本研究报道了一种新型机器人辅助的以任务为导向的手功能康复方案的开发过程。该开发过程包括对健康受试者以及中风后出现运动控制功能障碍的受试者进行的实验。
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本文内容
摘要
摘要
机器人辅助手用于上肢功能受损患者的康复治疗，特别是用于运动控制能力丧失的中风患者。然而，目前尚不清楚传统的作业训练策略如何应用于康复机器人。本研究结合新型机器人技术与作业治疗理念，开发了一种训练方案，使上肢功能受损的患者能够通过多种捏取和抓握动作，利用患侧手抓取物体。为恰当实施该方案，我们选用了五种类型的物体：圆钉、长方体块、立方体块、球体和圆柱形杆。同时，为患者配备了一种名为Mirror Hand的外骨骼 手部装置，该装置佩戴于受试者的患侧手上，并跟随其健侧手所佩戴的传感器手套的运动（即双侧运动训练，BMT）。本研究分为两个阶段：首先招募了三名健康受试者，以测试该训练方案的可行性与可接受性；随后招募了三名因中风导致手功能障碍的患者，在连续三天内实施训练，以进一步验证该方案的可行性与可接受性。每天训练过程中，患者需接受5分钟被动关节活动度训练、5分钟机器人辅助双侧运动训练，以及使用上述五种物体进行的以任务为导向的训练。结果显示，无论是健康受试者还是中风患者，在佩戴机器人辅助手后均能成功抓取各类物体。在可行性与可接受性方面，健康受试者及中风患者均能良好地完成机器人辅助的以任务为导向的训练方案。
引言
大多数（80%）脑卒中患者会出现手部功能障碍，在独立完成与日常生活相关的手工任务方面存在困难1。然而，由于手工任务具有复杂性，设计面向任务的手功能康复训练方案仍面临重大挑战2。近年来，已开发出多种用于手部康复的机器人装置3,4，但目前鲜有基于机器人辅助的训练方案能够允许患者与真实物体进行交互。对于因脑卒中导致手部功能障碍的患者，如何利用机器人装置实施面向任务的手功能康复训练，尚不明确。
以任务为导向的训练可用于改善手部功能5,6，常用于中风所致上肢功能障碍的康复治疗。该训练旨在增强神经可塑性，其效果在很大程度上取决于个体的神经功能缺损程度和功能需求7。然而，在进行以任务为导向的训练时，若患者手部功能受损，则在操作物体时会遇到困难，例如抓握能力差或捏力功能受限。治疗师在单独引导患者手指运动时也存在困难，从而限制了抓握任务的多样性。因此，有必要采用机器人装置，通过在重复性训练中明确引导手部运动，以提高以任务为导向的训练的有效性2,
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方案
该培训方案和知情同意书已提交至长庚医疗财团机构审查委员会，并获得批准。研究人员已向每位受试者详细说明了研究的具体内容和相关操作步骤。
1. 招募三名健康成年人
- 使用以下纳入标准进行筛选：（1）年龄20–60岁，（2）已签署知情同意书，（3）上肢功能正常，（4）简易精神状态检查（MMSE）评分≧24。
- 进行试验1：在不佩戴机械手系统的情况下操作物体。
- 指导受试者坐在一把有坚固靠背且无扶手的椅子上，保持直立姿势。将受试者安置在桌子前方，检查者站在其非优势侧。
- 指导受试者操作设计好的物体5分钟。包括使用手掌抓握方式拾取圆钉，使用侧方抓握方式拾取矩形立方体，使用三指钳形抓握方式拾取立方体，使用球形抓握方式拾取球体，以及使用圆柱形抓握方式拾取圆柱形杆状物。
注意：图中所示物体为 图1A实验装置如图所示 图1B受试者学会了每件物体的特定抓握模式。抓握模式如图所示。 图2. - 在受试者双手前方两侧各放置一个基座。将康复训练中使用的每个物体置于基座上方，以辅助操作。对所有物体均重复以下序列20次：要求受试者用非优势手在基座的起始区域抓握物体，提起并移至中线位置，然后释放。
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结果
本研究共纳入六名受试者，包括三名健康受试者和三名脑卒中后受试者。两组的基线人口学数据见补充表1。健康组的平均年龄为28岁（范围：24–30岁），而患者组的平均年龄为49岁（40–57岁）。患者组的平均评估评分如下：（1）简易精神状态检查（MMSE）=27（26–29），（2）Fugl-Meyer评估（FMA）=11.3（6–15），（3）改良Ashworth量表（MAS）=1，（4）Brunnstrom分期=2。
在步骤1中，健康组的受试者（n=3）使用和不使用机械手系统均能完美地操作所有物体（补充表2–6）。如图4所示，在3天内不使用机械手时的平均成功率为：圆钉=100±0%（均值 ± 标准差）；矩形立方体=100±0%；立方体=100±0%；球体=100±0%；圆柱杆=100±0%。如图4所示，在3天内使用机械手时的平均成功率为：圆钉=100±0%；矩形立方体=100±0%；立方体=100±0.......
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讨论
本研究的结果表明：（1）两组受试者均能成功利用机器人手系统抓取提供的物体，完成该任务的成功率接近100%，验证了所提出的机器人辅助任务导向型训练方案的可行性。（2）在研究期间未出现任何损伤或不良事件报告，所有患者均表示机器人手系统有助于物体操作，证实了该机器人手系统及训练方案的可接受性。
这是首个使用双侧机器人手系统与真实物体进行交互的实验方案8,13,14。依赖手部功能的日常活动十分复杂15，尤其是双手协同任务12，例如穿裤子或拧干毛巾。我们提出，通过双侧练习不同抓握模式的训练方案，能够促进受试者的手部功能，并提升实际日常生活活动（ADL）的表现能力。本研究中所用物体的设计考虑了可行性、稳定性和弹性。具体而言，物体的形状、尺寸和材料均经过设计，以适配外骨骼手的刚性关节位置，并提供充分的感觉反馈。此外，.......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
本项目由长庚医学基金会（资助编号 BMRP390021）以及中国台湾科技部（资助编号 MOST 107-2218-E-182A-001 和 108-2218-E-182A-001）提供支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 控制箱 | Rehabotics Medical Technology Corporation | HB01 | 控制箱包含电源、传感器手套信号接收器、电机信号发射器以及外骨骼手部运动模式选择单元。 |
| 外骨骼手部装置 | Rehabotics Medical Technology Corporation | HS01 | 该装置为可穿戴设备，通过外部电机和机械组件驱动，使患者手指产生运动。 |
| 传感器手套 | Rehabotics Medical Technology Corporation | HM01 | 佩戴于患者未受影响一侧的手部。传感器手套内的传感器可检测手部的屈曲与伸展动作，该数据将在双手模式下用于控制外骨骼手部装置。 |
参考文献
- Hung, C. S., et al. The effects of combination of robot-assisted therapy with task-specific or impairment-oriented training on motor function and quality of life in chronic stroke. PM & R: The Journal of Injury, Function, and Rehabilitation. 8 (8), 721-729 (2016).
- SangWook, L., Landers, K. A., Hyung-Soon, P.
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重印与许可
