智能牵伸及其在踝部痉挛和挛缩中的应用①

邱纪方，徐聪琴，邵梦鸣，王潇珺，徐蔚，赖珊珊，周容之，周访华，潘华舫，赵秋华，钱志勇，祁欣，卢金，宋建飞

智能牵伸及其在踝部痉挛和挛缩中的应用①

邱纪方，徐聪琴，邵梦鸣，王潇珺，徐蔚，赖珊珊，周容之，周访华，潘华舫，赵秋华，钱志勇，祁欣，卢金，宋建飞

神经功能受损，如脑卒中、脑瘫等可以引起踝部痉挛/挛缩。治疗师的牵拉费力、费时，且依赖其主观 “终末感觉”。智能牵伸可以安全牵伸踝关节至极限位置，并能定量控制阻力矩和拉伸速度。此外，它能够满足定量和客观测量功能损害和康复效果的需要。本文介绍了智能牵伸的由来和定义，原理与优缺点以及它在脑瘫和脑卒中患者踝部痉挛/挛缩中的应用。

痉挛；挛缩；智能牵伸；综述

[本文著录格式]邱纪方，徐聪琴，邵梦鸣，等.智能牵伸及其在踝部痉挛和挛缩中的应用[J].中国康复理论与实践,2015,21 (12):1420-1424.

CITED AS:Qiu JF,Xu CQ,Shao MM,etal.Intelligent stretching and its application in spasticity and contracture of ankle joint(review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2015,21(12):1420-1424.

1　智能牵伸的由来和定义

神经功能受损是挛缩和痉挛导致残疾的根本原因，这些病因包括脑卒中和脑瘫等[1-2]。肌肉张力过高和反射过度兴奋干扰残存功能的发挥，阻碍运动并可能引起严重的疼痛。缺乏运动和长期痉挛可以伴发肌肉纤维和结缔组织的结构变化，这会导致关节活动度(range ofmotion,ROM)的减小，并导致临床挛缩[3-4]。神经功能受损的患者非常需要有规律地治疗和运动关节以有效减少痉挛或挛缩。

处理这些病理状况在医疗康复领域一直是一项挑战。物理治疗非常重要，它能有效治疗关节活动受限、痉挛和挛缩[5-8]。物理治疗师对神经功能受损患者使用物理因子、功能训练、运动和手法操作等手段，目的是减少痉挛和挛缩的发生，并恢复运动功能。然而，其效果可能不能持久，部分原因是由于患者接受的治疗强度不够大，频次不够多。此外，对于治疗师来说，在物理疗法中使用人工牵伸费力费时，并且其结果是依赖于治疗师的经验和主观 “终末感觉”。

一直以来，许多装置已得到研发，这些设备能活动关节和减少关节痉挛/挛缩。例如，系列石膏固定患肢在矫正位置以此来纠正并防止踝关节跖屈或背屈挛缩[7,9]。结合支具及人工牵伸通常是更有效的治疗，用于纠正踝背屈/跖屈挛缩[7]。动态夹板和牵伸系统是通过一个可调弹簧装置[10]对受累关节施加持续的牵伸。持续被动运动(continous passivemotion,CPM)装置用于防止术后粘连，减少关节僵硬，在诊所和患者的家庭被广泛使用；然而，一直以来在治疗关节痉挛方面不常用到，部分原因是安全方面的考虑[11-12]。先进的机器人辅助装置已具有定量评估手臂损伤并在手臂的功能范围内协助引导患者的手到达目标来增强脑损伤后的神经康复[13-14]。现有装置像CPM机在两个预置关节位置之间以恒定速度移动肢体。当设定在ROM的容易弯曲的部分时，被动运动通常不会牵伸到有显著挛缩/痉挛的极限位置。另一方面，CPM机能控制关节位置或速率，但无法控制软组织所产生的阻力矩，调整若过于激进可能有造成关节软组织损伤的风险。因此，现在需要一种装置，可以安全牵伸关节至极限位置，并能定量控制阻力矩和拉伸速度，还能够满足定量和客观测量功能损害和康复效果的强烈需要[13-15]，这实际上就是智能牵伸的含义所在。

2　踝关节智能牵伸装置的工作的原理

美国西北大学芝加哥康复研究所的Zhang等开发了踝关节智能牵伸装置(见图1)，用于治疗因神经功能受损后踝关节痉挛/挛缩的患者[16]。

图1的实验装置用于牵伸踝关节和评估治疗效果。座位可在4个自由度上进行调整，以便在选定的膝关节屈曲位置使踝关节屈曲轴与电机轴对齐。使用安全螺栓作为机械制动以限制牵伸时电机的运动范围及扰动。采用高级数字信号处理器(digital signal processor,DSP)控制电机速率、力矩和位置。该DSP控制器在2000 Hz检查关节位置及转矩信号，如果超出预先设定的范围，系统将会关闭。转矩限制电子屏及位置限制电子屏分别指示在牵伸运动过程是否达到阻力力矩或角度界限(安全限制)。六轴力量感受器安装在电动机轴和脚附件之间，夹紧足部和模具并绑在附件上，可做适当调整，腿部绑在腿支撑件上，膝关节屈曲度60°，膝关节屈曲可通过调节座椅及腿部支撑件进行调整，大腿和躯干分别绑在座位和靠背上，髋关节屈曲85°以内。

2.1实验装置

受试者的躯干和大腿分别绑在靠背和座位上。将小腿绑在腿部支撑件上，支撑件可以调节，以得到不同的屈膝角度。脚在足背固定件和后跟踏板间夹紧，进而通过一个六轴力量感受器固定在电动机轴上，测量踝关节力矩。在4个自由度上调节并锁定该座椅，踏板可以在脚趾-脚跟、内侧-外侧、上-下方向进行调节，以使脚踝屈伸轴与电机轴对准。定制的指示器用于对准(见图1中的插图)，指示器的弧度与凸缘相匹配，在凸缘上面安装有力传感器。长针设计成与圆弧的中心对准，它可以沿其长轴滑动。首先，在足踝放置在踏板中前，长针被用来在踝关节外侧垫上做标记，在足踝定位于踏板中后，长针与踝关节屈曲轴对准。

2.2牵伸的控制

牵伸装置由DSP控制器(图1)通过一个伺服电机驱动控制。由DSP控制器实现速率回路控制，读取关节位置和阻力矩并控制相应的牵伸速率。牵伸速率与上述阻力矩成反比，以此来控制牵伸速率。接近ROM的末端时，阻力增大逐渐减慢电机，相应的肌肉肌腱得到缓慢和安全的牵伸。一旦达到特定的峰值阻力力矩时，电机维持关节在极限位置一段时间(例如10 s，通常是物理治疗师的做法)，维持时间的调整很方便。在中间ROM中的阻力通常较低，电机以更高速度牵伸松弛的肌肉。当然，如果中间的阻力高，牵伸将相应减慢。作为安全的预防措施，位置限制是由操作人员设置，并由DSP控制器进行监测。DSP控制器以每秒2000次检查关节位置和力矩信号，如果超出他们预先确定的范围将会关闭系统，也可使用机械和电子阻扰装置限制运动范围。此外，操作者和受试者各自都有一个关闭开关，任何一方均可通过按下开关关闭电机。

图1　智能牵伸装置

3　该技术的优势与不足

该装置可在全范围ROM内安全地牵伸踝关节，牵伸到背屈和跖屈末端，直到达到特定峰值阻力矩为止，根据阻力矩控制牵伸的速率。踝关节在末端位置维持一段时间使得应力松弛发生，然后再让它旋转到另一个末端位置。在关节终末端牵伸是缓慢的，这样就可以安全地达到一个较大的ROM，而在ROM中间的牵伸是快速的，以便将大多数治疗用在牵伸终末端的ROM问题上。此外，该装置在多个方面定量评估治疗结局，包括主动和被动的ROM、关节僵硬程度和黏滞阻尼以及反射兴奋性。牵伸引起关节在被动的ROM、僵硬程度、黏滞阻尼以及反射兴奋等方面相当大的变化。该装置为智能控制且设计简单，经适当的简化后，该装置做成了便携式，降低了成本，这样患者和治疗师可在诊所/家中经常使用，并能使治疗更为有效，功能得到持久的改善[16]。另外，重复性好[17]，在整个过程中，可以对牵伸和疼痛表现出耐受，但并不会影响以上结果，使得ROM和力量的测量比人工测量定量更为精确[18]。

评估患者训练后康复的进度是整个康复过程中非常重要的环节。该装置所设置软件的临床评估功能能够简单有效地对关节运动功能进行定量的评定[19]；帮助治疗师掌握使用者的肌张力、ROM、背屈肌和跖屈肌肌力、肢体关节运动的范围变化。另外，新研制的牵伸装置还有游戏功能[19-20]，其生物反馈效应以及运动强化效应得以显现[19-25]。每次使用踝关节牵伸装置前应先做一次临床评估，一方面为游戏提供运动范围参数，另一方面为训练后评估提供对比。能被动拉伸是其独有的功能，为每一位患者提供定制拉伸参数的被动拉伸功能。根据患者不同的情况，如关节僵硬度、ROM和肌张力等，针对局部肌肉挛缩或痉挛，实施智能和安全的牵拉。可有效降低物理治疗师的工作强度，有效降低患者的肌张力，改善拉伸肌肉强度，增大ROM。训练器强调训练运动与认知、感知相结合，为其提供综合训练环境。因此踝关节牵伸训练装置提供了丰富有趣的游戏功能。在游戏中，踝关节背屈方向转动和跖屈方向转动可以移动控制器，如飞行器、网球、卡通人物或动物等，以完成各种任务。游戏又分辅助模式和阻力模式，适合不同康复阶段以及各年龄段的用户，成为踝关节康复训练不可缺少的环节。训练前的踝关节评估为游戏模式的选择、参数的设置和训练时长等训练计划提供了依据[26]。除了上述智能牵伸装置在踝关节中应用外，已有在其他关节如膝关节应用的研究[27]。

价格是普遍使用的一个限制因素，踝关节智能牵伸装置已经有成品在美国等上市，我国尚未上市，估计定价在38～55万元。

4　在脑瘫儿童下肢功能障碍中的应用

脑瘫患儿功能受限程度与踝关节功能受损密切相关，被动牵拉常常用来增加受损踝关节的ROM。改善运动控制也是物理治疗的一个重点。然而，尚缺乏方便、有效的定量方法来控制被动牵伸和促进主动运动锻炼。Wu等为了解应用便携式机器人进行智能被动牵拉结合主动训练对脑瘫儿童下肢功能障碍的康复疗效，有12例轻度到中度痉挛的脑瘫儿童参与了机器人康复训练，每周训练3次持续6周。每次训练先做20m in被动牵伸，然后做30m in主动运动，结束时再做10m in被动牵伸。测量训练前后的被动ROM、主动ROM、背屈肌和跖屈肌的肌力，下肢选择性控制测量、功能结局测量包括儿童平衡量表及6min步行测试。结果发现受试者的背屈被动ROM增加(P=0.02)，背屈主动ROM增加(P=0.02)，跖屈肌力量增强(P= 0.01)，踝部肌肉痉挛减轻(P=0.01)，选择性主动控制能力改善(P=0.005)；在功能上，被试者的平衡功能改善(P=0.0025)，6 m in步行距离增加(P=0.025)[19]。根据以上初步研究结果，Wu等认为基于机器人的智能被动牵伸结合主动运动训练是脑瘫儿童下肢功能障碍康复训练的一种有效方法，可以改善关节生物力学性能、运动控制能力、平衡和移动等功能性活动能力。

脑瘫患儿的小腿肌肉和跟腱的生物力学性能存在相当大的变化，从而导致儿童残疾，目前尚不清楚肌筋膜和肌腱如何对康复做出反应，及其改善踝关节性能的机制。

Zhao等对脑瘫患儿被动牵伸和主动运动训练引起的小腿肌肌腱生物力学特性的改变进行研究，研究对象为7例脑瘫患儿，在治疗前和使用智能牵伸设备被动牵伸和主动运动训练6周后，通过超声波结合生物力学测量对腓肠肌和比目鱼肌这两块肌肉的生物力学特性，包括肌束长度和羽状夹角进行评估。腓肠肌和比目鱼肌的被动张力贡献通过屈伸膝关节位置而分离出来，通过肌束的张力-长度关系计算肌束的刚度。同时评估跟腱的生物力学特性，包括静息长度、横截面积和刚度。6周的被动牵伸和训练引起肌束延长(比目鱼肌8%,P=0.018，腓肠肌3%,P=0.018)，羽状夹角减小(比目鱼肌10%,P=0.028，腓肠肌5%,P=0.028)，肌束刚度减轻(比目鱼肌17%,P=0.028，腓肠肌21%,P=0.018)，肌腱长度缩短(6%,P=0.018)，跟腱刚度增强(32%,P=0.018)，杨氏模量增加(20%,P=0.018)[28]。

有关体内小腿肌肉和跟腱力学特性的这些研究结果有助于学界更好地理解治疗引起的小腿肌肌腱的改变并促进研发更有效的治疗手段。Gao等对12例脑瘫儿童的腓肠肌内侧头结构，包括不同肌束长度、羽状夹角、膝关节位置的结构进行B超探测，跟腱的长度与横截面积也做了测量，并与11名发育良好的儿童比较，结果发现两组儿童的肌束长度、羽状夹角、跟腱长度与截面积随踝关节和膝关节位置而变化，与对照组比较，脑瘫儿童整个测试的踝关节ROM中肌束较短(P≤0.003)，跟腱较长(P=0.001)，跟腱截面积较小(P=0.003)。Gao等认为跟腱特性的改变可能是对腓肠肌肌束缩短和僵硬的适应结果，从而影响肌群的性能[29]。更好地了解脑瘫儿童腓肠肌肌束与跟腱间的相互影响有助于更加有效地治疗其病理变化。

Chen等使用便携式智能康复设备在家中对23例脑瘫儿童的踝关节功能障碍进行6周18次的远程辅助智能牵伸与主动运动训练，发现其生物力学测量以及临床结局测量指标改善，踝关节的被动与主动ROM增加，痉挛程度下降，下肢平衡与选择性控制能力增加[20]。

5　在脑卒中患者下肢功能障碍中的应用

Zhang等研发了智能化控制牵伸装置[16]。参与研究的有4例脑卒中患者，平均年龄(53.2±7.9)岁，有踝关节挛缩及/或痉挛，他们首次脑卒中发生在(9.1±5.1)年前。另外，5名无神经系统疾病和神经肌肉损伤既往史的健康受试者也接受该装置测试，平均(36.8±12.8)岁。所有脑卒中患者及健康者均为男性。脑卒中患者Ashworth量表(0～4)和深腱反射量表(0～4)评分分别为(2.1±1.0)和(2.9±0.3)。这项研究是经美国西北大学的机构审查委员会批准，实验前所有受试者均签署知情同意书，使用定制的关节牵伸装置进行牵伸及结果评价，牵伸装置由数字信号处理控制器控制牵伸，牵伸装置不仅用于治疗关节痉挛/挛缩，还能定量评估牵伸引起的关节生物力学特性变化。最后还要评估由牵伸引起的反射变化。反射性定量评估是用一个叩诊锤对跟腱进行时间间隔为3 s的敲击，并测量反射介导肌电图、关节力矩反应。肌腱敲击力度作为系统输入，反射力矩和小腿三头肌电信号作为系统输出，根据记录信号确定该动态输入输出关系及脉冲响应。结果发现该装置可以安全地牵伸踝关节痉挛和/或挛缩，并有效地减轻整个踝关节ROM痉挛和/或挛缩，同时在多个方面定量地评估脑卒中患者踝关节痉挛/挛缩治疗效果进展，包括主动和被动ROM、关节僵硬、关节黏滞阻尼和腱反射兴奋性。

Zhang等提出一种有用的方法来治疗脑卒中患者痉挛/挛缩的踝关节，并在多个方面评估治疗结果[16]。与现有的治疗方法不同，牵伸装置能智能控制，根据所述运动史和肌肉与软组织产生的阻力来调整牵伸速率。因此，它能有力且安全地牵伸踝关节到其极限位置，在这个位置上的痉挛和挛缩最显著，这样治疗更为有效。此外，对几个方面的治疗结局进行评估，包括主动和被动ROM、关节僵硬、黏滞阻尼及反射兴奋性等。样本中通过智能牵伸痉挛患者引起了相当大的改善，智能化、有力的牵伸能减少脑卒中患者痉挛踝关节的僵硬程度和黏滞性。整个背屈肌和跖屈肌收缩的范围内僵硬程度降低大致相同，僵硬肌肉力矩曲线垂直向下移位。这意味着该类牵伸治疗能松动踝关节，减小其被动僵硬程度，当受试者主动收缩背屈或跖屈肌肌肉时，被动的僵硬程度仍然处于降低状态。

另一方面，它提示牵伸后关节僵硬程度和主动肌肉收缩之间的关系保持不变，受试者通过收缩肌肉来调整关节僵硬程度的能力仍不变。同样，观察到关节黏滞度-肌肉力矩曲线向下移位，表明牵伸治疗降低了被动黏滞度而主动黏滞度-肌肉力矩关系保持不变。

牵伸治疗后反射介导的关节力矩反应显著减少。值得注意的是，比目鱼肌的肌电图反射反应保持在同一水平，说明反射介导的力矩变化很可能是由于肌肉肌腱松弛，而不是神经学通路的兴奋性改变。此外，反射力矩反应的减少可能是由于肌梭刺激减少引起，因为牵伸治疗后肌腱肌肉松弛，对肌梭牵伸的力量将减少。另一方面，可以通过降低肌肉产生力矩能力造成力矩减小，表明牵伸治疗后由于肌肉肌腱单元松弛，相同量的肌肉收缩将产生较小的力矩，换句话说，牵伸治疗后需要收缩更多的肌肉方能克服肌肉和肌腱松弛带来的影响。

Gao等调查脑卒中患者踝关节水平与肌束水平的变化及其与踝部痉挛、挛缩和/或肌无力之间的关系，发现脑卒中患者肌束水平改变，如肌束长度减少，肌束羽状夹角减小，腓肠肌内侧头肌束僵硬，并与踝关节水平僵硬程度增高和ROM下降相关(P＜0.05)[30]。这类专门的肌束改变成为痉挛、挛缩和关节水平病损的机制，了解这类机制有助于寻找改善脑卒中患者康复预后的方法。为了调查脑卒中患者通过可控的主动和被动牵伸小腿肌肉肌腱单元引起的生物力学特性的变化，Gao等对10例踝关节痉挛/挛缩的脑卒中患者和10名健康对照受试者进行60m in踝关节牵伸干预[31]，干预前后评价关节生物力学特性，包括阻力矩、刚度和滞后的指数，利用超声测量跟腱长度，小腿三头肌的力输出是通过力矩-角度关系的分型，在不同的踝关节位置控制力度刺激小腿肌肉。结果发现相比健康对照者，脑卒中患者足踝的峰力矩被移向跖屈位(P=0.001)，脑卒中患者明显表现出更高阻力矩和关节僵硬(P=0.05)，并且这些更高阻力在牵伸干预后显著降低，尤其是在背屈位(P=0.013)。牵伸明显改善脑卒中患者受损小腿肌肉在匹配的刺激下的力输出(P= 0.05)，增加脚踝的运动范围(P=0.001)。Gao等认为在关节水平，反复牵伸放松踝关节，增加被动ROM，减少关节僵硬；在肌腱水平，反复牵伸小腿肌肉改善力量输出，这可能与肌束僵硬减少、肌束增长和跟腱缩短有关。Zhao等在偏瘫患者中进行了类似的研究[32]，Gao等与Zhao等的研究提供了通过牵伸干预改善肌腱性能的证据。

Waldman等探讨使用便携式康复机器人进行可控被动牵伸和主动运动训练对脑卒中患者踝关节运动障碍及移动障碍的作用[26]。24例病程＞3个月的脑卒中患者在实验室内使用便携式机器人训练6周(机器人组)或在家里按制定的训练计划训练(对照组)，所有患者均在实验室行临床和生物力学评价的预评价、后评价，并予6周随访。采用改良Ashworth量表评价痉挛程度，脑卒中康复运动功能评定(STREAM)评价移动能力，Berg平衡量表评价平衡功能，以及评价患足背屈被动ROM、背屈肌力和行走时患肢的负重，结果发现6周训练结束后机器人组这些指标的改善明显高于对照组。随访评价显示，两组在脑卒中康复运动功能评定、背屈主动ROM和背屈肌力都有提高。Waldman等认为机器人辅助的智能被动牵伸和主动运动训练能有效改善脑卒中后的运动功能和移动能力。Forrester等[33-34]进行了类似的研究，得到与Waldman相似的结果。

总之，现有的文献资料显示这种新的牵伸法——智能牵伸治疗在理念上以及应用中都是一种革新，能改善脑瘫和脑卒中患者下肢踝关节痉挛和(或)挛缩的程度，并由此带来运动功能和移动能力的改善，在康复医学领域将会有较好的应用前景。

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Intelligent Stretching and ItsApplication in Spasticity and Contracture of Ank le Joint(review)

QIU Ji-fang,XU Cong-qin,SHAO Meng-ming,WANG Xiao-jun,XUWei,LAIShan-shan,ZHOU Rong-zhi,ZHOU Fang-hua,PANHua-fang,ZHAOQiu-hua,QIAN Zhi-yong,QIXin,LU Jin,SONG Jian-fei
Zhejiang Provincial Rehabilitation Guidance Center for Disabled Person,Zhejiang Ci'ai Rehabilitation Hospital, Hangzhou,Zhejiang 310012,China

Contracture and spasticity of ankle jointsweremajor sources of disability in neurological impairment including stroke and cerebral palsy,etc.Themanual stretching used in physical therapym ightbe laborious and time-consum ing to the therapists and the outcome was dependenton the experience and the subjective"end feeling"of the therapists.A devicewas developed that could safely stretch the ankle joint to its extreme positions with quantitative control of the resistance torque and stretching velocity.Furthermore,it could satisfy a strong need for quantitative and objectivemeasures of the impairment and rehabilitation outcome.This was just themeaning intelligent stretching referred to.Thisarticle described theorigin of the conceptof intelligentstretching and its definition,operational principle,and superiority and weakness,aswellas itsapplication in ankle jointspasticity and contracture in patientswith stroke and cerebralpalsy.

spasticity;contracture;intelligentstretching;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2015.12.011

R684

A

1006-9771(2015)12-1420-05

浙江省下肢功能障碍人群康复训练的研究项目(No.zkzxky201501)。

浙江省残疾人康复指导中心(浙江慈爱康复医院)，浙江杭州市310012。作者简介：邱纪方(1964-)，男，汉族，浙江湖州市人，硕士，主任医师，主要研究方向：神经康复与骨关节康复。

2015-06-23

2015-09-28)