裝置及綁帶尺寸，將機器人與患者綁定，打開開關，預熱1 min后，進入操作界面，根據患者身體狀況選擇站立角度、踏步模式(單腿/雙腿)、左/右腿活動范圍(0～25°)，步頻20～30 步/min，30 min/次，5次/w，4w為1個療程，共2個療程。

1.4 觀察指標(1)采用步態分析系統測量對比治療前后兩組步速、步頻、左右步幅差；(2)治療前、治療后兩組進行腦電圖測量、顱腦彌散張量成像(Diffusion tensor imaging，DTI)檢查。步態分析采用全身三維步態與運動分析系統(江蘇德長醫療科技有限公司)，記錄1 min患者平地步行情況，用測量軟件綜合分析，取平均值分別計算兩組患者步速、步頻、左右步幅差。腦電圖測量采用Solar 3000N神經中央監護分析系統(北京太陽科技有限公司)，按照國際10～20標準系統放置盤狀電極，選擇16導單極導聯記錄。放置電極包括 Fp1、Fp2、F3、F4、F7、F8、T3、T4、T5、T6、C3、C4、P3、P4、O1、O2，A1、A2為耳電極，GND為參考電極。腦電圖記錄時間2 h，結束后存儲腦電圖及錄像，選擇無偽跡波段進行采樣，波段不少于3 min，以 10s 為一個采樣單元，用腦電圖監護儀自帶腦功能波譜分析對數據進行處理，按頻帶分布取各電極總數的平均值為所得數據，最終計算出兩組患者治療前、后的δ/α值(DAR)和腦對稱指數(Brain symmetry index，BSI)。腦電圖頻段劃分標準：α波(8.0～13.9 Hz)、β波(14.0～30.0 Hz)。θ波(4.0～7.9 Hz)、δ波(1.0～3.9 Hz)。DTI檢查采用Siemens Magnetom Skyra 3.0 T 磁共振掃描機，采用標準20通道頭頸聯合線圈。DTI序列掃描參數：數據采集使用單次激發自旋回波平面成像(SE-EPI)序列，掃描參數為：TR/TE=5500 ms/92 ms，翻轉角 90°，層厚 3 mm，層間隔 0 mm，層數為40 層，FOV：240 mm×128 mm×240 mm，矩陣：128 mm×128 mm，體素：大小為1.8 mm×1.8 mm×3.0 mm。每層采集 20個方向，激發次數為 1，b值選取0 s/mm2和1000s/mm2，帶寬1562Hz/Px，信噪比1.0，掃描時間 7 min 43 s。DTI數據在西門子多模態后處理工作站進行處理，由放射科專職醫師在處理后圖像的病灶側中央、邊緣及對側相應正常腦區共選取4處感興趣區，面積均為10 mm2，分別測量病灶側及對側感興趣區的各向異性分數(Fractional anisotropy，FA)值，并分別計算患側和健側平均值。

2 結 果

2.1 步速、步頻、左右步幅差 治療前兩組步速、步頻、左右步幅差對比，差異無統計學意義(P>0.05)，治療后觀察組步速、步頻高于對照組，左右步幅差低于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)(見表2)。

2.2 腦電圖結果 兩組患者治療前DAR值、BSI值比較差異均無統計學意義(P<0.05)；對照組患者治療后與治療前比較DAR值、BSI值均無統計學意義上的差異(P>0.05)；觀察組患者治療后DAR值、BSI值與治療前比較均降低，且差異均有統計學意義(P<0.05)，與對照組相比，觀察組患者治療后DAR值、BSI值均降低，且差異有統計學意義(P<0.05)(見表3)。

2.3 顱腦DTI檢查FA值比較 兩組患者治療前健側FA值與患側FA值比較差異均無統計學意義(P>0.05)治療后觀察組患者健側FA值較對照組明顯提高，且差異有統計學意義(P<0.05)；治療后對照組患者健側FA值、患側FA值較治療前均無統計學意義上的差異(P>0.05)。治療后觀察組患者健側FA值較治療前提高，且差異有統計學意義(P<0.05)(見表4)。

表1 兩組基線資料對比

表2 兩組步速、步頻、左右步幅差對比

表3 兩組患者腦電圖DAR值、BSI值對比

表4 兩組患者腦電圖DAR值、BSI值對比

3 討 論

腦卒中后下肢功能障礙的康復主要集中在步行功能的恢復，步行訓練是下肢康復訓練的重要方法。重復性模擬地面自然行走步態并獲得正確本體感覺及外部感覺反饋是步行訓練取得良好效果的關鍵[10]。但是治療師的耐力和訓練方法并不能長時間維持在同一水準，同時，治療師之間的治療水平并不一致，因此，人工輔助步行訓練的長時間重復性和不同患者的訓練效果會受到一定的限制[11]。與人工輔助步行訓練相比，下肢康復機器人可以在一定程度上代替治療師的勞作，提供持續的，不間斷的康復訓練，沒有身體上的負擔，沒有時間上的限制。此外，機器人能夠獲得和記錄數據，如位置，速度，交互力，或生物信號與各種傳感器。該定量數據可用于進一步的離線分析，從而對患者的康復情況進行客觀評價[11，12]，甚至可用于機器人適應患者當前狀態的行為[13，14]。

在既往的多數研究中已表明，下肢康復機器人訓練對于亞急性期或慢性期腦卒中患者的康復應用不僅是安全的[15]、低成本的，而且也能夠提高患者的步行功能、平衡功能和日常生活能力，特別是對于慢性期的患者步行速度和步行耐力的提高效果更好[4，6，16]。本研究顯示，治療后觀察組步速、步頻高于對照組，左右步幅差低于對照組(P<0.05)，提示對缺血性腦卒中患者實施基于常規康復的下肢機器人康復訓練，可改善患者步行能力。這一結論與既往的研究結果相一致。

然而，下肢運動功能恢復除了下肢肌肉、關節功能的恢復之外，仍有賴于上運動神經元的調控[7]。腦卒中可造成運動中樞損傷，阻礙軀體感覺傳入，影響運動的產生與調節能力。而大腦具有可塑性，受經驗及外界環境作用可塑造大腦功能與結構，通過特定、重復的訓練活動可使重組大腦接受反復刺激，學習并存儲正確運動模式，重建腦功能。下肢康復訓練可促進中樞神經結構修復、功能重組，恢復中樞神經功能。大鼠試驗發現，早期運動訓練可改變局灶性腦缺血大鼠健腦突觸界面結構，促使突觸長時程增強，上調大鼠梗死灶對側海馬區神經元N-甲基-D-天冬氨酸受體功能，恢復腦缺血大鼠學習記憶功能，康復訓練能加快建立腦側支循環，促進病灶周圍組織重塑，發揮腦可塑性，并能增加相應皮質區血流量，為神經元再生重塑創造良好環境[17]。下肢康復機器人訓練可增加訓練密度，保持康復訓練的穩定性、科學性，持續刺激下肢運動神經、感覺神經，并傳導運動中樞，對其產生刺激，應該能夠促進中樞神經功能重建。本研究采用腦電圖數據中DAR比值和腦對稱指數(BSI)來對腦卒中康復后中樞神經的放電興奮性進行定量分析，并應用頭部磁共振彌散張量成像來重建神經纖維束，計算各向異性分數即FA值，來定量衡量神經纖維束的恢復情況，從而對比觀察基于常規康復的下肢康復機器訓練與只進行常規康復后患者的腦功能變化。研究表明[18]DAR值是判斷神經損傷和預后的重要指標，在缺血性卒中患者的病情及預后評估方面有著較高的準確度和特異性；腦對稱指數是中樞神經恢復的重要指標，代表左右大腦半球功率譜的差異，能夠量化評估兩側半球在頻率分布和波幅大小方面的差異，也就是傳統腦電圖所說的左、右大腦半球導聯的對稱性，它的變化范圍是0-1，值越小表示對稱性越好，值越大表示差異性越大[19]。而神經纖維束，特別是皮質脊髓束是隨意運動的重要傳導通路，定量分析FA 值能夠直觀判斷神經纖維束的恢復情況[20，21]。研究結果顯示：經過8 w，共兩個療程的康復訓練，觀察組患者腦電圖DAR值不僅較治療前降低(P<0.05)，而且與對照組比較同樣降低(P<0.05)，同時觀察組BSI值在治療后與治療前比較明顯降低(P<0.05)，與對照組比較也顯著降低(P<0.05)。由此可見，與單獨進行常規康復訓練相比，下肢康復機器人訓練能夠更好的提高中樞神經的興奮性，提高損傷大腦的腦電頻率，從而促進腦電網絡的重組，最終改善雙側大腦功能的對稱性，促進腦功能的恢復。而DTI結果顯示，兩組患者患側大腦FA值治療前、后無明顯差異(P>0.05)，而健側大腦FA值治療后較治療前有所提高(P<0.05)，且與對照組相比也有提高(P<0.05)。根據研究結果分析：雖然目前研究發現中樞神經在一定程度上可以再生重組[22]，但是，神經生長速度緩慢，隨著時間的推移，損傷的神經周圍內環境及本身出現變化使中樞神經的修復是有限的，因此，兩組患者患側FA值在短時間內并沒有明顯差異。而雙側大腦半球又有著密切的聯系，當新生的神經不足以修復損傷的神經，后期運動功能的恢復可能就主要靠健側大腦神經的代償。研究的數據也表明，患者腦電的逐漸活躍、大腦對稱指數的改善可能與患側大腦功能的恢復有關，而健側大腦FA值的提高關鍵在于基于常規康復的下肢康復機器人訓練增強了健側大腦的代償作用。

綜上所述，基于常規康復的下肢機器人康復訓練能夠提高缺血性腦卒中患者下肢運動功能，改善患者的步行能力，促進患者腦損傷后腦功能的重建。本研究不足之處，樣本均選自本醫院，納入觀察的樣本偏少，雖然康復時間有近2 m，但是按照中樞神經恢復的理論，觀察時間仍然較短，在特定的時間內中樞神經的變化可能并不會很大，且沒有進行后期隨訪，仍有待進一步研究。