中樞神經系統損傷偏癱手功能康復：手功能軟體鏡像康復機器人治療

和善琳 屠金康 習沖 周晨磊 沈綺媛 凌沈 吳曉瓊 陳君*

1 上海市老年醫院中心康復醫學中心 （上海 201104）

2 復旦大學附屬中山醫院康復醫學中心 （上海 200032）

內容提要： 目的：探究手功能軟體鏡像機器人對中樞神經系統損傷造成的偏癱患者手功能康復的臨床可行性。方法：納入康復醫學科中樞神經系統損傷腦卒中患者24例為觀察對象，觀察組在常規偏癱側上肢及手功能康復訓練的基礎上，增加2次/周，30min/次的手功能軟體鏡像機器人訓練。對照組增加同等時間的康復宣教。在干預前后評估患者Fugl-Meyer手運動功能評定（FMA-HAND）、九孔試驗（NHPT）、Barthel評分（BI）、健康調查量表12（SF-12）。結果：2組患者FMA-HAND、NHPT、SF-12、BI評分較治療前均明顯提高（P＜0.05）。日常生活方面的提高較對照組沒有明顯區別，其余各項較對照組有明顯區別，且有統計學意義。結論：基于人工智能的手功能軟體鏡像機器人訓練或能改善中樞神經系統損傷偏癱患者的手功能、手指靈活性、生活質量。

在過去的數十年間，全世界因中樞神經系統損傷造成的腦血管意外的發病率持續攀升，已然成為致殘率、致死率最高的疾病之一。超80%的腦卒中后幸存者出現上肢運動功能障礙，其中只有30%～40%的病例可在發病6個月后擁有中等程度的上肢靈活性。智能化是當代人類物質文明和精神文明發展的趨勢，如何讓人工智能輔助康復醫學，以幫助患者更有效地改善手功能障礙是研究者們熱議的話題之一。當前，鏡像療法配合更多不同的技術，或者更多基于鏡像療法衍生而出的智能化干預方法能否達到更好的手功能治療效果仍有待實踐。本研究著眼探索一種手功能軟體鏡像機器人的臨床療效，這是一種基于鏡像療法原理，針對腦卒中患者偏癱側手功能的機器人。該手功能軟體鏡像機器人即繼承了軟體材料帶來的舒適度，同時兼顧手指彎曲伸展的優點，通過程序實現雙側鏡像功能，以求達到更好的康復效果。本研究通過隨機對照試驗，基于鏡像衍生出的手功能軟體鏡像機器人，在手功能障礙的中樞神經系統損傷腦卒中患者中進行療效探究，并對比傳統手功能康復治療，以期為智能化技術在臨床中的應用提供更多的理論依據。

1.資料與方法

1.1 臨床資料

入選2023年6月～8月于復旦大學附屬中山醫院的康復醫學中心就醫的中樞神經系統損傷所致的腦卒中偏癱同時存在手功能障礙的患者24例，隨機軟件將其分為觀察組（12例）和對照組（12例），脫落4例后兩組終納入分別為10例。兩組受試者的一般資料可比，復旦大學附屬中山醫院倫理委員會對該研究審核并給予同意（其倫理號：B2022-502R），臨床試驗注冊號為：ChiCTR2300072181，所有受試者在干預前簽署知情同意

納入標準：中樞神經系統損傷所導致的腦卒中要與中華醫學會修訂的《2019版中國各類主要腦血管疾病的診斷要點》[1]相符合，因腦卒中偏癱導致的手功能障礙的患者，并經由MRI或CT證實；年齡18～75歲；首次發病；簡易精神意志檢查量表結果為無明顯的認知方面異常；無失語癥；上肢改良版Ashworth分級≤1+級；坐位平衡≥2級；無其他影響上肢功能的疾患，如風濕性關節炎、皮膚病等。排除標準：病前已存在腕手功能障礙；并發有嚴重心、腎等器官異常；手部開放性外傷；患急性傳染病；伴有中重度認知障礙；妊娠期；手部皮膚表面存有感染。

1.2 方法

由一位康復治療師完成所有患者相關資料的收集，包括姓名、性別、年齡等一般特征資料，中樞神經系統損傷類型（腦卒中）、病程、偏癱側、改良Ashworth分級等資料。

觀察組與對照組都接受了5周，2次/周，1h/次的傳統作業治療，主要包括：對患手主被動關節活動度訓練10min、肌力訓練10min、手功能訓練20min、日常生活功能訓練20min等。對照組額外增加每周2次，每次30min的康復宣教。

觀察組接受額外的每周2次，每次30min的手功能軟體鏡像康復機器人（型號為：SRH 225）治療。訓練方式：①取坐位，雙手分別穿戴手套，通過傳感裝置連接至主機；②選擇主從鏡像模式，調節速度和力度控件，系統實時評估患側手的活動；③啟動后，提示患者健側手完成五指或單指屈伸、拇指對指，系統提取健側手部動作信號并轉化，帶動患側手所戴數控手套做出同步動作，實現幾乎相同的鏡像動作，分別做2組，每組進行5min，間隔休息2min；④然后，完成10min的雙手同時抓握丸狀、球狀、圓柱狀物體，伸手握杯、拿球、捏起小丸等與日常生活相關的精細活動，重復15次。訓練中給予患者多重反饋。

1.3 觀察指標與判定標準

干預前后，由經培訓的康復治療師對兩組中樞神經系統損傷后腦卒中患者的手運動功能、手指的靈活性、日常生活能力及生活質量評估比較。

①Fugl-Meyer手運動功能評定[2]（Fugl-Meyer Motor Assessment-Hand，FMA-HAND）：為主要評估，具體包括肩、肘、腕、手的運動、協調性和速度等，共33項，總分66分，總分值越低表明運動功能障礙越大。②九孔小木釘板測試[3]（Nine Hole Peg Test，NHPT）：手指靈活性評估，耗時越短，手指靈活性越好。③Barthel評分[4]（Barthel Index，BI）：日常生活能力的評估，總分100分，分數越高活動能力越好。④健康調查量表12（Short Form 12，SF-12）[5]：生活質量的評估，涵蓋12大類項目，涉及生理功能、生命活力和社會功能等角度，滿分100分，得分越高表示自我感知的生命質量越高。

1.4 統計學分析

采用軟件SPSS 22.0進行數據處理。符合正態分布要求的數據統計學結果用±s表示，對兩組間比較采用配對樣本t檢驗；非正態分布的計量資料以[M（P25，P75）]表示，兩組間數據資料的對比采用秩和檢驗；選用Mann-Whitney U秩和檢驗對兩組間進行比較；計數資料的統計學分析采用χ2檢驗。以P＜0.05差異性有統計學意義。

2.結果

兩組一般資料如性別、年齡、病程、患肢側和改良Ashworth分級等數據均無顯著性差異（P＞0.05）。見表1。

表1.兩組患者一般資料比較(n=10)

干預前，兩組FMA-UE、NHPT、SF-12、BI得分的比較均無統計學上意義（P＞0.05）。當治療5周后，兩組受試者的FMA-UE、SF-12和NHPT得分均出現顯著改善（P＜0.05），其中觀察組的改善程度更為顯著（P＜0.05）。但干預后兩組間BI評分差異沒有統計學意義（P＞0.05），見表2。

表2.兩組干預前后FMA-UE,NHPT,SF-12和BI評分比較[M,(P25,P75)] (n=10,分)

3.討論

鏡像療法被證實可有效促進腦卒中患者的功能恢復。然而，由于手功能的復雜性，基于鏡像療法所衍生出的治療途徑是否能夠達到更好的手功能治療效果仍有待實踐。人工智能的運用是康復治療未來趨勢，利用人工智能技術使機器人實現鏡像治療模式為目前的手康復提供新的思路。

結果提示，經過5周的干預后，手功能軟體鏡像康復機器人可以促進中樞神經系統損傷腦卒中患者手功能改善。觀察組治療后FMA-UE、NHPT、SF-12指標均有改善，且優于對照組。治療后兩組BI指數均較前提高，但組間無差異。研究期間，所有的研究對象均沒有發生任何嚴重的不良反應，說明此干預具備一定的安全性。

現主流觀點認為，中樞神經系統損傷后運動功能的恢復涉及兩腦半球備用區域的神經重組，讓備用區域來接管受損組織區域，大腦的神經重組是治療腦卒中患者功能障礙的關鍵，而非修復損傷組織。針對手功能訓練的康復機器人在臨床上有較高的需求，需要具備更為個體化且針對性的人工智能算法。如果在康復治療過程中從視覺及操作方面優化人機交互，那么可以最大限度地提高康復療效，因此，本研究中的新型手功能機器人則將腦科學與鏡像算法結合在一起，以求達到更好的康復療效。

鏡像療法已被證實是一種有效調節中樞神經系統損傷后運動功能障礙的干預方法，在向感覺運動皮層提供視覺反饋的同時，幫助大腦重新支配患側肢體運動。在作用機制方面，Michielsen等[6]運用功能磁共振成像發現鏡像療法在因中樞神經系統損傷所致的腦卒中患者完成雙側手活動時，會利用人腦對視錯覺的解讀，來激活兩塊大腦區域，分別是自我意識相關腦區和空間意識相關腦區，從而增強患者對自己偏癱側肢體行動姿態的認知，減少患側肢體的廢用性。本試驗中手功能軟體鏡像康復機器人不是傳統鏡像康復的簡單視覺反饋，而是一種綜合了康復醫學、機器人學、生物醫學等多學科為一體的智能康復療法。其配備IMU傳感器，能夠快速捕捉健側手的每根手指在3D空間中的運動算法。其智能化原理則是使用到九軸IMU傳感器，由三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計集合而成，可以精準地采集患者手指的加速度、角速度等數據，進而通過多傳感器數據融合來解算患者活動時手指在3D空間中的形態姿勢。實時轉化并傳感至患側的被動數據手套，等同于健患側手在自主意識的驅使下做出相同的動作，完成同步的以任務為導向的練習，從而幫助患側手康復。本試驗具有一定的局限性：樣本量及干預次數較少。也未對兩組患者長期觀察隨訪評估，其遠期療效如何有待進一步探討。觀察組BI指數雖較對照組有所改善，但差異無統計學意義，可能是由于本次試驗干預位置僅限手部，而日常生活則需要用到上下肢綜合的活動，因此，在往后的研究中可以選擇更敏感的評估量表作為結局指標對手功能相關的日常生活進行評定。

相較于傳統康復醫學，智能化康復醫學未來可能逐步具備擬人類的感知力、思維力和決策力等，在各種臨床條件中，以人為中心，通過大數據的存儲處理和反饋，更為準確地作出臨床決策并付諸行動。本試驗探究的手功能軟體鏡像機器人就是將人工智能技術應用在康復醫學中，探索其在中樞神經系統損傷導致的腦卒中患者手功能治療中的療效，提高康復機器人輔助介導的訓練在人腦神經可塑性方面的應用理解，有一定的臨床應用前景。