上肢協調功能障礙康復技術研究進展*

張瑞青，鄒任玲

(上海理工大學醫療器械與食品工程學院，上海 200093)

1 引 言

上肢協調障礙嚴重影響患者的生活質量。造成患者協調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均有上肢協調障礙[1-3]。上肢協調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]。據統計，目前有3%左右的兒童患有上肢協調功能障礙。

腦卒中后遺癥是協調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調功能障礙[7-8]。其引發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調，正常的精細、協調、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、系鞋帶、剪指甲等日常活動[9]，生活不能自理。

針對上肢協調功能障礙，常用的訓練方法有雙側肢體間協調訓練和單側肢體內協調訓練[10]。有效的康復運動訓練具有[11-12]高強度、可重復性、以任務為導向訓練、調動患者主動訓練積極性的特點。隨著科學技術的發展，虛擬現實、傳感器、圖像投影、康復機器人、肌電生物反饋等技術越來越多地被應用于康復治療。

2 雙側肢體間協調訓練

大多數日常活動均需要雙手的協作來執行功能性的、目標導向性的任務。上肢協調障礙患者由于中樞神經系統異常，無法進行雙手的配合運動。通過對雙側肢體進行生活中常見的動作訓練，能使兩側控制肌肉的大腦半球神經網絡被激活，很大程度上提高雙側肢體間的協調性。有學者將傳感器和虛擬現實技術應用于上肢協調康復系統中，效果顯著。

2.1 基于虛擬技術雙側協調訓練

2011年，Ustinova等[13]針對腦損傷患者手臂姿勢協調障礙，開發了一款3D沉浸式視頻游戲——八爪魚(Octopus)。該游戲使用WorldViz Vizard軟件開發，并與Qualysis系統集成，用于運動分析，精確再現了實時運動模式下參與者手臂姿態與模擬環境同步。患者站在顯示屏前，通過八爪魚吐出的氣泡與計算機生成的環境進行交互。氣泡遵循不特定的軌跡，患者的左右手通過姿態運動控制虛擬環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，它允許根據患者的能力操縱最大限度的姿勢位移。這是康復游戲設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調。Octopus還包含一個具有多種獎勵系統的游戲組件，使游戲具有挑戰性、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調精確度都有所提高。證明了使用該系統訓練手臂姿勢協調的可行性。

2017年，Do等[14]對虛擬現實系統Nintendo Wii進行研究，將其應用于雙側協調康復訓練。該研究選定四個Nintendo Wii虛擬現實游戲：獨木舟、高爾夫、劍術和自行車運動，與雙側協調康復訓練相結合，進行對稱上肢協調運動和不對稱上肢協調運動。訓練系統的硬件設備包括顯示屏、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據，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虛擬現實系統訓練，通過投籃和移動大型輕量化盒子進行協調能力的評估。結果表明，基于虛擬現實的Nintendo Wii訓練系統對改善偏癱腦癱患兒的上肢運動技巧和雙側手部協調能力具有積極作用。

2.2 基于多感官傳感技術雙側協調訓練

2016年，Ningbo等[15]設計一款雙側上肢協調訓練系統。見圖1，該系統基于開源平臺框架CHAI3D觸覺引擎，將Leap Motion手勢傳感器與具有力反饋能力的Omega.7觸覺傳感器結合，設計了涉及視覺、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，進行雙手的協調訓練治療。其中Leap Motion 運動手勢傳感器采集健康手的運動數據，患側手根據設計的協作任務范例，通過Omega.7力反饋設備采集運動數據，數據流通過USB連接進入主機。該系統的虛擬訓練任務是健康的左手發揮支持作用，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，將其平穩放置在相應的目標位置。該任務對屈曲、伸展、腕關節橈尺偏移和前臂前仰等動作進行重復練習。Ningbo等成功地對八名健康受試者進行了初步實驗，雙手協調動作的配合度顯著提高，顯示了該系統在家庭或臨床機構進行康復訓練和評估的技術可行性。

大量臨床證據[16-18]表明，虛擬現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，縮短患者的康復時間。上述三種訓練系統均由傳感器獲取患者上肢及手指運動的位置，配合上肢協調訓練動作設計虛擬場景，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，無法實現患者的個性化訓練。

圖1雙側協調訓練系統

Fig.1Bilateral coordination training system

3 單側肢體內協調訓練

近年來對上肢協調障礙患者引入單側肢體內部協調訓練康復方法，單側訓練增強單側肢體內部多個關節的協調性。當進行伸展、抓握等活動時，肌肉能夠更好的運動分離。研究發現，使用機器人輔助訓練和肌電生物反饋療法進行肢體內部的協調訓練，極大地促進了患者上肢協調障礙功能的恢復。

3.1 基于圖像投影技術單側協調訓練

2013年，Liu等[19]設計開發了一種基于圖像投影的桌面手臂訓練器(IDAT)。該設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。投影儀顯示操作區域，傳感器測量距離數據。該訓練器開發了三種訓練游戲，包括打鼴鼠、破氣球和抓魚，通過訓練患者的手眼協調來維持和改善患者的上肢運動協調功能。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，使患者可以直接用手操作IDAT。與傳統療法相比，IDAT可以定制訓練任務，為患者進行枯燥的康復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為上肢康復開辟了一條新的途徑。

3.2 基于復合技術康復機器人單側協調訓練

2013年，Hu等[20]研制了一種用于腦卒中后肌肉協調康復訓練的手部機器人。手部機器人由肌電圖驅動，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。其中橫向手指伸展抓握指將一個海綿從桌子一側a點水平移動50 cm到另一側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。肌電信號可以監測單個肌肉的活動和肌肉之間的協調模式，任務期間肌電信號達到一定閾值觸發電機運動，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時，兩塊肌肉能夠更好地分離。結果表明，與肌電信號驅動的手部機器人相結合的上肢訓練可以改善拮抗手指肌肉對，即屈肌和伸肌的協調。

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]開發的運動協同控制器，對其設計特定的關節協調模式。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，在關節間速度相關的擾動力場的作用下，執行指點和跟蹤任務。研究發現，當受試者專注于完成任務時，他們關節間的協調能夠被修改，并可以學習特定的關節間協調。這為機器人輔助治療上肢協調功能障礙提供依據。但人體關節運動學非常復雜，并不能被傳統的機器人關節完美的模仿，對于協調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單側協調訓練

2017年，Rong等[23]開發了神經肌肉電刺激和機器人混合系統用于上肢的多關節協調康復訓練。見圖2，該系統為可穿戴設備，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固定在相應的關節，對皮膚施加的壓力進行自適應控制。該系統可以支持一系列肢體運動，包括肘關節伸展、肘關節屈曲、腕關節伸展、腕關節屈曲，目的是模擬手臂各個關節協調地進行伸展、抓握、屈曲等日常活動。四通道神經肌肉電刺激分別應用于肱二頭肌、肱三頭肌、橈側曲腕肌、尺側腕伸肌和指伸肌。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電刺激。通過對十一名上肢協調障礙患者進行試驗，結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，表明了神經肌肉電刺激和機器人與多關節協調運動的聯合治療可以有效改善肘部、手腕和手指之間的肌肉協調性。

圖2 神經肌肉電刺激和機器人混合系統

大量臨床研究證明[24-26]，生物反饋療法聯合常規康復治療，可調節神經興奮性，促進肌肉節奏性收縮，增強局部肌肉血液循環，明顯改善協調障礙患者的運動協調功能，提高患者的日常生活能力。上述神經肌肉和機器人混合系統較單純的機器人訓練，減少了肘部的肌肉過度及手腕相關的肌肉激活水平，并且能用于多關節的協調運動。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。為了實現穩定的功能，還需要進一步的研究。

4 結論

上肢協調訓練技術日趨成熟，傳感器技術的發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。康復機器人輔助訓練利用機器人外骨骼使肢體的多個關節進行協調，產生抓握、伸展、屈肘等運動，使產生運動的各個肌肉對的收縮時間明顯降低，協調運動能力得到提高，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肌肉進行電刺激，增強神經的興奮性，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。

虛擬現實技術飛速發展，越來越多的應用于康復領域。針對上肢協調功能障礙，采用虛擬現實技術進行上肢協調訓練無需專業醫師指導，減少了醫護人員及家庭的負擔，還可以進行遠程治療。虛擬現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協調訓練又有雙側協調訓練的方案，使訓練方式多樣化。相信不久的將來，虛擬現實技術會在上肢協調功能康復領域得到進一步的發展。