中风患者上肢功能恢复中双侧上肢任务导向型机器人系统的应用

摘要

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。

摘要

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。

引言

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。

方案

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

1. 将符合指定标准的患者（n = 60）随机分为两组：实验组（n = 30）和对照组（n = 30）。
2. 由一名熟练的作业治疗师在6周治疗前后完成以下功能评估，该治疗师对患者的分组情况不知情。
   1. 运动诱发电位（MEP）：
      1. 使用磁刺激治疗系统，按照Groppa等¹⁷建立的指南在患者中诱发运动诱发电位。
      2. 测试期间，让患者以稳定且舒适的方式面对设备坐好，并将记录电极片放置于拇短展肌和腕关节骨突处。
      3. 然后将磁刺激线圈中心置于脑损伤侧的运动皮层上方，线圈手柄与矢状面成45°角。
      4. 以100%强度对运动皮层区域进行10次刺激，记录运动诱发电位的有无及其潜伏期和波幅。
         注：由于并非所有患者均能检测到运动诱发电位，因此无法对两组患者诱发电位的潜伏期和波幅进行充分的比较分析。因此，本研究旨在确定MEP的有无，并比较两组患者中可检测到MEP的比例。可检测到MEP的比例越高，提示卒中患者增强皮质脊髓通路的潜力越大。
   2. 进行偏瘫上肢功能测试—香港版（FTHUE-HK）。
      1. 使用该量表评估患者上肢功能，包含12项任务，如将手放在膝盖上、拧干毛巾等。
         注：每项任务必须在3分钟内完成，最多尝试3次。该量表共7个等级，等级越高表示上肢功能越好¹⁸。
   3. 使用Fugl-Meyer上肢运动功能评估量表（FMA-UE）。
      1. 使用该量表评估肩、肘、前臂、腕和手的运动功能。
         注：评分为0表示无法完成指定动作，评分为1表示部分完成，评分为2表示完全完成。该量表最高分为66分，分数越高表示上肢运动功能越好¹⁹。
   4. 计算改良Barthel指数（MBI）。
      1. 使用该量表评估患者日常生活活动能力。
         注：该量表包含10个项目，如进食、穿衣、洗澡等，最高分为100分。分数越高表示患者日常生活独立性越强²⁰。
3. 确保所有患者均根据个体情况接受常规药物治疗，包括降压药、降糖药、调脂药等。
   注：卒中患者的药物选择基于其个体情况，可能因人而异。
4. 确认所有患者均接受了为期6周的常规物理治疗、前臂和手部作业治疗以及日常生活活动能力训练。
5. 确保对照组患者在6周内每天接受1小时针对上肢功能的常规作业治疗。
   注：针对上肢功能的常规作业治疗包括肩关节和肘关节的运动控制训练、滚筒训练、套圈训练以及伸手取物训练。
6. 确认实验组患者在6周内每天接受30分钟针对上肢功能的常规作业治疗，同时每天额外接受30分钟双侧上肢任务导向型机器人系统训练。

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。

1. 启动机器人系统设备，打开系统的计算机屏幕，启动 ULCOT 康复 应用，进入系统主界面。
2. 在初次训练期间，单击 注册 为每位患者建立个人档案，主要包括姓名、性别、年龄、病例号、诊断结果、受累侧别及其他相关医疗信息。
3. 点击 登录 在系统主界面中，从列表中选择需要训练的患者，并进入该患者的训练系统界面。
4. 协助患者站在机器人设备前方，确保距离安全且舒适。
5. 点击 调节 进入患者训练系统的界面，进入设备参数调节界面，并为患者设置适当的参数。
   注意：每次训练会话无需重新设置参数。登录患者训练系统界面后，系统将自动调整为该患者上一次训练会话所设定的参数。治疗师可根据治疗目标对相应参数进行修改。若无需更改参数，用户可直接点击 训练 在训练系统界面中进入训练程序设置界面。
   1. 点击 + 或 - 以增加或减少平台的高度 平台高度调节 模块。根据患者的身高调整设备平台的高度。
   2. 点击 + 或 - 以增加或减少系统机械臂的倾斜角度 手臂倾斜角度调节 模块。根据患者的肩关节屈伸训练目标调整机械臂的倾斜角度（目标位置越高，角度越大）。
   3. 点击 + 或 - 以增大或减小两个机器人臂之间的夹角 手臂角度调节 模块。根据患者上肢内收和外展训练目标调整机械臂之间的角度（目标越高，角度越大）。
6. 点击 培训 进入患者训练系统界面以设置训练程序界面。
   1. 根据患者上肢功能状态选择合适的训练方案。当偏瘫侧上肢无法主动完成机械手柄的全范围活动时，应选择辅助训练方案。
   2. 相反，如果偏瘫侧上肢能够主动操作机械手柄完成全范围关节活动，则选择阻力训练程序。
7. 讲解并示范所选项目的训练方法，告知相关注意事项，以确保患者能够安全、准确地进行训练。
8. 帮助患者将双手固定在两个机械臂末端的把手处图1).
9. 进行双上肢任务导向型机器人系统训练。
   1. 对于无法主动操作机械手柄以实现偏瘫侧上肢全范围活动的患者，在训练程序设置界面点击“辅助”进入辅助训练模式界面。
      注意：治疗师可自行选择 空气飞行 游戏或 乒乓 在辅助训练模式下，患者可选择一款游戏进行训练。需要注意的是，每位患者每次训练会话仅可选择一款游戏。
      1. 将时间设置为 30 min 训练时间 模块，并选择为患者设定的水平 辅助级别 模块
         注意：该模式提供6个辅助等级，其中第6级在双侧上肢训练期间由机器人和健侧上肢共同驱动患侧上肢；而第1级则指患侧上肢在无外力辅助的情况下直接参与双侧上肢训练。训练从第6级开始，患者需在每个等级获得满分后方可进入下一级。当患者在辅助等级1达到满分训练分数时，即视为已具备进入抗阻模式训练的条件。
      2. 点击 空气飞行 或 乒乓，然后点击 开始 进入游戏界面。
      3. 空气飞行 游戏：指导患者在机器人装置的辅助下，通过健侧肢体操控患侧上肢，控制计算机屏幕上显示的虚拟飞机，使患者能够优化其努力程度，引导虚拟飞机沿指定飞行轨迹行进，同时捕捉虚拟金币。图2).
      4. 乒乓 游戏：在机器人的辅助下，指导患者使用健侧肢体带动患侧上肢控制虚拟乒乓球拍，移动球拍以接住飞行中的乒乓球图3).
   2. 对于能够主动操作机械手柄以实现偏瘫侧上肢全范围活动的患者，请点击 抗性 在训练程序设置界面中，进入阻力训练模式界面。
      注意：在抗阻训练模式中，参与者可从五款可选游戏中进行选择： 空中飞行，乒乓球，桥梁 & 路，举重， 和 弹跳匹配每次训练只能选择一个游戏。
      1. 将时间设置为 30 min 训练时间 模块，并分别在“健康侧水平”和“患侧水平”模块中选择健康侧与患侧的阻力级别。
         注意：在抗阻训练模式中，可根据患者上肢肌力，为健侧和患侧分别设置抗阻等级，等级范围为1（最低抗阻）至10（最高抗阻）。初始治疗从1级抗阻开始，当患者在当前训练等级达到满分后，方可进入下一级别。
      2. 在 健康侧抗阻方向 和 患侧阻力方向 模块，在抗阻训练中分别为患者健侧和患侧上肢选择系统指示的抗阻方向。
         注意：阻力的方向应根据锻炼目的为患者选择，包括推和拉。
      3. 选择目标需要保持的时间长度 孵育时间 模块
         注意：时间根据患者的上肢功能确定，范围为1至10秒。时间越长，难度越大。若设定的保持时间为10秒且训练得分为满分，则下一次训练将增加阻力水平。空中飞行和乒乓球游戏不包含此步骤。
      4. 单击以选择以下游戏之一： 空中飞行，乒乓球，桥 & 道路，举重， 和 匹配气泡. 点击 开始 进入游戏界面。
      5. 空气飞行 游戏：指导患者通过健康侧和患侧上肢抵抗机器人手臂施加的阻力，控制虚拟飞机，使患者在沿指定飞行轨迹引导虚拟飞机的过程中优化用力，并同时捕捉虚拟金币。
      6. 乒乓 游戏：指导患者通过对抗机器人手臂施加于健侧和患侧上肢的阻力，控制虚拟乒乓球拍，移动球拍以击打飞行中的乒乓球。
      7. 桥接 & 路 游戏：拥有 患者双手握住一根木棍的两端 通过抵抗阻力在屏幕上形成桥接 由机械臂在健康侧和患侧提供的 以及受影响的上肢，移动两个不同高度的梯形平台，并固定它们 以一定时间允许虚拟角色 通过（图4).
      8. 负重训练 游戏：拥有 患者控制举重的两端 通过抵抗在屏幕上显示的杠铃 机器人手臂对健康侧施加的阻力
         受影响的上肢， 调整其位置以到达目标位置 通过改变距离并保持该距离 指定时长的体位摆放 (图5).
      9. 弹珠匹配 游戏： 让患者控制两个虚拟
         位于左右两端的手指 通过抵抗所施加的阻力来抵抗屏幕的阻力 由机械臂在健康侧和 受影响的上肢，从图片的左右两栏中选择相同的项目 通过虚拟手指并保持此位置一段时间
         指定持续时间（图6).
         注意：系统会验证两侧所选图片是否相同；若相同，则消除所选图片；若不匹配，系统将提示患者重新选择。

3. 随访程序

1. 使用统计软件分析所收集的评估数据，根据数据类型确定适当的分析方法。
2. 阐明数据结果的意义，并评估双侧上肢任务导向型机器人系统训练对脑卒中患者上肢功能的影响。

结果

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）（

讨论

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...

材料

本文使用的材料清单

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