上肢康复机器人对脑卒中患者单侧空间忽略康复影响的研究与进展

胡靖然 陈小飞 王建红 成涛 张甜甜

研究表明，约50%～70%的脑卒中患者存在认知功能障碍，与躯体功能障碍相比，认知功能障碍对于患者的日常生活能力和康复的影响更为严重[1-3]。单侧空间忽略（unilateral spatial neglect，USN）又称患侧忽略或单侧忽略，表现为对来自病灶对侧的肢体感觉、视觉、触觉等的失去反应或定位，以及倾向于病变侧的行为异常[4]。USN与对侧空间的知觉缺乏有关，往往表现为被忽略侧的感觉信息处理的缺乏以及患者向该侧运动的减少[5]。鉴于USN对脑卒中患者的生活自理能力和预后造成严重影响，针对USN的有效干预治疗手段成为目前急需解决的议题。USN的传统治疗方案包括：被动物理刺激、视扫描训练、持续的注意力训练、行为认知训练、重复经颅磁刺激以及棱镜适应等[6]。近期研究发现，作为一种全新的治疗方案，上肢康复机器人辅助训练已取得了一定的临床效果[7]。本文主要论述上肢康复机器人辅助治疗系统以及其对脑卒中患者单侧空间忽略康复影响的研究进展。

一、上肢康复机器人

（一）上肢康复机器人的发展

随着1991年世界首台上肢康复机器人训练系统MITManus的问世，30年来，该训练系统的发展从结构上经历了3个阶段：（1）本地康复医疗训练机器人系统：该阶段训练系统将康复训练过程的呈现更为数据化、客观化，具有代表性的包括镜像运动使能器 （mirror-image motion enabler，MIME）、RM-Guide机器人和ARMin机器人等；（2）远程康复医疗训练机器人系统：在该阶段，医生通过远程计算机系统，指导患者出院后在家庭或社区进行康复训练，与此同时，医生通过网络发布指令信息，遥控或监控患者的训练过程，并加以指导；（3）基于虚拟环境的康复医疗训练机器人系统：借助于训练系统与网络相结合，患者身临其境地参与到一些有针对性的有助于功能改善的游戏中，提高自身的主观能动性[5]。

（二）上肢康复机器人的训练模式与类型

上肢康复机器人主要分为主动运动、辅助运动、被动运动和抗阻运动4种训练模式：（1）主动运动模式：机器人仅作为检测终端，不提供力的支持；（2）辅助运动与被动运动训练模式：患者通过该系统得到部分或完全力的辅助；（3）抗阻运动模式：该系统可为患者提供阻力训练，加强其功能恢复。医生通过观察患者的恢复状况，制订个性化的治疗方案，选择合理的训练模式[6-7]。

上肢康复机器人可以根据其机械结构、驱动关节的数量和类型、驱动原理和安装位置进行分类。根据机械结构可分为基于末端执行器的机器人（end-effector，EE）及外骨骼式机器人（exoskeleton，Exo）。EE不会影响人类手臂的冗余度。在康复中，这类机器人不能诱导出与人类关节完全匹配的关节轨迹。EE的优点为可以很轻易地将机械手臂调整至不同长度，以适应患者的个性化需求，同时兼具简易、性价比高的特点；不足之处在于，由于患者与机器人仅通过一个点（即EE）进行交互，机械手臂姿势或单个关节相互作用的力矩无法完全由机器人决定。Exo可以进一步分为2种：（1）运动学上与人类肢体等效的外骨骼：具有与人类手臂完全相同的冗余移动性，不包括肩带，即7个自由度。这类机器人是身体或墙壁接地的，并沿着肢体连接在不同的部位。为正确诱导关节轨迹并匹配自然冗余度，机器人的关节位置必须与人类的关节对齐。在运动学不匹配的情况下，外骨骼和人体肢体的可操纵度椭球不同，这将上升为动态相互作用力，患者将感觉到运动阻力；（2）与人类肢体运动学上不同的外骨骼：具有多种程度的冗余度，以应对相互作用，不仅包括人类的手臂，也包括肩部和肩带。由于人体肩带是一个复杂的关节，其需要先进的机械解决方案。与运动学上与人类肢体等效的外骨骼相比，这些外骨骼具有更大的工作范围，并且外骨骼与患者之间不需要精确对准。Exo的优势在于机械手臂的姿势可以完全由这类机器人决定，且可以单独控制施加到人体手臂每个关节的扭矩；不足之处在于，考虑到每个机器人节段的长度必须根据患者的手臂长度进行调整，对于不同体型的患者，Exo比EE更难适应[7-9]。Lee等[9]通过对比EE和Exo对于上肢中重度运动功能损伤的患者的恢复效果，发现EE对于患者的活动和参与程度优于Exo。Chang等[10]认为对于EE，治疗强度是上肢运动恢复的最重要决定因素，但没有足够的证据表明脑卒中患者使用Exo可实现上肢运动功能恢复；而对于慢性脑卒中患者手部运动功能的康复，EE和Exo相对于传统疗法均表现出相似或相加的作用。

此外，根据训练部位不同，上肢康复机器人可分为手部、腕手部、肩肘部康复机器人；依据功能不同，上肢康复机器人分为功能性电刺激辅助、虚拟现实技术、脑机接口上肢康复训练机器人等[7,11]。

二、单侧空间忽略

（一）USN的概述

USN的概念于1918年由Holmer首次提出，其特征为受损对侧肢体感知觉缺失，不能注意到对侧视觉、听觉、触觉、或嗅觉的刺激，伴空间定位等行为能力的异常，是患者发生脑卒中后立即出现的最常见的行为认知障碍之一[3-4,12-14]。USN并非单一的功能障碍，而是一系列障碍症候群的集合，临床上主要表现为：（1）受损对侧肢体感知觉缺失；（2）患者无法注意对侧视觉、听觉、触觉甚至嗅觉的刺激；（3）同时伴有空间定位等行为能力的异常。

关于USN的发病机制目前尚未有统一的说法。Mesulam[15]认为USN是大范围的神经注意网络功能异常所致，皮质结构主要是顶叶后部的视皮质前区及角回，该空间注意力神经网络的特点是右侧半球顶叶对注意力的影响较左侧半球顶叶大。而Corbetta和Shulman[16]提出了空间注意力网络观点，他们将注意力网络分为2部分，即双侧背侧通路（包括双侧顶叶内沟及视皮质前区）和单侧腹侧通路（右侧颞顶交界区）。双侧背侧通路介导对侧空间的选择性刺激及反应。右侧半球的腹侧通路介导感觉定向的重要因素是觉醒，因此临床上以右侧半球病变引起的左侧忽略多见。目前关于USN的发病机制主要包括以下几种：（1）注意不均衡学说，即人的左右大脑半球相互控制和注意对侧，一旦某侧受损，破坏了相对平衡，强化了健侧对损伤侧的注意力；（2）激活意向性缺陷学说，即皮质-边缘系统-网状结构环路支配着人体的空间感知能力，该结构中的任何一部分受损都会引发忽略；（3）认识缺陷学说，即USN并非只存在视觉上的忽视，更像是一种认知缺陷，是对空间表象认识的缺失等[15-17]。

USN的临床表现形式众多，可分为感觉性、运动性和心理表征性忽略。感觉性忽略表现为看不到、听不到、感觉不到损伤侧对侧的信息；运动性忽略表现为在无瘫痪和肌张力异常的情况下，几乎不使用损伤侧对侧的肢体；心理表征性忽略表现为在想象场景中对损伤侧对侧空间、物体的记忆或表征的忽略。此外，根据空间范围，USN又可分为自体空间忽略、近体空间忽略、远体空间忽略等[3,12,17-18]。

研究显示，尚未发现能准确评价所有类型的USN患者的方法。目前临床上常用的评定方法主要有凯瑟琳·贝格戈量表、主观疏忽问卷、抄写试验、画钟试验、句子阅读测试以及图形临摹试验等[1,4,12,16,19]。

（二）USN的康复治疗

Azouvi等[20]通过开展USN的康复治疗的循证医学研究发现，目前存在3种对改善USN较为有效的康复治疗方法，包括通过自上而下的机制增强对忽视行为的认识，低水平的自下而上的感觉刺激，调节抑制过程及增加唤醒感。Dintén-Fernández等[21]进一步证实了自上而下和自下而上的方法可以改善病治疗脑卒中患者的USN、残疾和运动功能。在实践操作中，USN的康复治疗主要分为传统康复疗法、现代康复物理疗法及作业疗法。

传统康复疗法主要包括针灸（如手三里、合谷等腧穴）、穴位按摩（如迎香、太冲等）等。Hou等[22]对针灸联合康复治疗脑卒中后USN做了Meta分析，认为针灸联合康复治疗对改善患者的运动功能和日常生活能力更为有效。热西代·多里坤等[23]认为针刺“治神调髓”组穴能提高脑卒中患者对USN的认知，改善忽略程度及肢体运动功能，对改善患者认知障碍、生活自理能力等具有促进作用。

现代康复物理疗法及作业疗法包括抗痉挛体位摆放、关节主动被动运动、翻身坐起、生活自理能力训练等，常用技术包括Bobath、PNF、Rood等。Liu等[24]对2006～2016年USN和脑卒中后偏瘫康复干预做了系统性评价和Meta分析，认为基于运动的物理治疗对USN是有效的。另外，增强感觉刺激（如痛温觉刺激及电刺激等）、暗示、躯干旋转训练、交叉促进训练、患侧负重训练等也有助于USN症状的改善[3,12]。此外，镜像神经元疗法、棱镜适应技术、重复经颅磁刺激、经颅直流电刺激、虚拟现实技术、音乐疗法及康复机器人训练等也是治疗USN的有效手段[12,16,25-30]。Lisa等[26]通过Meta分析，发现经皮电神经刺激疗法、光动力刺激、体感电刺激、镜面疗法和虚拟现实训练似乎是USN最有效的治疗方法。Gandhi等[27]认为，镜面疗法对脑卒中上肢运动功能障碍患者USN的好转有明确意义。Gammeri等[3]的研究表明，棱镜适应技术、无创性脑刺激和虚拟现实训练能治疗USN。Kang等[28]认为，音乐忽视训练可减少脑卒中USN患者的持续性忽略。Yasuda等[29]认为，沉浸式虚拟现实程序对USN患者的日常生活能力有所改善。

三、上肢康复机器人辅助疗法对脑卒中患者USN康复的影响

国内外诸多文献已证实，上肢康复机器人对脑卒中患者上肢功能的改善有明确意义，患者能更好地锻炼运动控制能力、肩/肘协调能力等，减少躯干矢状位异常运动及代偿性运动，提高上肢运动的功效及效率[31-32]。Franceschini等[33]的研究显示，与传统物理疗法相比，上肢康复机器人辅助疗法可更大程度地改善亚急性脑卒中患者的运动障碍状态，且随着时间推移，收益持续存在。Chang等[10]也认为，对于脑卒中患者的上肢运动功能训练，机器人辅助疗法不亚于甚至优于传统疗法。

Grattan等[34]认为，重复性的针对特定任务的训练可以改善USN患者上肢使用、功能和注意力的情况。Doron和Rand[35]对USN与脑卒中后上肢感觉运动恢复的关系以及改善USN患者上肢感觉运动干预的有效性进行了回顾性分析，结果表明USN与脑卒中后上肢运动能力差和上肢肌力恢复少有关，因此，在计划康复时应考虑到此类损伤。Kim等[36]研究了上肢机器人联合低频重复经颅磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）对脑卒中患者USN治疗的影响，研究人员将患者分为机器人组、rTMS组及联合组，并发现治疗后3组患者的无运动视觉感知测试、直线二等分测试、凯瑟琳·贝格戈量表、简易精神状态检查表等较治疗前均有所提高，认为上肢机器人及rTMS对USN的改善均有明确作用，但2种方法间差异无统计学意义。Varalta等[37]研究发现，机器人辅助上肢训练可有效改善脑卒中USN患者视觉空间探索（通过线交叉测试、铃声测试、眼跳训练和句子阅读测试衡量）和注意力（通过眼跳测试和持续关注应对任务衡量），还可以加快手臂、手和手指的总体运动速度以及指尖的灵活性（通过Purdue钉板测试衡量）。Choi等[38]的研究认为上肢机器人辅助训练对脑卒中患者USN的康复有帮助，可作为脑卒中患者USN治疗的选择。顾琦等[39]研究发现，上肢康复机器人辅助治疗不仅弥补了常规康复治疗的缺陷，同时能更有效地改善患者的忽略症状，促进患者上肢运动的功能及日常生活独立能力的恢复。

从康复学的角度来看，患肢的活动可刺激受损的脑组织，并抑制损伤侧对侧的竞争性抑制，减轻USN症状，达到治疗效果。相比于其他康复治疗方法，上肢康复机器人辅助训练能够对患肢进行早期、大量、科学的重复性训练，同时通过视觉反馈系统，刺激受抑制的神经通路，能够最大程度地开发神经肌肉组织残存的部分潜力，使其重新发挥功能，改善治疗效果，有助于患者的整体康复[8,34-40]。

综上所述，USN加重了患者的康复治疗难度，严重影响了患者的预后。上肢康复机器人辅助训练为患者提供了新的选择，其作为传统康复治疗的补充，能显著改善患者的忽略症状，促进上肢功能恢复，提高患者的日常生活自理能力，具有明确的临床价值。然而，目前对于上肢康复机器人辅助训练针对性的报道较少，且多数研究样本量较小，需要在日后的工作中加大样本量进行进一步深入研究。