基于运动想象的手部机器人辅助训练对脑卒中患者上肢运动功能的疗效

侯莹，高琳，陈苗苗，张茹椒，王庆娟

苏州工业园区星海医院康复科，江苏苏州市215021

我国每年有超过250万例新发脑卒中患者，55%～75%会遗留肢体功能障碍，其中上肢功能障碍约占80%[1]。上肢功能障碍对患者生活影响较大，患者日常生活能力及生活质量更低[2]，更易出现焦虑状态[3]。然而，上肢及手的功能却难以恢复。脑卒中后，15%患者手功能可以恢复到原功能50%以上，不足3%患者手功能可以恢复到原功能70%以上[4]。这是由于一方面手在大脑皮质的投射区域较大，占运动皮质的54%；另一方面，手及手指的精细操作和协调配合复杂[5]。传统的手功能康复，如冷疗、电刺激、运动疗法和作业疗法，以及中医康复等，不仅耗费较多人力，康复过程单调乏味，缺少调动患者主动参与的刺激与反馈，而且缺乏大脑运动神经系统主动参与，康复效果不够理想[6]。

运动想象是指为了提高运动功能而在内心反复模拟排练运动活动，它没有明显运动输出，但仍会带来和运动类似的生理影响，并根据运动记忆在大脑中的定位激活某一脑区[7]。基于运动想象的训练方法让患者中枢神经系统直接参与训练，刺激神经功能恢复，激发脑神经网络重塑。

机器人技术利用运动想象的原理，强调运动过程中大脑对运动的控制，通过患者存在的视觉认知功能，提高运动认知和运动表达[8]。目前，手部机器人已逐渐成为一种安全、经济、简便的康复治疗手段，对偏瘫患者肢体功能的恢复具有重要意义[9]。何斌等[10]应用Armeo Spring 上肢康复辅助系统对脑卒中患者偏瘫上肢功能进行训练，能有效提高患侧上肢功能。本研究验证使用我国自主研发的手部机器人对手和上肢功能的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2016 年11 月至2018 年5 月本院康复科住院偏瘫患者55 例，符合1995 年中华医学会第四届全国脑血管疾病会议制定的脑卒中诊断标准[11]，并经头颅CT或MRI确诊。

纳入标准：①年龄18～80 岁；②病程≥3 个月；③偏瘫侧上肢近端肌力≥Ⅱ级，肌力测试过程中未诱发出明显痉挛、动态张力及躯干或其他身体部位的代偿动作；④患侧上肢肌张力改良Ashworth 量表评定≤Ⅱ级[12]；⑤简易精神状态检查评分≥24 分[13]；⑥病情稳定，依从性好；⑦签署知情同意书。

排除标准：①患有严重高血压或心肺等全身性疾病；②严重的关节疼痛；③视力、听力及理解严重障碍；④严重癫痫病史。

脱落标准：在临床试验过程中，由于各种原因不能完成规定流程而提前退出，如不良反应、疗效缺乏、患者主动退出等。

纳入的患者随机数字表法分为对照组(n=25)和观察组(n=30)。两组间性别、年龄、病程、病变性质均无显著性差异(P ＞0.05)。见表1。

本研究经苏州工业园区星海医院伦理委员会批准。

1.2 方法

两组患者均予常规治疗和康复，观察组增加手部机器人辅助训练，对照组则增加常规手功能训练。

1.2.1 常规治疗和康复

患者根据病情接受相同的营养神经、改善循环等药物治疗。对于存在的并发症，如2 型糖尿病、高血压病、高脂血症、冠心病、肺心病等，予降糖、降压、调脂、改善心肺功能等治疗。

根据具体情况行脑卒中常规康复，包括物理治疗和作业治疗，采用一对一方式。物理治疗包括良肢位摆放、牵伸训练、躯干及四肢肌群肌力训练、平衡及协调训练、站立及步行训练等；作业治疗包括日常生活能力训练，上肢滚桶、套圈、磨砂板、够物、抓握训练等。从简单到复杂、从单轴到多轴、从单关节到多关节，治疗量以第2 天不疲劳和疼痛为度。每天1.5 h，每周5 d，共连续4周。

1.2.2 常规手功能训练

对照组由患手独立或非患手辅助完成手功能训练，训练动作均需腕、手参与，包括侧捏、对指捏、插件、手指背伸及外展、腕部各向运动。训练难度、强度循序渐进。每天20 min，每周5 d，共4 周。

表1 两组一般资料比较

1.2.3 手部机器人辅助训练

采用SPT-GI型手功能训练仪(西安交通大学研发，苏州苏比特医疗科技有限公司生产)。治疗前向患者说明治疗情况，使患者学会运动想象与实际器械操作相结合，并根据训练计划调整前臂支撑结构旋转角度，将患者前臂和手固定于机器人中；进入评估界面，对患者上肢各关节、各方向活动度及手部抓握力量进行评估；依据评估结果选择训练空间维度，有虚拟的1～3 维空间可供选择；选择游戏项目，有捕蝴蝶、射击气球等。例如捕蝴蝶游戏在虚拟二维空间进行，患者通过手指关节屈伸控制精灵的上下位置，捕捉从屏幕左侧向右侧飞动的蝴蝶。训练难度、强度由易到难，循序渐进。训练过程中注意避免过度用力或错误用力而出现痉挛和代偿运动，仅患侧上肢按指定要求进行活动。每天20 min，每周5 d，共4周。

1.3 评定方法

1.3.1 Fugl-Meyer 评定量表上肢部分(Fugl-Meyer Assessment-Upper Extremity,FMA-UE)[14]

共33个项目，每项的评分0～2 分，分值越高代表功能越好。

1.3.2 Wolf 上肢运动功能评价量表(Wolf Motor Function Test,WMFT)[15]

共15 个项目，每项评分0～5 分。受试上肢未尝试参与评定，未产生任何动作为0 分；试图参与测试，但未产生任何功能性动作为1分。在单侧动作测试中，若受试上肢需依靠未受试上肢辅助完成评定或患者在2 min 内不能完成任务，则停止该项评定，功能评分计为1 min，作业时间计为120 s；受试上肢参与评定并完成任务，但需要小范围调整或变换位置，或需要2 次尝试才能完成任务为2 分。在双侧任务中，受试上肢功能损害非常严重，只能作为辅助为2 分；受试上肢参与测试并完成任务，但动作受协同运动影响，或动作完成费时费力为3 分；受试上肢参与评定并完成任务，动作接近正常，但完成速度较健侧慢，或缺乏精准、协调和流畅为4 分；受试上肢参与测试并完成任务，与健侧相比动作无异常为5 分。总分75分。

1.3.3 改 良Barthel 指数(modified Barthel Index, MBI)评定[16]

共10项，每项评分1～5 分。评分越高代表独立能力程度越高。

于治疗前(t0)、治疗1 周后(t1)、疗程结束后即刻(t2)、疗程结束后2 个月(t3)分别对两组患者进行评定。

1.4 统计学分析

采用SPSS 22.0 软件进行统计学分析。患者年龄、病程用(xˉ±s)表示，采用t 检验。MBI 评分呈正态分布，用(xˉ±s)表示，采用t 检验。FMA-UE、WMFT评分不服从正态分布，用M(QL,QH)表示，采用Wilcoxon 检验。计数资料采用χ2检验。显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 FMA-UE

t0 时，两组FMA-UE 评分无显著性差异(P ＞0.05)。t2、t3 时，两组FMA-UE 评分增加(P ＜0.05)，观察组评分高于对照组(P ＜0.05)。见表2。

2.2 WMFT

t0 时，两组WMFT 评分无显著性差异(P ＞0.05)。t1 时，观察组WMFT 评分提高(P ＜0.05)。t2、t3时，两组WMFT评分均提高(P ＜0.05)，但两组间无显著性差异(P ＞0.05)。见表3。

2.3 MBI

t0 时，两组MBI 评分无显著性差异(P ＞0.05)。t2、t3 时，两组MBI 评分均提高(P ＜0.05)，观察组评分高于对照组(P ＜0.05)。见表4。

3 讨论

本研究显示，采用SPT-GI 型手功能训练仪进行手功能训练可有效提高偏瘫患者上肢和手功能，提高日常生活能力，临床疗效可持续到治疗结束后2 个月，且相对安全。手部机器人辅助训练，可以实现运动想象，提高运动认知能力，提高动作及行为表达，但具体机制还需要进一步研究。

运动想象训练作为激活运动网络的一种手段，适用于脑卒中的任何阶段，尤其是脑卒中早期患者明显丧失自主运动能力，使主动训练受限的情况。运动想象不依赖患者残存功能，直接通过大脑可塑性促进肢体功能恢复，被认为是偏瘫康复的重要方法之一[17]。将运动想象与脑机接口结合，实现对其实时监控、测量及反馈。

根据镜像神经元理论，镜像神经元是一类特殊的神经元，不仅在个体执行特定动作时兴奋，在个体看到或听到其他同类执行相应动作时也兴奋[18]。分布于不同脑区的所有镜像神经元构成镜像神经元系统，提供一种统一动作感知与动作执行的“观察-执行匹配机制”，在动作理解、动作模仿、运动想象及运动学习等重要的神经生理学过程中起关键作用[19]。脑损伤患者通过观察和想象动作，可以激活镜像神经元系统，从而起到恢复运动功能的目的。

基于运动想象的康复训练系统主要用于患者数据管理、训练方案设计以及提供虚拟现实场景。这一技术能够改善脑卒中患者偏瘫上肢的运动功能[20]，患者在游戏场景完成任务导向型训练时，需不断试错学习，使手指达到目标运动状态。这一过程有利于增强大脑运动皮质相关区域与肌肉活动间的交互作用，增加皮质对肌肉的控制。贾杰[21]提出的“中枢-外周-中枢”闭环康复理论论证了这一过程。

机器人技术近年取得巨大进步，手部机器人辅助手或上肢功能训练被认为是一种有效的偏瘫上肢康复方法[22]。梁天佳等[23]、刘霖等[24]、侯红等[25]都验证了手部机器人对偏瘫上肢功能康复的有效性。侯红等[25]的研究结果表明，机器人辅助训练能取得与传统作业治疗相似的疗效。Colombo 等[26]比较3 种手部机器人(BracciodiFerro、InMotion2 和MEchatronic system)对脑卒中后上肢功能的疗效，三组患者FMA-UE 评分变化值分别为9.5 分、7.3 分和7.1 分。本研究治疗前后FMA-UE变化值为8.56分。

表2 两组治疗前后FMA-UE 评分比较

表3 两组治疗前后WMFT 评分比较

表4 两组治疗前后MBI 评分比较

SPT-GI型手功能训练仪的设计优势为：①可依据患者肢体功能状态选择被动、辅助和主动训练3 种模式，在后两种模式下，机器人能够检测到肢体的主动运动意图，并视情况提供助力；②运动意图检测利用脑机接口，将运动想象脑电作为启动信号，以手部肌力作为反馈信号，以气动自适应方式分级提供补偿助力或阻力，将运动想象与机器人辅助运动训练相结合；③康复训练结构采用终端牵拉式欠驱动结构，以“握手”的方式通过牵拉手指远端，带动掌指及近端指关节活动，穿戴简单，应用空间状态法解决欠驱动式结构尺寸的优化设计问题，保证不同患者佩戴后各手指关节均有足够的活动范围，并可对各个手指进行单独运动训练。

综上所述，基于运动想象理论和脑机接口技术的手部机器人，将运动想象疗法与运动疗法相结合，对脑卒中后上肢功能有较好疗效，具有经济、安全、有效的优势，值得进一步研究。

本研究分层不足。进一步可比较不同严重程度、年龄、发病部位患者手功能恢复情况，并进行多中心、大样本及长周期观察。