联合使用经颅直流电刺激与机器人疗法治疗上肢功能障碍

摘要

联合使用经颅直流电刺激与机器人疗法作为常规康复治疗的补充手段，可能通过调节大脑可塑性而改善治疗效果。本文介绍了我们研究所采用的联合方法，用于改善卒中后的运动功能表现。

摘要

中风和脑性瘫痪等神经系统疾病是导致长期残疾的主要原因，可因上下肢功能障碍而引起严重失能和日常活动受限。目前仍以强化的物理治疗和作业治疗为主要治疗手段，但研究人员正在探索可能优化功能恢复效果的新型辅助疗法，以补充常规康复治疗。

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性脑刺激技术，通过头皮上的电极施加微弱的直流电流，使 underlying 脑区发生极化，从而调节皮层兴奋性。人们对这种技术日益关注，主要归因于其成本低廉、操作简便以及对人类神经可塑性的影响。近期研究已开展多项工作，以评估tDCS在抑郁症、帕金森病以及卒中后运动功能康复等多种疾病中的临床应用潜力。tDCS有助于增强脑可塑性，在康复治疗项目中展现出良好的应用前景。

已开发出多种机器人设备，以协助中风后上肢功能的康复。运动功能障碍的康复通常是一个漫长的过程，需要采用多学科方法，才能使患者达到最大程度的独立。这些设备并非旨在取代人工康复治疗，而是作为康复计划的补充工具，能够即时感知治疗效果并追踪改善情况，从而帮助患者保持积极性。

经颅直流电刺激（tDCS）和机器人辅助治疗均为有前景的卒中康复辅助手段，旨在调节大脑可塑性。已有若干研究报告指出，将这些技术与常规治疗联合使用可改善治疗效果。然而，最近一些小型临床试验开始探索在卒中康复中联合应用tDCS与机器人辅助治疗。本文介绍了我们机构用于改善卒中后运动功能的联合干预方法。

引言

脑卒中、脑性瘫痪和创伤性脑损伤等神经系统疾病是导致长期残疾的主要原因，其病灶及继发的神经症状可引起严重功能障碍，限制日常活动能力¹。运动障碍显著降低了患者的生活质量。运动功能恢复的根本机制是神经可塑性，即脑损伤后重新获得丧失运动技能的基本生物学基础^2,3。因此，康复治疗主要依赖于大剂量的强化训练以及对动作的高强度重复，以恢复肌力和关节活动范围。这些重复性活动通常基于日常生活中的动作，但由于运动恢复缓慢且训练内容重复，患者可能逐渐失去积极性，从而影响神经康复的效果⁴。尽管强化的物理治疗和作业治疗仍被视为主要治疗手段，但目前正研究多种新型辅助疗法，以期优化标准康复治疗的功能结局¹。

机器人辅助疗法在卒中康复中已显示出巨大价值，能够影响神经元突触可塑性和重组过程。该技术已被用于训练神经系统功能受损的患者，并帮助残障人士⁵。将机器人技术引入康复干预最重要的优势之一，在于其能够提供高强度、高剂量的训练，而传统方式实现同等训练强度将极为耗费人力⁶。结合虚拟现实计算机程序的机器人疗法，可实现对运动功能恢复的即时感知与评估，并能将重复性动作转化为有意义的、互动性的功能性任务，例如清洁炉灶表面⁷。这有助于提高患者对长期康复过程的积极性和依从性，并通过测量和量化运动能力，实现对康复进展的追踪⁵。将机器人疗法整合到现有临床实践中，可能提升康复治疗的疗效与效率，并推动新型锻炼模式的发展⁸。

治疗性康复机器人可提供任务特异性训练，可分为末端效应器型设备和外骨骼型设备⁹。这两种分类的区别在于设备将运动传递给患者的方式不同。末端效应器型设备结构较简单，仅在肢体最远端与患者肢体接触，因此较难实现单个关节运动的孤立训练。基于外骨骼的设备设计更为复杂，其机械结构与肢体的骨骼结构相对应，因此设备关节的运动可直接引起患者肢体产生相同的运动^7,9。

T-WREX 是一种基于外骨骼的机器人，可辅助整个上肢的运动（包括肩部、肘部、前臂、腕部和手指运动）。其可调节的机械臂能够提供不同水平的重力支持，使尚存部分上肢功能的患者能够在三维空间治疗中实现更大的主动活动范围^7,9。MIT-MANUS 是一种末端执行器型机器人，工作于单一平面（x轴和y轴），可在二维平面上进行重力补偿治疗，通过在水平或垂直平面内移动患者的手来辅助肩部和肘部运动^9,10。这两种机器人均内置位置传感器，可用于量化上肢的运动控制能力和恢复情况，并配备计算机接口，支持实现以下功能：1）在虚拟学习环境中模拟有意义的功能性任务训练；2）提供治疗性运动游戏，有助于训练运动规划、手眼协调、注意力以及改善视野缺损或忽视症状^7,9。此外，它们还能补偿重力对上肢的影响，可为重度功能障碍患者提供重复性、刻板动作的支持与辅助。随着患者功能的改善，机器人可逐步减少辅助程度，并对轻度功能障碍患者在运动过程中施加最小的辅助或阻力^9,11。

另一种用于神经康复的新技术是经颅直流电刺激（tDCS）。tDCS 是一种非侵入性脑刺激技术，通过施加低强度的直流电流来诱导皮层兴奋性的改变 通过 头皮电极^12,13根据电流方向的不同，阳极刺激可提高脑兴奋性，而阴极刺激则可降低脑兴奋性².

近年来，人们对经颅直流电刺激（tDCS）的兴趣日益增加，因为它已被证明对多种疾病具有有益作用，包括中风、癫痫、帕金森病、阿尔茨海默病、纤维肌痛以及抑郁症、情感障碍和精神分裂症等精神疾病²。tDCS 具有一些优势，例如相对成本较低、使用方便、安全性高且副作用罕见¹⁴。tDCS 还是一种无痛的方法，并且在临床试验中可以可靠地实现盲法，因为它具备伪刺激模式¹³。tDCS 单独使用可能并非功能恢复的最佳选择；然而，作为一种康复治疗中的辅助疗法，它正展现出越来越大的应用前景，因为它能够增强大脑可塑性¹⁵。

在本方案中，我们展示了结合机器人辅助治疗（使用两种最先进的机器人）和经颅直流电刺激（tDCS）这种非侵入性神经调节技术，作为在常规物理治疗基础上进一步改善康复效果的方法。大多数涉及机器人治疗或tDCS的研究均将其作为独立技术使用，而同时结合两种方法的研究较少，但联合应用可能带来超越单一干预的额外益处。这些小规模试验表明，这两种技术之间可能存在协同效应，有助于改善运动功能恢复和整体功能能力^{8,15,16,17,18,19}。因此，新型多模式疗法有望突破当前康复治疗的局限，进一步促进运动功能的恢复。

方案

本方案遵循本机构人类研究伦理委员会的指导原则。

1. 经颅直流电刺激（tDCS）

1. 禁忌症与特殊注意事项
   注意：经颅直流电刺激（tDCS）是一种安全的技术，通过电极输送恒定且低强度的直流电流，从而诱导被刺激区域神经元兴奋性的改变。
   1. 在设备设置之前，需确认患者不存在tDCS的任何禁忌症，例如既往tDCS治疗的不良反应、脑内植入医疗设备，或头部存在金属植入物。
   2. 纳入标准如下：患有轻度至中度上肢偏瘫的亚急性期和慢性期脑卒中患者。其他禁忌症包括颅骨缺损（可能改变电流强度和流向），且受试者必须无不稳定医学状况，如未受控制的癫痫。
   3. 应彻底检查患者头皮是否存在皮肤病变，例如急慢性皮肤病、伤口或其他炎症征象。出于安全考虑，应避免在有此类病变的区域放置电极或进行刺激。
2. tDCS所需材料
   1. 在开始操作前，检查以下所列材料是否齐全（图1）：tDCS刺激仪、9 V电池、2个导电电极、2个海绵电极、导线、2条橡胶头带（或魔术贴带、非导电带）、氯化钠（NaCl）溶液、卷尺
3. 测量定位
   1. 电极位置通常采用10/20系统EEG定位法，如先前发表的研究所述²⁰。确保受试者舒适地坐好。
   2. 首先定位头顶点（Cz）。
      1. 测量鼻根点（鼻梁或额骨与两块鼻骨交界处）至枕外隆突（外部枕骨隆起或最突出的隆起部分）之间的距离，并标记该长度的50%位置。使用油性铅笔或无毒水性记号笔将此初步Cz位置标记为一条线。
      2. 测量左右耳前点之间的距离（即耳屏前方区域），将其平分，并用一条线标记计算出的中点。
      3. 连接两条线形成十字交叉，两线交点即为头顶点（Cz）（图2）。
   3. 确定头上的目标刺激位点。
      注意：阳极刺激可增强被刺激脑组织的皮层兴奋性，而阴极刺激则降低其兴奋性。以往研究曾采用对病灶半球施加阳极刺激，或对对侧半球施加阴极刺激的方法，以降低未受损运动皮层的皮层兴奋性，同时提高受损运动皮层的兴奋性。本方案将描述双侧半球刺激（同一疗程中同时进行阳极和阴极刺激）以及初级运动皮层上的阳极刺激。
      1. 为定位初级运动皮层（M1），取从Cz到左侧或右侧耳前点距离的20%（图3）。该区域应对应于C3/C4 EEG位置。
      2. 将阳极置于同侧半球M1运动皮层中心，阴极置于对侧眶上区域（Fp）（图3）。
      3. 或者，将阳极置于同侧半球M1运动皮层中心，阴极置于对侧M1。tDCS电极的M1位置位于C3和C4导联（图3）。
4. 皮肤准备
   1. 检查皮肤状况，避免在有病变或受损皮肤的区域进行刺激。
   2. 将刺激部位的头发拨开以提高导电性。清洁皮肤表面，去除任何乳液或凝胶残留物。对于头发较厚的受试者，可能需要使用导电凝胶。
5. 电极放置与设备设置²⁰
   1. 完成皮肤准备并确定刺激部位后，将一条头带置于枕外隆突下方，并环绕头部周长固定。应使用非导电、非吸水性材料制成的头带，例如弹性带、魔术贴或橡胶带。
   2. 用生理盐水溶液浸湿海绵。对于35 cm²的海绵，每侧约6 mL溶液即可足够。避免过度浸泡海绵，防止液体泄漏至受试者身上。如有必要，可使用注射器添加更多溶液。
   3. 将导线连接至tDCS设备。确保导线极性正确，因为tDCS效应具有极性特异性（标准化规定：红色对应阳极电极，黑色或蓝色对应阴极电极）。
   4. 将连接线插针牢固插入导电橡胶嵌件中。
   5. 将导电橡胶嵌件插入海绵内。确保整个导电橡胶嵌件被海绵完全覆盖，且连接线插针不可见。
   6. 将第一个海绵电极置于头带下方，并确保海绵不会释放过多液体。
   7. 根据计划的电极蒙太奇连接两条弹性头带。
   8. 将第二个海绵电极放置在头部待刺激区域上方，并置于第二条弹性头带下方。
   9. 若电极与身体的总体电阻较高，可能提示电极设置不当。某些设备可提供电阻测量功能，理想情况下电阻应低于5 kΩ。
   10. 部分设备可在刺激过程中持续显示电阻值，这是检测潜在危险情况（如电极干燥）的有效方式。在此类情况下，若电阻超过某一阈值，设备可能会终止或降低刺激强度。
6. 刺激过程
   1. 确保患者在整个操作过程中保持清醒、放松且舒适坐姿²¹。
   2. 调整tDCS刺激仪参数（强度、时间及是否为假刺激，如适用）。根据以往研究，以1 mA强度施加20分钟直流电刺激。
      注意：对于假刺激干预，通常仅在最初30秒施加电流，以使受试者感受到刺激感。多项研究已证实该持续时间足以实现有效盲法，而不会真正影响皮层兴奋性²²。
   3. 启动tDCS刺激。通过逐步增加电流（斜坡上升）开始电流输出，以避免最严重的不良反应。某些设备可自动完成斜坡上升过程；若无此功能，则应在最初30秒内缓慢增加电流，直至达到预设最大电流值（本方案中为1 mA）。
   4. 开始电刺激后，部分患者可能会短暂感受到轻微瘙痒、头晕或眩晕。通过在每次刺激开始和结束时缓慢升降电流，可避免此类感觉。
   5. 操作结束后，应在30秒内逐步减小电流至零（斜坡下降）。
7. 操作后处理
   1. 为记录和评估刺激的安全性，应在操作结束后请患者填写一份关于常见不良反应及其严重程度的问卷。可能包括皮肤刺激、恶心、头痛、烧灼感、头晕、刺痛感或其他不适。
   2. 向患者说明，任何可能的副作用通常为轻度或中度，且多为暂时性。
   3. tDCS后，建议患者接受机器人辅助治疗。
      注意：在本方案后续章节中，将介绍MIT-Manus和T-WREX商用版本的使用方法。

2. 采用 MIT-Manus 的机器人疗法

1. 体位摆放
   注意：该机器人是一种用于上肢康复的交互式机器人。本研究中使用的版本可实现腕关节在水平面（平面）内的运动训练。
   1. 确保受试者坐在舒适且符合人体工学的椅子上，使用四点式安全带固定，并正对显示屏。
   2. 确保有经过培训的治疗师在场监督机器人训练过程。
   3. 将接受训练的手放入机器人手柄的握把中。调整环绕受试者手臂的两条绑带，并调节臂后侧支撑装置，以确保训练过程中手臂保持稳定。
   4. 将偏瘫侧上肢置于指定位置：肩关节屈曲30°，肘关节屈曲90°，前臂处于中立位（半旋前位），腕关节处于中立位。
   5. 在设备运行期间，确保肩关节和肘关节的活动范围限制在约45°以内。确保上臂固定不动，而腕关节具有充分的活动自由度。运动可在水平面内向各个可能的方向进行。
2. 训练过程
   1. 一次机器人训练会话中的运动次数可变；但通常情况下，会在同一平面内向所有可能的方向完成约320次重复运动。
   2. 显示屏会显示受试者需要执行任务的提示信息，并持续提供手臂位置的实时反馈。
   3. 机器人软件包含多种用于运动功能训练的治疗性游戏。视觉反馈通常表现为一个黄色球体，患者需将其从一个目标移动至另一个目标。此外还提供其他训练场景。
   4. 机器人仅在必要时提供辅助；例如，若受试者在2秒内无法自主完成目标动作，设备将协助完成该动作。若受试者缺乏足够的运动协调能力以完成目标动作，机器人将引导其手臂执行正确的运动。

3. 使用 MIT-Manus 机械臂进行训练

注意：该机械臂可在水平面上训练肘关节屈曲和伸展、肩关节前伸和后缩，以及肩关节内旋和外旋。

1. 体位摆放
   1. 对于 MIT-MANUS 上肢康复机器人，确保受试者舒适就座。相应调整安全带，并将患者右侧或左侧上肢放置于机器人装置上，调整两条绑带。
   2. 根据需要调节机器人的高度。根据需要调节桌面高度。
   3. 若出现任何不适或疼痛，立即按下紧急停止按钮以关闭机器人。
2. 训练
   1. 通过要求受试者沿指定线条移动其上肢来校准设备。
   2. 仅在必要时，机器人才会为患者提供辅助。例如，若受试者在 2 秒内无法自主完成目标动作，机器将协助其完成动作；若受试者缺乏足够的运动协调能力以执行目标动作，机器人将引导其上肢完成相应运动。
      注意：机器人软件包含多种用于运动训练的治疗性练习游戏。视觉反馈通常由一个黄色球体组成，患者需将其在不同目标之间移动。此外还提供其他训练场景。

4. 使用 T-WREX 进行训练

1. 定位
   注意：T-WREX 由一个适配受试者手臂的外骨骼组成，可在三维环境中自由活动肩关节、肘关节和腕关节。
   1. 确保受试者坐在一张舒适且符合人体工学的椅子上，面朝视频屏幕，该屏幕在虚拟现实环境中提供视觉和听觉反馈，帮助患者实现其目标。
   2. 让患者坐在机器人主模块前方。使用提供的遥控器相应调整外骨骼的高度。将机器人的外骨骼臂调整至患者需要训练的肢体侧（左侧或右侧）。
   3. 肩部上方保留约四指高度的空间。
   4. 将患者的肢体放入外骨骼中，并调节上臂和前臂的绑带。
   5. 相应调整外骨骼上臂和前臂的长度，以及上臂（A 至 I）和前臂（A 至 E）所需的重量（重力）补偿。该补偿为线性重力支持刻度，其中 A 表示无重力支持。
   6. 将这些测量值输入计算机。
   7. 在开始训练前，根据患者的能力调整并校准机器人的活动范围限制。
   8. 为测试已校准的活动范围，请患者在屏幕的所有方向上移动立方体。
2. 训练
   1. 在每次训练中，让个体向不同功能性目标执行约 72 次动作（一次 T-WREX 训练通常持续约 60 分钟）。
   2. 每次动作之间留出 10 秒间隔，以防止疲劳。72 次重复分为 3 组，每组 24 次动作。每组 24 次动作之间休息 5 分钟。

结果

经颅直流电刺激（tDCS）作为一种非侵入性脑刺激技术，近年来因其潜在的神经可塑性效应、设备成本相对低廉、操作简便且副作用较少而受到关注²²。研究表明，tDCS 的神经调节作用能够调节皮层兴奋性和可塑性，通过刺激初级运动皮层诱导突触可塑性，从而促进运动功能的改善⁴。阳极刺激通过促进初级运动皮层区域神经元的去极化，提高皮层兴奋性；而阴极刺激则使静息膜电位超极化，降低神经元放电，从而减少健侧半球初级运动皮层的半球间抑制。双极 tDCS 结合了这两种刺激方式，通过增强病灶同侧半球的活动并抑制对侧半球的活动来实现调节作用^12,23。

既往研究报道，单次20分钟的经颅直流电刺激（tDCS）后，其电生理效应可持续长达90分钟，行为学效应可持续长达30分钟。...

讨论

在本方案中，我们描述了一种联合经颅直流电刺激（tDCS）与机器人治疗的标准治疗方案，该方案作为传统康复治疗的补充，用于上肢功能障碍患者。本方案的目标是改善患者的运动功能和活动能力。操作过程中必须注意tDCS设备的电流逐渐上升（ramping-on）和逐渐下降（ramping-off），以避免任何不良反应的风险。tDCS是一种安全性较高的技术，文献中报道的副作用较少²。

该方案可进行细微调整。文献中先前的报道描述了在运动训练前、训练期间或训练后（无论是使用机器人还是人工辅助）应用经颅直流电刺激（tDCS）。在本方案中，我们描述了进行20分钟tDCS后立即开展机器人治疗。一些研究发现，tDCS与机器人训练同步进行时效果更佳。

卒中后，根据半球间竞争模型，运动功能障碍部分归因于受损半球初级运动皮层（M1）的输出减弱，以及来自对侧未受损半球M1的抑制性影响增强。在本方案中，我们选择对病灶侧M1进行阳极刺激，并阐述了双侧半球同时刺激的可能性。阳极经颅直流电刺激（tDCS）可提高受损M1的皮...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
经颅直流电刺激设备	Soterix Medical		Soterix Medical 1x1
9V 电池（2 节）
两条橡胶头带
两个导电橡胶电极
两个海绵电极
电缆
氯化钠溶液
测量卷尺
Armeo Spring 机器人	Hocoma
inMotion ARM	Interactive Motion Technologies