步态适应性训练在脑卒中康复中应用的研究进展
2021-03-28钟连超魏鸿瞻董心彭晓静郑洁皎
钟连超,魏鸿瞻,董心,彭晓静,郑洁皎
1.山东大学齐鲁医院,山东济南市 250012;2.上海体育学院,上海市 200438;3.复旦大学附属华东医院,上海市 200040;4.上海市光华中西医结合医院,上海市200052
脑卒中是我国成年人致死、致残的首位病因[1]。社会老龄化的发展,肥胖、吸烟和缺乏运动等不良生活习惯,都会增加脑卒中发病的可能[2]。预计2030 年我国脑血管病事件的发病率将比2010 年升高约50%[3]。脑卒中患者存在多种功能障碍,步行障碍是最常见的功能障碍之一,表现为患侧腿蹬离地面时推力减弱,摆动相早期屈髋不足,中期足下垂、足内翻导致足部廓清障碍,常采用划圈步态代偿[4]。早期康复可使60%的患者恢复基本的步行功能[5],但75%的患者报告在现实环境中步行困难[6],行走速度和距离难以达到社区安全步行的要求[7],主要原因是偏瘫患者步态适应性下降,面对复杂环境无法做出相应的步态调整,如不能及时改变步态来躲避障碍物等[8-9];这不仅导致患者跌倒、骨折的发生率增加,而且出现更高水平的焦虑、抑郁和恐惧情绪,对身体和心理造成严重不良影响[10-11]。
现代医学基于生物-心理-社会的医学模式,将残疾作为社会性问题。步态适应性训练(gait adaptability training,GAT)符合《国际功能、残疾与健康分类》(International Classification of Functioning,Disability and Health,ICF)的理论框架[12],强调个体、任务和环境之间的相互作用,在提高患者基本步行功能的同时,增强其平衡和步行信心,使其重新回归社会。
当前物理治疗实践强调步行功能的恢复,多数侧重于步行分解动作和直线步行练习,GAT没有得到应有的重视。本文对GAT在脑卒中患者康复的临床应用进行综述,为临床实践提供参考。
1 步态适应性
近年来,步态适应性受到越来越多研究者的关注。针对不同任务和环境,步态适应性会产生不同组合,但缺乏统一的术语来描述。Balasubramanian 等[13]基于个体潜能和环境背景,从不同维度对步态适应性进行概括,包括跨越障碍、时间限制、认知双任务、地形要求、环境要求、姿势转换、运动双任务、身体负重和交通限制(注意力需求)9 个方面。简单来说,步态适应性是指为了满足任务目标和环境限制而调整步态,例如改变速度和方向以躲避障碍物,在不平坦的地形或杂乱的环境中调整步长、步频、单侧下肢支撑相和关节角度等步态参数,以确保足部放置与环境特征相适应[14-16],保证步行的安全性和有效性。
Grillner 等[17]提出,中枢神经系统产生有意义的步行需要3个部分参与:双下肢节律性往返运动的基本步行模式;适当的平衡控制;一定的运动控制适应能力,使步行根据任务目标和环境的变化进行调整。
人的基本步行模式通过脊髓中的中枢模式发生器(central pattern generator,CPG)控制,它能自动产生稳定振荡,有序激活伸肌和屈肌交替收缩,激发肢体产生节律运动[18-19]。皮质脊髓束是人类主要的运动控制通路,能根据环境调整步行,对步行的精细控制十分必要[20]。当周围环境和任务对步行要求更加精准时,皮质脊髓神经元的活动更加活跃,通过调整步速、步幅等步态参数,改变关节活动角度和身体重心,减少足部位置的变异性[21-25],即步态适应性取决于皮质脊髓束的传导。
脑卒中通常直接损伤皮质脊髓束、大脑白质和运动皮质等与步行相关的运动通路,患者在应对复杂环境时,步行适应能力下降,对步行的注意力需求增加[26]。GAT 可有效激活受损的大脑皮质运动区,改善大脑皮质重组,提高患者社区步行水平[27-28]。进行GAT 是偏瘫患者恢复社区功能性步行必不可少的部分。
2 GAT
2.1 定义
GAT是指在特定情景下,根据任务变化改变步行模式,使步态与周围环境相适应的训练;通过变换地形(斜坡、草地)、光线、声音和生活情景(人行道、医院、购物中心、社区)等,控制环境因素,要求患者在完成跨越障碍、姿势转换、上下楼梯、负重或交谈等任务的过程中不断调节步速、步幅、跨步时间等[29],确保足部放置与周围环境相适应,并逐步增加环境限制和任务难度,以获得接近正常的步行功能。
2.2 临床评定
临床上通常采用的功能性步行评定包括10米步行测试(10-Meter Walk Test,10MWT)、计时起立行走测试(Timed 'Up and Go'Test,TUGT)和Fugl-Meyer评定下肢部分等[15,30-31]。这些方法操作简单易行,使用率较高,但受主观因素影响较大,有一定局限性。
有研究者将三维运动捕捉系统与步态适应性任务相结合,测试患者踩踏目标或躲避障碍物的成功率[32-34],或评估患者在面对不同任务(如跨越障碍、转弯等)和环境(如不平坦的地形)时步态参数和关节角度的变化[33-35],以定量评估步行功能。成功率的计算强调特定任务在步态适应性评估中的重要性,可以衡量GAT 的转移和保留效果。van Ooijen 等[36]通过双重任务Stroop 测试评估训练后患者的注意力需求。以自我评估的方式衡量患者的自我效能感也十分重要,常用的有特定任务平衡信心量表(Activities-specific Balance Confidence Scale,ABC)和跌倒效能量表等[30,35,37]。
2.3 治疗原则
GAT 应以评估为依据,明确患者是否具备基本的步行能力,以保证安全步行,防止跌倒;循序渐进、由易到难,根据患者表现逐渐增加任务难度和环境复杂程度;通过视觉、听觉提示等对步行表现进行及时反馈,给予患者正向强化,以提高其信心和训练积极性;同时注重关节活动度、肌力和平衡能力的整体训练。
3 GAT在脑卒中康复中的应用
根据训练所处环境不同,GAT分为真实环境下和模拟环境下训练两大类,模拟环境又分为简单室内场景,以及基于虚拟现实或增强现实技术创造出的多模态场景。
3.1 真实环境
大多数脑卒中患者在医院或标准化环境中进行康复训练,这种可控环境下获得的技能难以满足在家庭和复杂外部环境中步行所需[38]。环境因素是决定患者社区活动、社会参与水平的关键。基于真实环境的GAT 是指患者在复杂多变的现实环境中,根据任务调整步态的训练。
Park 等[39]对脑卒中患者在常规物理治疗基础上,行以现实环境为基础的GAT 4 周,每周逐渐增加训练环境和任务难度,包括在医院附近平坦的地面步行;经人行横道过马路;在社区走斜坡并且躲避街道、树木和建筑物;穿过一条包含人行道、停车场在内的路线到达购物中心,在购物中心里上下楼梯并推手推车步行;治疗后患者10MWT、6MWT 和ABC 评分变化值高于对照组。朱经镇等[40]发现,基于现实环境的GAT比常规步行训练能更有效改善脑卒中患者的步行信心,有利于患者适应复杂环境,降低对跌倒的恐惧。Kim 等[41]发现,在真实环境中进行GAT 可能是改善慢性脑卒中患者步行功能,提高社会参与的有效方法。
基于现实环境的GAT 涵盖日常生活具有挑战性、跌倒风险的特定情景,有利于患者对复杂环境作出相应的步态调整,提高适应能力;成功的体验也可以减少恐惧感,使平衡和步行信心得到改善。
3.2 模拟环境
3.2.1 简单室内场景
简单室内场景的GAT 是指在康复大厅或其他室内环境下进行、以具体任务为导向、不断调整步态的步行训练,如跨越障碍、姿势转换、上下楼梯、提物负重步行和倒走等[42]。该训练以任务和患者为中心,通过募集病变周围相邻脑组织的功能重建和非损伤组织再生,诱导运动皮质适应性重组,加强对信息的判断整合,重建神经系统对运动控制的有效支配[43-44]。该训练基于高质量证据,对改善脑卒中患者下肢运动功能的推荐等级为A[45]。
Verma 等[46]在康复大厅设置不同的工作站,将上下楼梯、转弯、捡拾物品、跨越障碍、负重步行、踩踏目标走等结合成一套以任务为导向的循环步行训练,与接受神经发育疗法治疗的对照组相比,试验组在功能步行分级(Functional Ambulation Classification,FAC)、6MWT 和步长对称性上效果更好。Outermans等[47]发现,任务导向性步行训练可以显著提高患者6MWT和10MWT 表现。有研究显示[48],经12 周共6 h 任务导向的循环步态训练,患者6MWT 距离平均变化值达到最小临床重要差异的3 倍。Kwon 等[49]将任务导向与跑步机训练相结合,通过调节跑步机的速度、方向、坡度和承重4 个变量及其不同组合,设置步行的不同任务,训练4 周后,与常规跑步机训练相比,接受任务导向跑步机训练的患者,步幅、步频、步速和患侧单腿支撑时间等参数有更大改善,这种改善可持续到治疗后至少8周。
简单室内场景的任务导向性步行训练通过设置外在具体的运动目标,与内在运动控制相结合[50],可以改善患者步态参数,提高速度、耐力等步行指标,为社区步行奠定基础。
3.2.2 多模态步行训练
事物发生或存在的方式称为模态[51]。视觉和听觉是行走过程中重要的信息来源。视觉反馈可以纠正运动误差,调整下肢运动轨迹,降低步态的空间变异性;节律性听觉提示可以成功诱导运动控制与时间同步,纠正步态的时间不对称性[52-54]。多模态步行训练是指在视觉、听觉、触觉、本体觉等多重刺激融合的条件下,进行特定任务和情景的GAT,虚拟现实和增强现实等新技术的发展,为多模态步行训练提供了可能,趣味性强,患者依从性高。
3.2.2.1 虚拟现实
虚拟现实技术通过计算机模拟,用户借助头盔显示器、电脑显示屏或投影屏幕等设备,通过视觉、听觉、触觉等与虚拟环境进行交互,获得身临其境的感觉[55]。沉浸性、交互性和构想性是其三大特点[56]。近年来,虚拟现实技术广泛应用于脑卒中恢复期患者的步行训练,取得良好效果[57]。
Darekar 等[58]发现,基于虚拟现实技术的GAT 在提高步速和应对环境挑战方面有良好效果,有利于促进患者的社区功能性步行。Yang等[59]利用跑步机前的视觉屏幕、三维加速度图形卡和三维听觉输出,共同创建虚拟现实的社区场景,通过屏幕中场景的变化和视觉、听觉提示,完成各种任务,如过马路、散步和躲避障碍等,与单纯使用跑步机训练相比,患者步行速度、社区步行时间、步行信心都有提高。Shema 等[60]发现,基于虚拟现实技术的GAT可以改善患者FAC。Mirelman等[61]将虚拟现实技术与下肢机器人相结合,受试者利用本体觉,在包含一系列目标的虚拟环境中,通过脚部运动操纵飞机完成任务练习,同时接受视觉、听觉提示和仿真同步的高层次触觉反馈,与仅提供低水平力反馈的机器人设备进行相同训练相比,康复4 周后,试验组步速、步行距离和社区FAC 有明显提高,且治疗效果在3 个月后随访中有所保留。采用功能性磁共振(functional magnetic resonance imaging,fMRI)研究发现,基于虚拟现实技术的多模态步态训练可有效激活偏瘫患者受累半球感觉运动皮质(sensorimotor cortex,SMC)和偏瘫腿两侧辅助运动区[62-63]。
基于虚拟现实技术的GAT 不仅可以改善患者社区功能性步行,还可诱导皮质功能重组。
3.2.2.2 增强现实
增强现实技术使用智能手机或可穿戴设备等装置,将计算机生成的虚拟图像、场景、感官信息等融合叠加到现实场景中,提高用户对真实世界的感知与理解[64]。增强现实技术的三大特点是虚实结合、三维注册、实时交互[65],近年来逐渐应用于脑卒中患者下肢步行功能的训练。
Heeren 等[31]对恢复期脑卒中患者行基于增强现实技术与跑步机结合的智能GAT 10 次,该系统将计算机生成的复杂任务和环境投射到跑步机上,形成视觉、听觉、本体觉等多重感官反馈,患者在与增强现实技术融合的真实场景,如沙滩、商店、街道中步行,同时完成不同任务,如避开水池、跨过栅栏、摘星星,捡金币等,患者步行功能和身体活动水平有显著改善,步行速度可以满足社区步行要求[66],患者在现实环境中跨越真正障碍的成功率提高。van Ooijen 等[36]发现,患者经过基于增强现实技术的GAT 后,现实环境中跨障成功率提高,表明训练效果可以从虚拟环境有效转移到真实环境,减少患者跌倒的发生;避障成功率与Stroop测试成功率的改善有很强相关性。对于脑卒中患者而言,跨越障碍物对注意力需求很高,需要定位精确,及时调整步态,同时考虑复杂环境所造成的干扰。基于增强现实技术的GAT 极大程度还原现实环境的复杂场景,有利于患者对不同环境的适应,训练后仅需较少的注意力就可以成功避障。
虚拟现实和增强现实是紧密相关又截然不同的两项技术,核心区别在于虚拟现实技术使患者完全沉浸于虚拟世界,训练中进行的步态调整与真实世界分离;而基于增强现实技术的训练中,足部放置与现实环境直接交互。两者的共同优势是创造出多模态、模拟现实生活的场景,使患者可以安全地训练真实环境中可能存在风险的任务,如过马路,增强趣味性,也节省了人力资源。现阶段缺乏两种训练方式间的对比,需要高质量的临床随机对照试验进一步探究两种训练方式对脑卒中患者下肢步行功能恢复的效果。
4 小结
GAT对脑卒中患者步行功能的益处已经得到证实,基于真实环境的训练可以显著提高患者的平衡和步行信心,室内简单模拟环境下的步行训练对偏瘫患者步态参数和步行耐力等方面有效,虚拟现实和增强现实等技术的发展有助于营造一个多模态、贴近现实的训练环境,凭借重复性强、安全性高、趣味性足等优势,提高社区功能性步行,改善相关注意力需求。GAT符合ICF 的理念,不仅强调偏瘫患者的身体结构与功能,也关注其心理状态和社会参与水平,实现最大程度的功能恢复。
当前相关临床试验在设计上存在很多不足,如样本量小,损伤部位和病程不一,缺乏统一的评估标准,训练模式、时间和强度不一等。未来需要高质量、严谨的临床试验进一步探索,并且进一步验证GAT 对患者的长期效果。相信随着科技的发展,基于新兴技术的GAT 将不断完善,在脑卒中患者步行训练中发挥更大作用。
利益冲突声明:所有作者声明不存在利益冲突。