痉挛型脑瘫儿童上肢矫形器的研究进展△

孔翎宇，杨 涵，杨建伟，俞 超，王金武*，高汉义

（1.潍坊医学院康复医学院，山东潍坊， 261053；2.上海交通大学生物医学工程学院，上海， 200011；3.上海市骨科内植物重点实验室，上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科，上海， 200011；4.潍坊医学院附属医院康复医学科，山东潍坊， 261000）

脑性瘫痪（cerebral palsy, CP）是胎儿神经发育缺陷与非进行性脑损伤引发的疾病，患病率约为千分之二，是儿童躯体功能损害的最常见原因［1，2］。多数患儿因脑室周围白质软化而伴有痉挛综合征，临床表现为痉挛型CP，4 岁左右肌张力便有明显增加［3］。痉挛会增加上肢畸形的发病率，影响患者下肢运动功能、躯干控制力与生活自理能力［4］。近年来痉挛型CP 患儿死亡率逐渐降低，中国CP 康复指南（2015年版）强调，选择适当的辅助器具和矫形器对于提高和保持治疗效果、矫正异常姿势、建立正常的运动、防止畸形进一步加重和提高患儿的日常生活能力会起到重要作用［5］。

1 痉挛型CP 儿童上肢矫形器的设计理念

痉挛型CP 儿童上肢畸形由肌骨畸形与动作畸形两部分组成，肌骨畸形的出现与上运动神经元非进行性损伤引发的牵张反射亢进密切相关，肌张力上升诱发的紧张性收缩使肌肉纵向生长受限与关节囊挛缩，上肢长时间维持肩胛带内收、腕关节和肘关节屈曲挛缩、拇内收肌挛缩，手指“天鹅颈”畸形的状态［6］。此外CP 患儿上肢运动呈非对称性，伴有联合反应与共同运动，一般6 个月后显现症状，1 岁后有明显差别，手部灵活性与握力会随患儿发育改善，但上肢整体的运动模式无法在短时间内自行调整，最终拖延精细运动出现时间与上肢发育速度，产生动作畸形［7～9］。CP 患儿上肢矫形器的设计理念便是基于上述临床表现，从纠正肢体位置与激活本体感觉两个层面开展治疗［10，11］，并依据神经发育疗法（neurodevelop⁃mental treatments,NDT）对拇指、肩胛骨等关键点进行针对性控制，从而降低患儿上肢张力，引导正确的运动模式。

2 痉挛型CP 儿童上肢矫形器分型与评价

2.1 腕手矫形器

腕关节过度屈伸会严重影响手部握力与灵活性，腕手矫形器（wrist hand orthosis, WHO）在限制腕关节活动的基础上，将患手固定于功能位并控制拇指运动，以此防止挛缩和屈曲畸形的发生，是目前临床治疗痉挛型CP 患儿最常使用的上肢辅具［12，13］。工作机制上，WHO 主要利用生物力学效应，通过持续纵向牵拉力降低患儿上肢的肌肉僵硬程度与关节挛缩程度。根据佩戴后肢体活动范围，可将WHO 分为静态与动态两类，静态WHO 设计应用较为简单便捷，主要用于解决肌骨挛缩畸形，利用低温热塑板根据患者上肢畸形情况进行个性化设计，李小朋［14］将患儿腕关节限制于功能位，拇指腕掌关节固定于60°，使第1 掌骨、拇指保持充分伸展，每日连续佩戴8～10 h，4 个月后患儿肢体ROM 与完成目标任务的能力均有提高。但静态WHO 的缺点十分明显，短时间应用并不能立刻提高手指抓握与完成其他功能性任务的能力，患儿需在静止状态下长时间佩戴才能实现上肢功能恢复，因此多在夜间睡眠时进行使用，具有较大的局限性［6，15］。

动态WHO 兼顾支持力与灵活性，在保证患者随意运动时稳定性的基础上适当减轻对腕关节施加的固定压力，手指上方与腕部固定点间增设联动装置以允许手指完成部分活动。Burtner 等［16］令CP 患儿佩戴动态或静态WHO 后依次从钉板中取下9 个直径1 英寸，长3 英寸的圆钉，分数以取下9 个圆钉的所需时间为准，并结合运动时的肌电图（electromyogram,EMG）表现进行综合对比。结果显示CP 患儿使用动态WHO 时握力与灵活性有明显提升，可独立完成一些简单的功能性活动；使用静态WHO 时腕部与前臂肌群EMG 激活程度明显下降，长时间使用可能引发前臂肌群萎缩，此外肩胛肌群代偿性募集更为明显，提示运动模式异常程度加重。因此从功能恢复的角度来看动态WHO 的使用限制相对较少，对CP 患儿有更大价值，但受制于较为落后的设计方式与治疗理念，长期治疗作用非常有限。

2.2 矫形服装

矫形服装又称夹板服装（splinting garment,SG），是一种依据患者躯体结构进行设计的软质支具，穿戴时覆盖面积较大可涵盖多个关节。SG 工作机制是生理和生物力学效应的结合，躯体紧密贴合的压力区域可增加本体感觉输入，同时压力大小与压力施加时间呈动态变化，避免高压持续作用于患者皮肤所引发的局部组织循环障碍［17，18］。莱卡（Lycra）材料即氨纶纤维是SG 的常用材料，具有重量轻和弹性回缩力高的特点，因此又被称作“动力弹性纤维”。Giray 等［19］研制的SG 覆盖于躯体近端关节以增加肩胛带稳定性，实验组患儿每天分别穿戴2 h 与6 h，出院后患儿每天佩戴1 h。治疗人员使用方块转移测试（box and block test,BBT）对患儿手部灵巧度进行评估，结果证明穿戴SG 后，患儿的BBT 得分的提升幅度得到明显增加，上肢功能性活动能力得到改善。

动力弹性纤维在实际应用时也存在一定问题，弹性回缩力会导致患儿完成一些日常动作如下蹲、弯腰时出现不适感，因此SG 覆盖面积需结合患者上肢畸形累及的范围进行个体化调整，Elliott 等［20］设计的SG 从手腕延伸覆盖至腋窝，针对性干预CP 患儿上肢。8 名CP 患儿接受为期3 个月治疗，每天6 h，每周5 d，治疗后患儿的运动模式得到纠正，不随意运动所占时间比有显著改善。

总体来看，SG 相较于WHO 矫形器使用更为便捷，患儿可在一天的多数时间段进行穿戴，在此期间相对灵活的完成日常任务。但SG 对制成材料有严格要求，目前尚无相关研究证明其他材质可替代动力弹性纤维，对其未来发展有一定局限。此外SG 也缺乏对患儿动作的正确引导，治疗效果尤其是对精细动作的改善仍待进一步观察。

2.3 外骨骼矫形器

CP 患儿发病年龄较小，仍处于神经发育重建的关键时刻，传统矫形器多从生物力学层面解决CP 患儿的肢体问题，未对这一问题给予足够关注。Kreb等［21］指出CP 患儿的运动功能康复具备运动学习特点，正确的动作训练实现的感觉输入对神经元重建有重要意义。因此CP 患儿最佳治疗并非大剂量重复性训练，而是基于个人病情精准设定的训练任务，即结构化训练［22］。外骨骼矫形器（exoskeletal orthosis,EO）又称外骨骼机器人，在控制模块内预先进行运动学分析和运动轨迹规划仿真后，生成的训练模式可引导中枢神经损伤患者的上肢按正确顺序完成功能性任务［23］。EO 的应用能更好的引导动作重建，Shimizu等［24］研制的上肢单关节混合辅助器（hybrid assistive limb,HAL）通过表面肌电分析结果分析前臂运动的正常轨迹，帮助患者完成肘关节屈伸运动；Holley等［25］模块化设计的EO 可先行分析患儿上肢运动受限程度，辅助患儿依次完成腕关节屈伸与前臂旋前旋后任务。但固定式外骨骼矫形器体积庞大，只能让患儿在特定环境内接受治疗，训练的目标动作较为有限。

便携式EO 体积精简易在院外开展治疗，Bützer等［26］设计的便携式EO 由手部模块与设备控制模块两部分构成，手部模块可基于预定程序对拇指运动进行重点控制，完成功能性任务时可配合其余四指屈曲完成抓握等动作，指尖力量可达到5 N，使患儿完成端起500 ml 水杯等日常动作，对建立正确的上肢运动模式，提高生活自理能力有极大帮助。

目前便携式上肢EO 仍有诸多技术问题亟待解决，便携式EO 应用于下肢时可将骨盆作为运动的近端固定点，承载运动负荷与设备重量。虽然便携式EO 也可选择上中段胸椎作为负重点，但患儿脊柱尚未发育成熟强度较低，长期佩戴可能引发胸曲加大、心肺功能发育障碍等负面问题，而设备高昂的成本也是限制其实际应用的重要原因。

2.4 3D 打印矫形器

3D 打印矫形器是指部分或全部由3D 打印技术制作，用于改变神经肌肉和骨骼系统结构及功能的体外辅助器具［27］。3D 打印矫形器可同时改善患儿手腕部运动时的灵活性与稳定性，对控制神经损伤引发的肢体运动障碍有着特殊帮助［28，29］。Schmitz 等［30］通过3D 扫描获取上肢结构，使用MeshMixer3.5 建模、PETG 板材和熔融沉积成型3D 打印机制造矫形器，在通常状态下CP 患儿完成目标动作的时间为295.2 s，佩戴矫形器后时间为237.2 s，证明患者上肢不随意运动得到有效控制，其中完成精细运动耗费的时间缩短了69.3 s、举起物体的维持时间增加了8.9 s，提示动作精准度与上肢肌力的改善。

相较于传统一体成型的传统CP 上肢矫形器，3D打印矫形器通过材料逐层打印生成，对材料的力学特性如弹性、塑性等要求较少，矫形器的贴合程度与覆盖面积更符合定制化需求，可减少因设计误差导致的皮肤磨损，提供更舒适合身的外观设计，保证患儿的接纳程度。以PETG 板材为例，其耐久性高，定型后不易发生形变缺损，且具备耐水性与抗冲击性，表面质地较低温热塑板材柔软利于患儿长时间穿戴。近年来有学者提出，运动高分子纤维制作可用于痉挛型CP 患儿矫形器制作，类似材质的出现可为痉挛型CP患儿的3D 打印矫形器的制作提供更多潜力［14］。

3D 打印矫形器具备较高的拓展功能，可结合患者肢体情况添加额外的治疗设备，根据上肢功能进行针对性调整。有学者在矫形器内部加装肌电信号控制仪，利用捕获的肌电信号作为控制装置的输入依据，增强中枢神经损伤后上肢功能障碍患者的肌腱力量，提供足够的抓握功能［31］。这种具备EO 功能的3D 打印矫形器是未来CP 患儿上肢矫形器发展的重要方向，可为患儿提供更加经济有效的治疗手段。

3 痉挛型CP 儿童上肢矫形器的不足与对策

3.1 缺少客观设计指标

目前CP 患儿矫形器多依赖手工制备，对肢体状态与治疗效果的评估高度依赖检查人员主观经验。CP 患儿上肢矫形器设计时需确定明确的治疗目标［15］，并将客观监测结果纳入参考标准。运动分析系统可收集患儿完成上肢前伸、侧伸、手指对嘴等动作时各关节的变化角度与肌肉激活程度［20］，对CP 患儿穿戴矫形器后的运动功能及生物力学表现进行评估，相较于EMG 测试更加全面。基于肢体运动角速度研发的三轴加速度计使用较为便捷，可佩戴于身体各个部位并准确记录干预效果［32］，Beani 等［33］将三轴加速度计Actigraph®GT3X+固定在CP 患儿手腕处，结合患儿完成书写、绘图等任务时的表现分析上肢活动特点，对患手功能进行定量评估。这些数据能帮助研究人员分析矫形器的设计缺陷并做出对应调整，实现改善患儿生活自理能力的最终目标。

3.2 日常穿戴时间不足

患者出院后弃用矫形器或穿戴时间不足是导致治疗中断、疗效无法得以维持的主要原因，治疗人员应对出院后患儿的矫形器佩戴时间进行科学评估，Cal⁃iskan 等［34］根据CP 患儿心率确定矫形器使用所造成的能量消耗，得出的能量消耗指数（energy expendi⁃ture index, EEI）可作为矫形器佩戴时间的参考。此外定期复诊可对矫形器行评估调整，有助于保证患者满意度与依从性［19］，但这一过程需要耗费过多时间。近年来互联网的高速发展带来了更多可能，Imms 等［35］在CP 患儿上肢矫形器内部置入传感设备，通过app 汇总患者的每日使用情况，帮助治疗人员实时掌握矫形器使用情况并预测最终治疗结果，可有效提高治疗效果。

4 总 结

综上所述，痉挛型CP 患儿上肢矫形器对缩短康复周期有着很大帮助，但国内治疗人员与家长在康复干预时仍将提高CP 患儿躯体转移能力作为首选目标，使得下肢矫形器的普及率远高于上肢矫形器，而设计理念的落后与规范化引导的缺失也令上肢矫形器的实际治疗效果远不如预期。近年来电子设备与人工智能的应用为新型矫形器的创新设计提供了更多参考，结合患儿上肢解剖特点与运动模式设计的上肢矫形器将为患儿提供更加精准的个体化训练，通过3D打印结合肌电刺激的个性化智能云康复上肢矫形器是未来的主要发展趋势。