上肢康復機器人對偏癱上肢運動功能和日常活動能力的影響

姜榮榮，葉正茂，陳艷，羅麗娟，方麗婷，繆萍，于瑞

隨著醫療科技發展及經濟增長，全球人口預期壽命增加，患病后死亡率下降，傷殘率增加，心腦血管疾病成為影響傷殘調整壽命年的首要原因[1-3]。腦卒中患者最常出現肢體運動功能障礙，且50%～70%的幸存者于卒中后2～4年依然存在偏癱上肢功能缺失，嚴重影響其日常生活、社會參與、職能角色和休閑活動的獨立性，給家庭和社會增加了沉重的負擔[4-5]。研究發現，為了盡量獨立地進行日常生活活動，患側上肢使用率只有健側上肢的25%，容易導致患側上肢“習得性廢用”[6]。常規治療方法對于偏癱上肢功能恢復的療效有限，為了進一步促進上肢運動功能改善，上肢康復機器人作為一種有望強化傳統康復治療的技術應用于臨床工作中[7]，本研究通過探討上肢康復機器人輔助虛擬現實技術對腦卒中患者偏癱上肢運動功能和日常活動能力的影響及其機制，為腦卒中患者提供優化的治療方案。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2017年3月～2018年9月在廣州醫科大學附屬第二醫院住院且符合以下標準的受試對象40例。納入標準：符合中華醫學會神經病學分會腦血管病學組撰寫的2014版缺血性腦卒中診斷標準[8]。經頭顱CT或MRI證實為右側大腦前循環缺血性卒中患者，年齡45～75歲，病程1～6個月。左側肢體運動功能障礙，上肢和手Brunnstrom Ⅲ～Ⅳ期，坐位平衡≥Ⅰ級，具有良好的視聽覺及認知功能(長谷川癡呆量表HDS-R評分≥30分)。入組患者均簽署知情同意書。排除標準：意識狀態不佳，有嚴重的心肺疾病或骨折未愈合、嚴重疼痛、未控制的糖尿病、高血壓等不適合運動訓練的疾病。有嚴重焦慮、抑郁表現，認知功能及視聽覺障礙不能完成試驗。家屬或患者拒絕參加試驗。脫落標準：治療過程中再發卒中或者并發其他嚴重疾病。患者不能在規定期間內完成試驗過程。患者及家屬要求終止試驗。本研究經廣州醫科大學附屬第二醫院倫理委員會審核通過(NO.2018-hs-15)。入組患者按照隨機數字分組方法分為研究組和對照組各20例。2組一般資料差異無統計學意義。見表1。

1.2 方法 2組患者均接受常規的改善微循環、抗血小板聚集等藥物治療，并根據患者的具體功能狀況施以關節松動、肌肉牽伸等運動治療技術。對照組患者接受常規作業治療，所選用的治療活動目的與研究組類似。根據患者的具體情況給予一定的輔助或阻力，以正常的運動模式引導患者的活動，使患者在活動中盡可能減少代償動作。研究中總共涉及了3種類型的活動：上肢關節活動度訓練、上肢穩定性訓練、上肢技巧性運動訓練。30min/次，1次/d，6次/周，共2周。研究組患者接受機器人輔助虛擬游戲訓練，本研究中采用的訓練儀器是上肢智能反饋訓練系統A2，患者端坐于電腦屏幕前面的配套治療椅上面，出于安全及減少代償動作的考慮，使用綁帶固定患者的軀干。調節機械手臂肩、肘關節活動裝置與患者上肢肩、肘關節分別對齊并適應患側上肢長度，使患側上肢在放松狀態下處于肩前屈90°位置。對于初次使用的患者，需要評估其肩、肘關節和前臂的活動范圍及手部抓握力量。根據評估結果選擇相應的訓練項目，系統提供一維、二維、三維空間訓練及低、中、高3個難度等級，難度主要體現在目標物大小、運動速度等方面，由低難度開始，根據患者的治療反應調節訓練難度。根據訓練目的分為3個部分：上肢關節活動度訓練、上肢穩定性訓練、上肢技巧性運動訓練。30min/次，1次/d，6次/周，共2周。

1.3 評定標準 本研究采用盲法，由1名不了解分組情況的康復治療師對所有受試對象進行治療前后運動功能和活動能力評估，另由1名治療師根據隨機分組情況選擇予以上肢康復機器人輔助虛擬現實訓練或常規作業治療。2組患者均于治療前后接受運動功能和活動能力評估。①采用Fugl-Meyer量表上肢部分(Fugl-Meyer Assessment-Upper Extremities，FMA-UE)評估上肢運動功能，33個評估亞項，總分66分，評分標準：0=完全不能活動；1=只能完成一部分活動；2=能正常執行活動，分值越高運動功能越好。②動作活動記錄量表(Motor Activity Log，MAL)(包括運動頻率和運動質量兩部分)評價日常生活活動中患側上肢和手的使用頻率及運動質量，30個評估亞項，6個等級，評分越高表示患側上肢和手的使用頻率越高、運動質量越好。③改良巴氏指數(Modified Barthel Index，MBI)評價日常生活獨立程度，量表包含大小便控制、穿衣、進食、行走等10項內容，滿分100分，分值越高獨立程度越好。④表面肌電信號(surface Electro myography，sEMG)測定：隨機選擇2組患者各10位進行sEMG測定。受試者坐在座椅上，肩前屈90°置于懸吊帶上并放松。每次測試前需按顯示屏下方歸零鍵進行壓力校準。囑患者在最大等長收縮(Maximum Isometric Voluntary Contraction，MIVC)下做屈肘動作并維持3～5s，同步記錄肱二、三頭肌的積分肌電值(integrated electromyography，iEMG)、均方根值(root mean square value，RMS)，重復測試3次，每次測試結束后間歇1min以避免肌肉疲勞。以同樣的方式記錄患者在MIVC下做伸肘動作時肱二頭肌、肱三頭肌的iEMG、RMS。分別采集2組患者治療前后患側上肢肱二頭肌、肱三頭肌sEMG。從所記錄的sEMG信號中截取受試者肌肉最大等長收縮時相對穩定的信號段(以信號幅度最大且能穩定持續2s左右為準)。

表1 2組一般資料比較

2 結果

2.1 運動功能、動作活動能力及MBI隨訪結果比較 2組治療前各項評分組間差異均無統計學意義。治療2周后，2組FMA-UE評分、MAL的運動頻率、運動質量及MBI評分均顯著高于治療前(均P<0.05)，且研究組FMA-UE、MAL運動質量評分均顯著高于對照組(均P<0.05)，2組MBI評分、MAL運動頻率組間差異無統計學意義。隨訪時，2組MBI評分均顯著高于治療2周時(均P<0.05)，且研究組顯著高于對照組(P<0.05)。其中，研究組和對照組中分別有5位和3位患者已回歸家庭，15位和17位患者繼續在社區醫院接受常規作業治療，且2組患者的轉歸百分率組間差異無統計學意義。見表2～6。

表2 2組患者治療前后FMA-UE評分比較 分， M(P25,P75)

表3 2組患者治療前后MAL運動頻率評分比較 分，M(P25,P75)

表4 2組患者治療前后MAL運動質量評分比較 分，M(P25,P75)

表5 2組患者治療前后MBI評分比較 分，M(P25,P75)

2.2 上肢sEMG的變化比較 治療前后，2組患側測得的iEMG和RMS值組內及組間比較差異均無統計學意義。見表7，8。

治療過程中，2組均未出現與治療相關的嚴重不良事件或不良反應。

表6 2組治療后及隨訪時MBI評分及轉歸百分率比較

表7 2組治療前后患側肱二、三頭肌iEMG值比較

表8 2組治療前后患側肱二、三頭肌RMS值比較

3 討論

上肢康復機器人輔助虛擬現實技術提供特定的訓練情境供患者進行運動再學習，訓練過程強調反饋對于運動控制的重要性[9]，通過提供視、聽覺反饋，患者可以獲得即時的訓練信息，從而糾正異常的運動模式，學習正確的運動控制[10]。腦卒中患者需要重新學習節段性運動控制，以提高身體運動在空間組合和時間順序上的效率，以較低的能耗達到患者的運動目標，要獲得對動作必要的控制，需要反復進行練習，以此更好地理解重新學習的動作的要領，充分體驗每一個簡單動作到每一組復雜動作的正常運動感覺和所需力度，從而較好地掌握和提高運動控制能力，促進多肌群的協調運動[11]。反復練習會反復興奮運動皮質經皮質脊髓束直接下行至脊髓前角運動神經元的錐體通路，從而在錐體外系產生自動印跡，成為自動活動的基礎[12]。

本研究證實，機器人輔助虛擬游戲訓練和常規作業治療均能改善偏癱側上肢運動功能，但是相比于后者，機器人輔助虛擬游戲訓練的療效更加顯著。考慮與以下因素有關：首先，上肢康復機器人的機械手臂模擬人類上肢的骨骼結構，具備肩、肘關節等結構，可以給予患側上肢良好的支撐，且在患者采用單關節運動完成某一項游戲任務時可以限制其他關節運動，這種限制作用可在一定程度上讓患者意識到自己異常的運動模式并進行自我調整，增加患側肢體的本體感覺輸入。其次，虛擬游戲可以提供明確的訓練目標，患者完成游戲任務的過程就是學習相關的運動技能和動作策略。ICF理念提出不能僅僅注重身體生理功能，更要強調實際表現能力。本研究采用MBI、MAL評分對患者日常生活活動能力進行評估。2周治療結束時，兩組各項活動能力評分比較提示常規作業治療和上肢康復機器人輔助虛擬游戲訓練均能提高患者的活動能力，這與Small、Sydney等的研究結果相一致，Small等[13]提出腦卒中患者運動學習并非是獲得新的技能，而是重新學習之前已習得的運動模式。Sydney等[14]研究者對腦卒中慢性期患者進行大量重復性的進食動作訓練，訓練結束之后評估患者的分類和穿衣活動能力，發現兩項活動能力均有顯著性改善，提示大量重復性運動學習可以引起技能的轉化。本研究發現，研究組對于運動質量的改善顯著優于對照組，考慮為上肢康復機器人提供不斷變化的運動任務會強迫患者使用多樣且不同的訊息處理策略，使得記憶的提取變得較容易，因此在現實生活中的動作表現也相對有序、快速且高效。這與Tulving[15]提出的理論相符，他認為執行日常生活活動多涉及復合關節、多個平面的運動，對肢體的操作能力要求更高，患者需要在面對不同的情境和變化的任務時可以使用概化的運動策略。雖然兩周治療結束時MBI評分組間差異無統計學意義，但是隨訪數據顯示研究組對腦卒中患者日常生活能力的遠期療效顯著優于對照組，考慮其原因為機器人輔助虛擬游戲訓練模擬日常生活情境，促使患者在訓練過程中發展出相應的解決問題的能力，成功的體驗有助于將習得的技能概化到日常生活中[16]。其次，日常生活能力受限于環境，不同的環境會影響患者的實際表現。此外，執行日常生活活動除了需要肩肘關節的協調運動，腕手操作也有著非常重要的作用，這就提示需要補充腕手功能性訓練改善手指操控物體的能力[17]。

本研究擬通過sEMG來探討上肢康復機器人訓練對腦卒中患者偏癱上肢功能的療效及其改善機制，但結果暫未發現iEMG、RMS值在研究組與對照組之間有統計學差異，雖然在測試過程中已經通過縮小記錄電極之間的距離來減少心電信號的干擾，采用75%的酒精對皮膚進行擦拭以降低阻抗，但是在測試過程中患者患側肢體容易出現共同運動模式，從而使記錄電極偏離平行肌纖維的位置，難以避免肌電信號串擾。由于是記錄sEMG，無法測量深層肌肉的肌電信號，容易影響數據的準確性[18]。樣本量小和治療時間短也可能是造成數據差異無統計學意義的原因。

綜上所述，上肢康復機器人輔助虛擬現實技術訓練和常規作業治療均可以改善腦卒中恢復期偏癱上肢和手運動功能和活動能力。前者能更加有效增強肌肉收縮能力，對于偏癱上肢和手的運動功能及運動質量的療效優于常規作業治療，且對日常生活活動能力有遠期療效。本研究下一步將在擴大樣本量、延長治療或隨訪時間、增加檢測肌肉數量及種類基礎上，進一步校正和完善目前得出的實驗結果。