机器人定量辅助训练对脑卒中恢复期偏瘫患者上肢异常运动模式的即刻影响：一项表面肌电研究

雷思艺，葛瑞东，高蓓瑶，郭京伟*，郑鑫鑫，韩子轩，徐天翼，周佳

（1.中日友好医院 康复医学科，北京 100029；2.首都体育学院，北京 100191；3.南京医科大学，南京 211166；4.北京中医药大学，北京 100029）

脑卒中发病率高，患者预后极易遗留上肢功能障碍。有研究结果显示，受肩肘关节异常运动模式影响，病后6 个月以上的脑卒中患者中30%～66%依然无法恢复上肢功能。上肢功能障碍会造成患者自我效能感[1]下降，影响其日常生活功能独立性，最终影响患者后续回归家庭、回归社会。目前临床上肢康复治疗有常规的桌上作业疗法、上肢机器人训练、镜像疗法等[2]。已有研究验证了上肢机器人训练因可提供定量辅助，在改善患侧上肢运动能力方面有良好的临床治疗效果[3]，但是这项训练对偏瘫患者上肢异常运动模式的影响还尚未明确。本研究使用表面肌电图（surface electromyography，sEMG），研究上肢机器人的定量辅助训练对偏瘫患者上肢异常模式的即时影响，探讨其神经肌肉控制变化的规律，以优化脑卒中偏瘫上肢康复治疗方法，为规范临床康复治疗方法提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选取2019年3月—2020年5月间在中日友好医院康复医学科住院治疗的男性脑卒中恢复期患者9例为试验组。选取正常男性8例为对照组。

入选试验组标准：①符合中华医学会神经病学分会脑血管病学组制订的《2018 版中国急性缺血性脑卒中诊治指南》中的脑卒中诊断标准[4]，并经颅脑CT 或MRI 检查，确诊为脑卒中；②患侧上肢功能Brunnstrom 分期为Ⅲ-3～Ⅳ-2 期，可主动完成肩前屈0～60°；③病程3～12 个月；④年龄50～80 岁；⑤职业为非体力劳动者；⑥意识清楚，认知功能良好，MoCA评分≥26分。对照组：①年龄50～80 岁；②右利手；③职业为非体力劳动者；④意识清楚，认知功能良好，MoCA评分≥26分。

排除标准：①合并其他严重疾病，如心脏、肝脏和肾脏等功能障碍；②病情不稳定，易出现新的梗死或出血灶；③严重痉挛，改良Ashworth 分级（modified Ashworth scale，MAS）2 级及以上者；④肩痛影响活动者；⑤肩关节前屈活动受限；⑥其他任何原因无法完成试验指令者。

本研究已获得中日友好医院医学伦理委员会批准（批准号：2021-124-K82），所有受试者均签署知情同意书。

2 组被试者性别、利手和职业性质一致，表1示，2 组被试者年龄、身高、体重和体质量指数等差异均无统计学意义，具有可比性（P＞0.05）。

表1 研究对象基本情况比较 Md（P25，P75）

1.2 方法

1.2.1 测试方法

采用上肢机器人（Hocoma，Armeo Power 2011，瑞士）为测试变量。试验组选取患侧上肢，对照组选取右侧上肢进行试验。试验组：端坐位肩关节和肘关节屈曲0°，受试者分别在无辅助和上肢机器人定量减重辅助（手臂重量50%，主动控制的协调控制策略[5]）2 种条件下，以自然状态进行肩前屈动作，5s 抬至60°，取中间3s。2 种条件先后顺序随机，测试间隔充分休息。每种动作重复3 次，取平均值。对照组：端坐位肩关节和肘关节屈曲0°，受试者以自然状态进行肩前屈动作，5s抬至60°，取中间3s。动作重复3次，取平均值。

提前告知被试者试验过程，并让被试按照试验要求重复试验动作数次直至熟练，再进行正式测试。

1.2.2 评定方法

采用表面肌电图仪（WBA-T8，芬兰），采集肩前屈时受试侧三角肌前束、三角肌侧束、斜方肌上部、肱二头肌和肱三头肌的即刻肌电信号。开始前，用细砂纸去除皮屑，酒精去除油脂。将表面电极平行肌肉纤维走向贴于肌肉肌腹隆起处，近端与远端两电极中心相距20mm。

结束后，使用MegeWin 软件进行处理。将所有肌电信号通过带通滤波（10～500Hz），并采用平均值进行平滑处理，随后进行全波整流，最后采用低通滤波（10Hz）对肌电信号进行处理[6]。

激活水平：再将已测得的相应靶肌肉的最大自主等长收缩（maximal voluntary isometric contraction，MVIC）的积分肌电峰值进行标准化处理[7]，得到靶肌肉作用的百分比（%MVIC）[8]。

激活水平的相对值：将无辅助试验组和上肢机器人定量辅助试验组的肌肉激活水平分别除以对照组各肌肉激活水平的平均值M，所得数值即为该组肌肉激活水平的相对值。

激活时序：基线肌电图通过5s 静息姿势下肌电图活动的平均值，当肌电振幅超过基线水平的2 个标准差＞50ms，确定为各组肌肉肌电活动的激活时间[9]。根据各肌肉激活时间来分析肌肉的激活顺序。

1.2.3 统计学方法

应用SPSS22.0 软件进行统计学分析。计量资料以中位数和四分位数来表示。数据不符合正态分布，无辅助试验组与上肢机器人定量辅助试验组比较采用Wilcoxon 符号秩检验，无辅助试验组与对照组、上肢机器人定量辅助试验组与对照组比较采用Manner-Whitney U 检验。无辅助试验组和上肢机器人定量辅助试验组相对于对照组平均值M的比较采用Wilcoxon符号秩检验设定显著性水平为P=0.05（取双侧检验）。

2 结果

2.1 激活水平

表2 示，无辅助试验组与对照组比较，所有肌肉的差异均有统计学意义（P＜0.05）；上肢机器人定量辅助试验组与对照组比较，仅三角肌前束差异无统计学意义（P＞0.05）。无辅助试验组与上肢机器人定量辅助试验组比较，仅三角肌前束差异有统计学意义（P＜0.05），其余肌肉差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表2 3组激活水平和激活时序的比较（Md，P25，P75）

为进一步比较2 个试验组相对正常对照组激活水平的差异，Wilcoxon 符号秩检验比较结果显示，仅三角肌前束（P=0.011）和三角肌侧束（P=0.017）差异存在统计学意义，见图1。

图1 三角肌前束（A）和三角肌侧束（B）无辅助试验组和上肢机器人定量辅助试验组相对于对照组M的激活水平比较

2.2 激活时序

表2 示，经U 检验无辅助试验组与对照组比较，仅三角肌前束和三角肌侧束差异有统计学意义（P＜0.05）；上肢机器人定量辅助试验组与对照组比较，所有肌肉差异均无统计学意义（P＞0.05）。经符号秩检验，无辅助试验组与上肢机器人定量辅助试验组比较，仅三角肌前束和三角肌侧束差异有统计学意义（P＜0.05），其余肌肉差异均无统计学意义（P＞0.05）。

2 个试验组相对正常对照组的激活时序，三角肌前束和三角肌侧束差异均无统计学意义（P＞0.05）。

3 讨论

脑卒中后，因中枢神经系统的病理改变导致患者完成功能性活动时肌肉的激活水平及其顺序性方面出现问题[8]，这将引起肩部与肘部的关节和肌肉不是直接去进行这项功能性活动，而是会产生不必要的代偿运动[10]。如何打破粗大的异常运动模式，建立正常的肩肘关节运动模式成为恢复期脑卒中康复治疗中重要的训练目的之一。

上肢机器人在康复临床中的应用是近几年智能康复发展和科技进步的体现。上肢机器人训练因其可重复性与精确性，常为功能康复训练及研究提供定量辅助，在临床使用广泛。之前的一些相关研究聚焦于上肢机器人的临床治疗效果[3]，而其对脑卒中偏瘫患者的异常运动模式的影响未见相关报道。本研究目的是通过观察上肢机器人定量减重辅助训练模式下脑卒中偏瘫患者肩前屈功能性活动时肩部与肘部相关肌群的激活水平和激活时序，分析该训练方法对偏瘫患者上肢异常运动模式的影响，从而为临床治疗方法的选择提供理论依据。以往研究表明，脑卒中患者临床表现和流行病学有着明显的性别差异，男性发病率更高，因此本研究被试均为男性[11]。职业分类差异也会导致脑卒中患者预后有所差异[12]，因此本研究试验组与对照组被试均为非体力劳动者。

选取激活水平为主要结局指标，据前期检验功效分析（α=0.05，power=0.8）计算所得：表面肌电指标差异具有统计学意义需要每组＞8 例，故选取试验组9例、对照组8例。表面肌电图是一种应用广泛的康复评价工具[13]，常用来监测肌肉运动[14]，已有大量国内外研究[15]证实了表面肌电图测量肌肉活动的可信度和有效性。使用表面肌电图测量肌肉激活水平与激活时序是分析肌肉运动模式的常用方法[16]。其激活水平可以反映肌肉的兴奋程度和运动控制质量，激活时序反映不同肌肉激活的先后顺序[16]。因此本研究选用肌肉激活水平和激活时序这2 个指标来分析偏瘫患者患侧上肢的运动模式，进而评估患者上肢分离运动的程度。

正常人在进行肩前屈时，三角肌前束、斜方肌及肱三头肌分别作为主动肌和辅助肌以适当的激活水平并依据一定的收缩顺序参与到动作的过程中[8]。以往研究结果表明，脑卒中患者异常的共同运动模式为肩前屈动作同时伴有肩外展和屈肘，原因在于三角肌中束和肱二头肌的代偿性激活[10]。本研究结果从肌肉激活水平和激活时序方面也证实了这一点。在进行肩前屈0～60°动作时，正常对照组完成动作主动肌激活时间早，激活水平低；试验组被试患侧上肢肩部肌肉肌肉过度激活，主动肌三角肌前束晚于三角肌侧束。本研究结果证明，试验组脑卒中患者与正常对照组激活水平与激活时序均有差异，通过上肢机器人定量减轻手臂重量后，试验组肌肉激活时序回归正常，主动肌兴奋程度显著降低，运动模式接近正常对照组。

本研究观察了上肢机器人定量辅助对脑卒中恢复期偏瘫患者上肢异常运动模式的即刻影响，但是，受到试验条件的限制，研究设计方面还存在一些不足，在进一步的研究中将结合多元三维运动分析手段对偏瘫患者的异常运动模式进行更加精确和量化的分析。另外，我们将在更长时间周期中进一步扩大样本量并进行分层观察该干预方法对偏瘫患者异常运动模式的影响。

综上所述，上肢机器人定量减重辅助训练有助于偏瘫患者上肢更早进入分离运动期，从而改善患者的运动功能，缩短恢复期的时间，可以减少治疗花费与照护负担。