本实验方案概述了一种用于上肢功能障碍卒中患者的双侧上肢任务导向型机器人系统。研究结果表明,该系统可显著改善卒中患者的上肢功能及日常生活活动能力。
本实验方案概述了一种用于上肢功能障碍卒中患者的双侧上肢任务导向型机器人系统。研究结果表明,该系统可显著改善卒中患者的上肢功能及日常生活活动能力。
高强度重复性且以任务为导向的训练已被证明可促进中风患者肢体功能的恢复。此外,双侧上肢训练有助于中风幸存者恢复上肢功能,并改善其日常生活活动能力。双侧上肢任务导向型机器人系统旨在通过机器人装置,辅助中风患者的健康侧肢体带动患侧肢体完成双侧上肢训练。该系统还可利用力反馈与人机交互技术,引导患者进行双侧上肢协调运动,并使其参与以任务为导向的虚拟游戏。本研究旨在评估该系统在改善中风患者上肢功能及日常生活活动能力方面的有效性。评估方法包括运动诱发电位(MEP)、偏瘫上肢功能测试-香港版(FTHUE-HK)、Fugl-Meyer 上肢运动功能评估量表(FMA-UE)以及改良Barthel指数(MBI)。研究结果表明,经过6周治疗后,双侧上肢任务导向型机器人系统可显著改善中风患者的皮质脊髓通路功能、上肢功能及日常生活活动能力。该系统可作为中风幸存者上肢功能康复的有效辅助手段,减少对康复治疗师的依赖。综上所述,双侧上肢任务导向型机器人系统为中风后肢体功能康复提供了新策略,具有广阔的应用前景,并可带来一定的社会与经济效益。
脑卒中是导致残疾的主要原因之一,也是全球第二大死亡原因1,2。脑卒中患者常面临多种挑战,如运动、感觉和认知功能障碍3。上肢功能障碍是脑卒中后常见的问题,表现为偏瘫侧上肢的肌力减弱、肌张力增高以及运动能力下降4。据报道,超过70%的脑卒中患者存在上肢功能障碍,其中仅约5%能恢复至正常水平,20%可部分恢复上肢功能5。人类超过一半的日常活动需要上肢参与6,脑卒中后的上肢功能障碍严重影响患者的日常生活活动能力7,显著降低其生活质量8,并增加其经济负担9。因此,探索有效的上肢功能康复方法尤为重要。
多种临床上肢康复治疗方法,如镜像疗法、强制性运动疗法、功能性电刺激以及其他主动或被动训练,常用于脑卒中患者的康复3,10。近年来,双侧上肢训练受到越来越多的关注6,11,12。研究表明,该训练可增强同侧和对侧半球感觉运动区之间的神经连接性12。此类训练有助于纠正半球间抑制的异常,促进大脑功能网络的重组,最终改善上肢功能12,13。此外,机器人辅助训练也被证实可帮助患者持续执行准确的肢体动作,并参与任务特异性训练14。该过程为大脑提供了大量反馈刺激,最终增强神经可塑性,有助于偏瘫患者上肢功能的恢复14,15。目前关于利用机器人辅助双侧上肢训练干预脑卒中患者的研究仍较为有限。本研究采用一种双侧上肢任务导向型机器人系统,将机器人辅助训练与双侧上肢训练相结合。通过该机器人装置,协助脑卒中患者以正确的运动模式进行高重复性的双侧上肢任务导向训练。研究目的在于评估该方法对脑卒中幸存者皮质脊髓通路、上肢功能及日常生活活动能力的影响,旨在探索上肢功能康复的创新策略。
本研究(批准号:JXEY-2020SW038)经嘉兴市第二医院医学伦理委员会批准,所有参与者均签署知情同意书。本研究旨在通过一项随机、单盲、对照试验评估某项方案的可行性和有效性。2021年1月至12月期间,共纳入60名在嘉兴市第二医院住院的卒中患者。
注:纳入标准包括:1)通过计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)确诊为脑梗死或脑出血;2)首次发病且为单侧病灶,病程为2周至3个月,病情稳定;3)年龄在25至75岁之间;4)无偏盲或单侧空间忽略,且无视觉或听觉障碍;5)意识清醒,依从性好,能够参与康复治疗;6)存在明确的单侧上肢功能障碍,改良Ashworth量表(MAS)分级≤ 216。排除标准包括:1)既往有颅脑外伤或其他颅内疾病史;2)严重心肌梗死、心绞痛、肝、肾、肺或其他重要器官疾病,恶性肿瘤等;3)既往有精神疾病或癫痫史;4)偏瘫侧肢体存在明显疼痛、麻木或其他感觉障碍;5)双侧上肢活动明显受限。
1. 研究设计
2. 双上肢任务导向型机器人系统训练过程
注意:只有实验组中的卒中患者接受了这些训练课程。
3. 随访程序
本研究共纳入60例脑卒中患者,将其分为对照组(n = 30)和实验组(n = 30)。比较两组患者在年龄、性别、脑卒中类型、病程、偏瘫侧别及其他一般资料方面的差异,均无统计学显著性(P > 0.05),表明两组具有可比性(表1)。接受双侧上肢任务导向型机器人系统训练的实验组患者,在运动诱发电位(MEPs)、上肢Fugl-Meyer评估(FMA-UE)、上肢功能测试-香港版(FTHUE-HK)及改良Barthel指数(MBI)方面的改善程度优于接受常规治疗的患者。
经过6周的训练后,实验组的运动诱发电位(MEPs)检出率高于对照组(P < 0.05)(表2)。训练结束后,两组患者的FTHUE-HK评分均较治疗前有所改善(P < 0.05),其中实验组的改善程度较对照组更为显著(P < 0.05)(表3)。此外,两组患者的FMA-UE评分和MBI评分均较治疗前显著提高(P < 0.05),且实验组的提升幅度明显大于对照组(P < 0.05)(表4)。这些结果表明,双侧上肢任务导向型机器人系统在促进卒中患者上肢功能恢复方面具有显著效果。
采用适当的软件进行统计分析,双尾检验的显著性水平设定为 P < 0.05。测量数据经验证符合正态分布且方差齐性。对于符合正态分布的连续变量,组内治疗前后的比较采用配对 t 检验,组间比较则采用两独立样本 t 检验。计数资料采用 χ2 检验进行分析,组内等级变量的比较采用 Wilcoxon 符号秩检验,组间分析则使用 Mann-Whitney 检验。

图1:双侧上肢任务导向型机器人系统。 该系统协助脑卒中患者进行双侧上肢训练,以促进上肢功能的恢复。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:空中飞行游戏。在机器人的辅助下,患者被引导通过控制计算机屏幕上的虚拟飞机,使其沿设定的飞行路径飞行。同时,虚拟飞机需捕捉虚拟金币。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:乒乓球游戏。 在机器人的辅助下,患者被指导控制虚拟乒乓球拍,并移动球拍以接住飞行中的乒乓球。请点击此处查看此图的放大版本。

图 4:桥梁与道路游戏。患者被引导控制屏幕上木桥的两端,并将其移动到不同的距离。需将两个不同高度的梯子连接并维持一定时间,以便虚拟反派角色能够顺利通过。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:举重游戏。患者应控制屏幕上举重杠铃的两端,将其移动到不同距离,将杠铃压至目标位置,并保持指定时间。请点击此处查看此图的放大版本。

图6:泡泡匹配游戏。患者应通过健侧和患侧控制屏幕左右两端的两个虚拟手指。上肢需使用虚拟手指选择左右两列图片中相同的项目,并保持该姿势至指定时间。请点击此处查看该图的放大版本。
| 组别 | n | 性别 (n) | 年龄 (x ± s, 岁) | 病程 (x ± s, 天) | 脑卒中类型 (n) | 偏瘫侧 (n) | |||
| 男性 | 女性 | 缺血性 | 出血性 | 左侧 | 右侧 | ||||
| 对照组 (n=30) | 30 | 16 | 14 | 56.70±7.60 | 38.77±15.71 | 14 | 16 | 14 | 16 |
| 实验组 (n=30) | 30 | 17 | 13 | 57.17±6.93 | 39.47±16.23 | 17 | 13 | 17 | 13 |
| P | >0.05 | >0.05 | >0.05 | >0.05 | >0.05 | ||||
表1. 两组之间的基线特征。 该表全面比较了对照组和实验组的基线特征,包括人口统计学和临床数据,以确保组间具有可比性。
| 组别 | n | 治疗前 | 治疗后 | ||
| 有反应 | 无反应 | 有反应 | 无反应 | ||
| 对照组 (n = 30) | 30 | 8 | 22 | 10 | 20 |
| 实验组 (n = 30) | 30 | 7 | 23 | 18 | 12 |
| P | >0.05 | <0.05 | |||
表2. 两组间运动诱发电位反应的比较。 该结果展示了双侧上肢任务导向型机器人系统对脑卒中患者皮质脊髓束通路的影响。
| 组别 | FTHUE-HK(M(P25, P75)) | |
| 对照组 (n = 30) | 治疗前 | 3(2,3) |
| 治疗后 | 3(3,4)* | |
| 实验组 (n = 30) | 治疗前 | 3(2,3) |
| 治疗后 | 4(3,5)*# | |
| *P < 0.05,与治疗前比较;#P < 0.05,与对照组比较 | ||
表3. 两组间FTHUE-HK的比较。 该表描述了双侧上肢任务导向型机器人系统对脑卒中患者上肢功能的影响。
| 组别 | FMA-UE (x ± s) | MBI (x ± s) | |
| 对照组 (n=30) | 治疗前 | 25.33±11.72 | 44.27±13.21 |
| 治疗后 | 34.63±13.06* | 51.03±12.55* | |
| 实验组 (n=30) | 治疗前 | 25.93±11.87 | 44.93±14.10 |
| 治疗后 | 42.37±15.20*# | 59.73±14.63*# | |
| *P < 0.05,与治疗前比较;#P < 0.05,与对照组比较 | |||
表4. 两组间FMA-UE与MBI的比较。该表展示了双侧上肢任务导向型机器人系统对脑卒中患者上肢功能及日常生活活动能力的影响。
双侧训练已被证明可使卒中患者的皮质间抑制正常化,促进脑功能网络的重组,并最终改善上肢功能21。本研究提出了一种利用双侧上肢任务导向型机器人系统对卒中患者进行上肢功能训练的方案。该方案结合了双侧上肢运动、任务导向性活动以及机器人辅助训练,以增强卒中患者上肢功能的康复效果。
在实施双上肢任务导向型机器人系统训练时,有几个关键步骤需要特别注意。首先,治疗师应根据患者上肢的功能状态和治疗目标,及时调整机器人手臂的倾斜角度以及两臂之间的夹角。其次,必须根据患者上肢的肌力准确选择系统提供的辅助或阻力水平。当患者的训练得分达到最大值时,应立即调整至下一训练级别。第三,在阻力训练模式下,治疗师应根据患者双侧上肢的肌力情况,分别设定健侧和患侧的阻力水平,以及阻力的方向(包括推和拉)。
双侧上肢任务导向型机器人系统训练涉及上肢在多个平面和方向上的运动。然而,在训练过程中随机切换这些平面和方向是不可行的,因为每次切换都需要暂停当前训练会话,以重新调整系统状态。一些研究人员已采用两个相同的机器人来协助患者进行三维空间中的双侧上肢训练4。尽管这种方法使患者能够在训练中进行多方向运动,但在健康侧与患侧肢体之间有效传递力量方面仍存在挑战。随着双侧上肢任务导向型机器人系统在后续阶段的不断优化,必须提高机械臂的运动自由度,以适应上肢多方向运动训练的需求。此外,必须解决部分患者在使用该系统训练时出现的代偿性躯干运动问题。此类代偿性动作可能减小上肢的活动范围,并可能导致异常运动模式的形成。为减轻这一问题的影响,治疗师应在训练过程中及时提醒患者保持正确的坐姿,并遵循规范的运动模式。
大多数传统的双侧上肢训练方法需要健侧手握住患侧手,或通过某种装置(例如木棒)将双手连接起来。相比之下,本研究中采用的双侧上肢任务导向型机器人系统训练具有显著优势。研究表明,精确且高度重复的康复训练可增强脑卒中患者的肢体功能恢复22。然而,脑卒中后,患者常表现为患侧肢体肌力下降,同时健侧肢体的运动功能也有所减退23,24。因此,在传统双侧上肢训练过程中,患者难以长时间持续、重复地维持正常的运动模式。此外,在完成特定动作时,健侧上肢可能施加较大力量,而患侧上肢仅施加微弱力量,从而导致患侧肢体无法充分参与。双侧上肢任务导向型机器人系统训练可根据患者患侧上肢的肌力水平,调节从健侧上肢传递至患侧的力,从而促进患侧肢体逐步、有序地参与训练。该训练还借助机器人辅助,使患者能够执行高度重复且精确的动作,这已被证明可向大脑提供持续反馈,促进功能重组,最终改善肢体功能14,22。此外,双侧上肢任务导向型机器人系统训练中融入的虚拟游戏具有明确的任务导向性,研究已表明此类训练可改善脑卒中患者的上肢功能及其日常生活活动能力25,26。
本研究中,患者的运动诱发电位(MEP)仅依据可检测到的 MEP 存在与否进行判断。这一决定是由于无法对 MEP 的潜伏期和波幅进行系统的比较分析,部分患者未能检测到 MEP。研究纳入的患者病程差异较大,从 2 周到 3 个月不等,可能因自发性恢复程度不同而影响研究结果。患者筛选标准仅关注卒中类型和偏瘫侧别,未考虑具体的脑损伤区域,从而影响了疗效的比较分析。此外,本研究还存在其他局限性。首先,肌张力较高的患者(MAS > 2)被排除在实验之外,因其病情可能影响训练效果。其次,实验疗效评估仅持续至干预后 6 周,缺乏长期随访数据。第三,所有受试者均处于发病后 3 个月内,因此该训练方法在超过 3 个月病程的患者中的有效性尚不明确。此外,本研究样本量较小,提示未来需要开展更大规模、更具多样性的研究。针对上述问题,我们将在后续研究阶段实施进一步的改进与优化。
综上所述,双侧上肢任务导向型机器人系统在改善卒中患者的上肢功能及日常生活活动能力方面已显示出良好的应用前景。该方法值得在临床环境中更广泛地应用于卒中后上肢功能康复。
作者声明本研究中不存在利益冲突或财务披露。
我们感谢嘉兴市第二医院的患者和医务人员在研究过程中给予的支持与合作。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 双上肢任务导向型机器人系统 | Auckland Tongji Rehabilitation Medical Equipment Research Center, Tongji Zhejiang College | N/A | 双上肢任务导向型机器人系统可通过调节健侧与患侧上肢之间的力传递,辅助脑卒中患者进行双侧上肢虚拟游戏训练。 |
| 磁刺激治疗系统 | Sichuan Junjian Wanfeng Medical Equipment Co.,Ltd. | http://www.jjwf-med.com | 该系统可用于测量运动诱发电位(MEP) |
| SPSS 25.0 | IBM | Version 25.0 | https://www.ibm.com/support/pages/downloading-ibm-spss-statistics-25 |