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方法文章

使用双侧上肢外骨骼机器人手开发一种新型任务导向型康复训练方案

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DOI：

10.3791/61057

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2020年5月20日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Chang Gung Memorial Hospital at Taoyuan, 2Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Chang Gung Memorial Hospital at Linkou, 3School of Medicine, Chang Gung University, 4Center for Vascularized Composite Allotransplantation, Chang Gung Memorial Hospital, 5Healthy Aging Research Center, Chang Gung University

本文内容

摘要

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。

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2,8。

既往研究仅将康复机器人用于上肢伸手任务的以任务为导向的训练3。目前尚不清楚机器人辅助康复如何应用于以手部功能为目标的以任务为导向的训练。一种外骨骼 手部装置HWARD已被用于引导手指抓握和释放物体8。然而，该装置由于缺乏必要的自由度，无法实现多种抓握模式。最近，已开发出其他可独立移动患者手指的装置9。然而，这些装置此前尚未用于神经康复。上述机器人装置均为单侧机器人。相比之下，本文介绍的机器人手部系统需要健侧手与患侧手协同配合。该机器人手部系统专为康复目的而设计，采用主从机制实现对称性双手协调运动。系统由一个外骨骼手部装置（佩戴于患侧手）、一个控制箱和一个传感手套（佩戴于健侧手）组成。外骨骼手部的每个手指模块均由一个具有单自由度的电机驱动，并通过机械连杆系统连接其关节。该装置设计了S和M两种尺寸，以适应不同受试者。控制箱提供两种治疗模式：被动关节活动度（PROM）模式和镜像引导运动模式，通过这两种模式可由外骨骼手部操控患者的患侧手。在PROM模式下，控制箱向外骨骼发送指令，带动受试者手部完成全范围的手指屈曲/伸展运动。该模式包含两种子模式：单指模式（按拇指至小指的顺序依次运动）和五指模式（五指同时运动）。在镜像引导运动模式下，采用主从（传感手套—外骨骼手部）机制，即每个手指的运动由传感手套检测，关节角度信号被传输至控制箱，进而操控外骨骼手部的相应动作。

当受试者配备机器人手系统时，需在其非患侧手控制下的外骨骼手引导下移动患侧手，此过程称为双侧运动训练（bimanual movement training, BMT）10。根据先前的研究，BMT 能够激活大脑双半球中类似的神经通路，并防止阻碍病灶半球神经功能恢复的跨半球抑制作用10。Brunner 等人.11在亚急性期卒中患者中比较了 BMT 与强制性运动疗法（constraint-induced movement therapy, CIMT）。他们指出，相较于 CIMT，BMT 更倾向于激活双半球更多的神经网络，且在改善手部功能方面，BMT 与 CIMT 之间无显著差异。Sleimen-Malkoun 等人12也提出，通过 BMT，卒中患者能够重新建立偏瘫肢体的控制能力以及双侧协调控制能力。也就是说，训练应包含侧重使用患侧上肢的双侧任务。此外，双手协调对于日常生活活动（activities of daily living, ADL）至关重要11,12。因此，为卒中后患者开发一种基于机器人辅助、以任务为导向的双侧训练方案，并设计可供佩戴机器人手系统患者抓握或捏取的物体，具有重要意义。

本研究根据作业治疗的需求以及康复机器人的机械特性，设计了多种抓握物体，并利用机器人康复设备为中风后上肢远端功能障碍患者制定了一项以任务为导向的训练方案。本研究旨在探讨使用外骨骼机器人及新设计抓握物体进行以任务为导向的训练方案的可行性与可接受性。

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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

  1. 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。
  2. 进行试验1：在不佩戴机械手系统的情况下操作物体。
    1. 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。
    2. 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.
    3. 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。
    4. 同时，记录这20次尝试的成功率。在连续3天内重复该操作。成功率定义为每20次尝试中成功操作的次数乘以100%。成功操作是指受试者能够根据物体特征以特定的抓握模式完成动作序列，且未发生物体掉落。
  3. 进行试验2：使用机械手系统操作物体图3).
    注意：该机械手系统的工作原理如下。在外骨骼手部结构中，每个手指模块的关节采用机械联动设计，由独立的直线驱动器以10 mm/s的恒定速度驱动。外骨骼各手指模块具有不同的活动范围（拇指：掌指关节MCP = 0°至55°，远端指间关节DIP = 0°至70°；示指和中指：掌指关节MCP = -10°至55°，近端指间关节PIP = 0°至35°，远端指间关节DIP = 0°至35°；无名指和小指：掌指关节MCP = -5°至55°，近端指间关节PIP = 0°至35°，远端指间关节DIP = 0°至35°）。在传感器手套中，每个手指模块均安装有一个弯曲传感器，用于测量关节角度，并通过导线将输入信号传送至控制箱。
    1. 传感器手套设置（图1B，b)
      1. 戴上传感器手套 在受试者的惯用手侧进行操作。使用尼龙搭扣固定手腕。
    2. 外骨骼装置设置（图1B，b)
      1. 用干净的垫布包裹非惯用手，将维可牢尼龙搭扣系紧。
      2. 松开外骨骼手部的拇指机构，以调节拇指张开角度。将非优势手放入外骨骼手部中，通过固定环将魔术贴固定在手掌侧。从食指开始，依次固定其余手指，最后固定拇指。
      3. 然后，将维可牢尼龙搭扣穿过固定环并平行于手腕固定。调整拇指至舒适角度，随后拧紧拇指固定装置。
    3. 控制箱设置（图1A，c)
      1. 插入外骨骼的电缆 将手和传感器手套插入外骨骼的插槽中 手部与传感器手套。然后，插入外骨骼的线缆 将手部传感器手套插入控制箱的插孔中。最后，将电源线插入控制箱，并将其连接至符合规定电压的电源插座。
    4. 进行热身训练（PROM 模式）
      1. 打开控制箱并将模式调节至 五指此模式允许外骨骼手被动地带动受试者的手指运动。要求受试者在外骨骼手的引导下完成抓握与释放任务，持续2.5分钟。
      2. 切换模式至 单指 并让外骨骼 手动逐一被动移动受试者的 fingers。要求受试者在外骨骼的引导下伸展和收缩单个手指，持续 2.5 min 手
    5. 进行机器人辅助的双侧运动训练 session。
      1. 切换模式至 镜像在此模式下，佩戴传感器手套的主手运动将控制外骨骼手部的运动。传感器手套所做的任何动作都会被外骨骼同步模仿并镜像呈现。 手部动作。例如，传感器手套食指的弯曲对应于外骨骼食指的弯曲。
    6. 指导受试者佩戴传感器手套后，先执行抓握-释放任务2.5分钟，随后进行单个手指运动2.5分钟。该动作由外骨骼手同步模拟，引导受试者的非优势手完成相应任务。
  4. 进行以任务为导向的会话。
    1. 指导受试者使用机械手系统操作设计好的物体，持续5分钟。操作包括：采用掌侧抓握方式拾取圆钉，采用侧方抓握方式拾取矩形立方体，采用三点钳形抓握方式拾取立方体，采用球形抓握方式拾取球体，以及采用圆柱形抓握方式拾取圆柱杆。
    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放置在这些基座上方，以辅助操作。对所有物体均重复以下序列20次：要求受试者使用机械手系统在基座的起始区域抓握物体，提起并移动至中线位置，然后释放。
    3. 同时，记录这20次尝试的成功率。在连续3天内重复该操作程序。成功率定义为每20次尝试中成功操作的次数乘以100%。成功操作是指受试者能够使用机械手系统以特定的抓握模式完成序列动作，且未发生物品掉落。
      注意：成功率将用于评估双手操作的机器人手系统在健康受试者中的可行性。

2. 招募三名脑卒中患者以确定训练方案的适用性

  1. 使用以下纳入标准进行筛选：（1）年龄20–60岁；（2）签署知情同意书；（3）单侧卒中诊断且病程≧1个月；（4）改良Ashworth量表（MAS）评分≦2分；（5）Brunnstrom分期≦2期；（6）简易精神状态检查（MMSE）评分≧24分。
  2. 进行试验1：在不使用机械手系统时操作物体图2).
    1. 让受试者坐在有稳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，检查者站在其患侧。在受试者肘部下方放置吊带，并支撑其外骨骼手部，以托住患侧上肢。
    2. 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杆。
    3. 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件物品放置在基座上方，以辅助操作。要求受试者使用其患侧手对五种不同的物体各进行20次操作。如有需要，协助受试者移动其上臂。
    4. 同时，记录这20次尝试的成功率。在连续3天内重复该操作。
  3. 进行试验2：使用机械手系统操控物体图3).
    1. 将外骨骼手装置佩戴于受试者患侧手，并将传感器手套佩戴于健侧手。重复步骤1.3.1–1.3.3。在受试者肘部及外骨骼手下方放置吊带，以支撑其患侧上肢。
    2. 进行热身训练（PROM 模式）。
      1. 打开控制箱并将模式调节至 五指要求受试者在机械外骨骼手的引导下执行抓握-释放任务，持续2.5分钟。
      2. 切换模式至 单指让受试者在2.5分钟内根据外骨骼手的引导单独伸展和回缩手指。
      3. 切换模式至 镜像指导受试者佩戴传感器手套后，先执行抓握-释放任务2.5分钟，随后进行单个手指运动2.5分钟。外骨骼手部装置将同步复制该动作，引导受试者的患手完成相应任务。
    3. 开展一项以任务为导向的会话。
    4. 指导受试者使用机械手系统操作设计好的物体，持续5分钟。操作包括：采用掌侧抓握方式拾取圆柱销，采用侧方抓握方式拾取矩形立方体，采用三点钳形抓握方式拾取立方体，采用球形抓握方式拾取球体，以及采用圆柱形抓握方式拾取圆柱杆。
    5. 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放置在这些基座上方，以辅助操作。对所有物体均重复以下序列20次：要求受试者使用机械手系统在基座的起始区域抓握物体，提起并移动至中线位置，然后释放。
    6. 同时，记录这20次尝试的成功率。在连续3天内重复该操作程序。成功率定义为每20次尝试中成功操作的次数乘以100%。成功操作是指受试者能够使用机械手系统以特定的抓握模式完成序列动作，且未发生物品掉落。
      注意：成功率将用于评估中风患者使用机械手系统的可行性。

3. 患者评估

  1. 为评估可接受性，在每次训练结束后向受试者提出以下问题：（1）机械手系统是否有助于您操作物体？（2）在训练过程中或训练结束后是否发生任何不良事件？

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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

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
控制箱Rehabotics Medical Technology CorporationHB01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 CorporationHS01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 CorporationHM01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。

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