双上肢任务导向机器人系统在脑卒中患者上肢功能恢复中的应用

Summary

该实验方案概述了对上肢功能障碍的中风患者使用双上肢任务导向机器人系统。研究结果表明，该系统可以显着改善中风患者的上肢功能和日常生活活动。

Abstract

高度重复和以任务为导向的训练已被证明可以促进中风患者的肢体功能恢复。此外，双侧手臂训练可以帮助中风幸存者恢复上肢功能并改善他们的日常活动。双上肢任务导向机器人系统旨在通过使用机器人设备协助中风患者的健康侧驱动患侧进行双侧手臂训练。它还可以指导患者进行双上肢协调运动，并利用力反馈和人机交互技术让他们参与以任务为导向的虚拟游戏。本研究旨在评估该系统在增强中风患者上肢功能和日常生活活动方面的疗效。使用的评估方法包括运动诱发电位 （MEP）、香港偏瘫上肢功能测试 （FTHUE-HK） 、Fugl-Meyer 评估上肢量表 （FMA-UE） 和改良 Barthel 指数 （MBI）。研究结果表明，双上肢任务导向机器人系统可显著改善治疗 6 周后脑卒中患者的皮质脊髓通路、上肢功能和日常生活活动。该系统可以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，双上肢任务导向机器人系统为中风后肢体功能康复提供了一种新的策略，具有很大的应用潜力，因为它具有一定的社会和经济效益。

Introduction

中风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。中风患者经常面临各种挑战，例如运动、感觉和认知缺陷³。上肢功能障碍是脑卒中后常见的问题，其特征是肌无力、痉挛、偏瘫侧上肢运动能力下降⁴.据报道，超过 70% 的中风患者患有这种疾病，只有大约 5% 的患者恢复正常，而 20% 的患者恢复了一些上肢功能⁵。人类生命的一半以上需要上肢⁶ 的参与，中风后的上肢功能障碍严重影响患者的日常生活活动⁷ ，大大降低他们的生活质量⁸ 并增加他们的经济负担⁹。因此，探索有效的上肢功能康复方法尤为重要。

各种临床上肢康复治疗，如镜像疗法、约束诱导运动疗法、功能性电刺激和其他主动或被动训练，通常用于中风患者 ^3,10。近年来，双侧手臂训练引起了越来越多的关注 ^6,11,12。它已被证明可以增强同侧和对侧半球感觉运动区域之间的神经连接¹²。这种类型的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，并最终导致上肢功能的改善^12,13。此外，机器人辅助训练还被证明可以帮助患者始终如一地执行准确的肢体运动并参与特定任务的训练¹⁴。这个过程为大脑提供了大量的反馈刺激，最终促进了神经可塑性，并有助于恢复偏瘫患者的上肢功能^14,15。目前关于利用机器人辅助双上肢训练中风患者策略的研究有限。本研究采用双上肢任务导向机器人系统，将机器人辅助训练与双侧上肢训练相结合。机器人设备用于帮助中风患者以适当的运动模式进行双上肢任务导向的训练，并进行高重复次数。该研究的目的是评估该方法对中风幸存者皮质脊髓通路、上肢功能和日常生活活动的影响，目的是发现上肢功能康复的创新策略。

Protocol

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，所有参与者均提供知情同意。它旨在通过随机、单盲、对照试验评估方案的可行性和有效性。2021 年 1 月至 12 月，嘉兴市第二医院收治了 60 名脑卒中患者。

注意:纳入标准包括:1） 通过计算机断层扫描 （CT） 或磁共振成像 （MRI） 确诊脑梗塞或出血，2） 首次发作和单侧病变，病程为 2 周至 3 个月且病情稳定，3） 年龄 25-75 岁，4） 无偏盲或单侧空间忽视，以及无视觉或听觉缺陷， 5） 有意识、顺从并能够参与康复治疗，6） 清除单侧上肢功能障碍，改良 Ashworth 量表 （MAS） 分级≤ 2¹⁶。排除标准包括: 1） 既往颅脑损伤或其他颅内疾病，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） 既往精神疾病和癫痫病史，4） 肢体偏瘫侧剧烈疼痛、麻木或其他感觉障碍，5） 双侧上肢运动明显受限。

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. 让熟练的职业治疗师完成以下功能评估，该治疗师在 6 周的治疗期前后不知道小组分配。
   1. 运动诱发电位 （MEP）:
      1. 按照 Groppa 等人 ¹⁷ 建立的指南，使用磁刺激治疗系统在患者中引发 MEP。
      2. 在测试过程中，以稳定和舒适的方式将患者置于设备前，并将记录电极垫放在拇短外展肌和腕关节骨突上。
      3. 然后，将磁刺激线圈置于大脑受伤侧运动皮层上方的中心，线圈手柄与矢状面成 45° 角。
      4. 以 100% 的强度对运动皮层区域进行 10 次刺激，并记录运动诱发电位的存在与否，以及它们的潜伏期和振幅。
         注意:由于无法检测所有患者的运动诱发电位，因此对两组患者之间的诱发电位的潜伏期和振幅进行彻底比较和分析是不可行的。因此，该研究旨在确定 MEP 的存在与否，并比较两组患者之间可检测到的 MEP 的百分比。可检测到的 MEP 百分比较高表明增强中风患者皮质脊髓通路的潜力更大。
   2. 对偏瘫的上肢进行功能测试 - 香港 （FTHUE-HK）。
      1. 利用该量表评估患者的上肢功能，其中包括 12 项任务，例如将手放在膝盖上和拧干抹布。
         注意:每项任务必须在 3 分钟内完成，并且最多只能尝试 3 次。该量表包括 7 个级别，级别越高表示上肢功能越好¹⁸。
   3. 使用 Fugl-Meyer 评估上肢量表 （FMA-UE）。
      1. 利用这个量表来评估肩部、肘部、前臂、手腕和手的运动功能。
         注意:0 分表示无法执行指定的动作，1 分表示部分完成，2 分表示完全完成。该量表的最高分是 66 分，分数越高表示上肢运动功能越好¹⁹。
   4. 计算修正的 Barthel 指数 （MBI）。
      1. 利用这个量表来评估患者在日常生活活动中的表现。
         注:量表由 10 个项目组成，包括吃饭、穿衣、洗澡等，最高分 100 分。分数越高表示患者在日常生活中的独立性越强²⁰。
3. 确保为所有患者开具适合其个人情况的常规药物，包括抗高血压药、抗糖尿病药、脂质调节剂等。
   注意:中风患者的药物选择基于其独特情况，可能因患者而异。
4. 确认所有患者均接受常规物理治疗、前臂和手部职业治疗以及 6 周的日常生活训练活动。
5. 确保对照组患者接受针对上肢功能的常规职业治疗，每天 1 小时，持续 6 周。
   注意:针对上肢功能的常规职业治疗包括肩关节和肘关节的运动控制训练、滚轮训练、箍训练和伸手接触物体训练。
6. 确认实验组患者接受针对上肢功能的常规职业治疗，每天 30 分钟，此外，每天 30 分钟的双上肢任务导向机器人系统训练，持续 6 周。

2. 双上肢任务导向机器人系统培训课程

注意:只有实验组中的中风患者接受了这些培训课程。

1. 启动机器人系统设备，打开系统电脑大屏，打开 ULCOT Rehab 应用程序，进入系统主界面。
2. 在初次训练期间，点击 【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、患侧等相关医疗内容。
3. 点击系统主界面的 登录 ，从列表中选择需要培训的患者，进入该患者的培训系统界面。
4. 协助患者将自己定位在机器人设备前，确保安全舒适的距离。
5. 点击患者训练系统界面的 调整 ，进入设备参数调整界面，为患者设置合适的参数。
   注意: 无需为每个训练设置参数。登录患者的训练系统界面后，系统会自动调整到患者上次训练期间建立的参数。然后，治疗师可以根据治疗目标修改相应的参数。如果不需要更改参数，用户可以在训练系统界面中单击 训练 ，进入训练计划设置界面。
   1. 单击 + 或 - 以增加或减少平台 高度调整 模块中的平台高度。根据患者的身高调整设备平台的高度。
   2. 单击 + 或 - 可在 Arm Tilt Angle Adjustment 模块中增大或减小系统机械臂的倾斜角度。根据患者的肩关节屈伸训练目标调整机械臂的倾斜角度（目标越高，角度越大）。
   3. 单击 + 或 - 以增大或减小 Arm Angle Adjustment 模块中两个机器人手臂之间的角度。根据患者的上肢内收和外展训练目标（目标越高，角度越大），调整机械臂之间的角度。
6. 在患者训练系统界面点击 【训练 】，进入训练程序设置界面。
   1. 根据患者的上肢功能状态选择合适的训练计划。当偏瘫侧的上肢无法通过整个运动范围主动操纵机械手柄时，请选择辅助训练计划。
   2. 相反，如果偏瘫侧的上肢能够主动操纵机械手柄以完成整个运动范围，则选择阻力训练计划。
7. 解释和演示所选项目的训练方法，并告知相关注意事项，以确保患者知道如何安全准确地进行训练。
8. 帮助患者将手固定在两个机械臂末端的手柄上（图 1）。
9. 进行双上肢任务导向机器人系统训练。
   1. 对于无法主动操纵机械手柄实现上肢偏瘫侧全范围运动的患者，点击训练程序设置界面中的辅助，进入辅助训练模式界面。
      注意: 治疗师可以在辅助训练模式下为患者选择 Air Flying 游戏或 Ping-Pong 游戏。应该注意的是，患者每次训练只能选择一场比赛。
      1. 在 Training Time （训练时间 ） 模块中将时间设置为 30 min，然后在 Assisted Level （辅助水平 ） 模块中选择为患者设置的水平。
         注意:此模式提供 6 个级别的帮助，其中 6 级涉及受影响的上肢，在双侧上肢训练期间由机器人和健康的上肢驱动。另一方面，1 级需要受影响的上肢直接参加双侧上肢训练，无需外力。训练从 6 级开始，患者在每个级别达到满分后可以进入下一个级别。一旦患者在辅助级别 1 达到完整的训练分数，他们就被视为已准备好进行阻力模式训练。
      2. 点击 Air Flying 或 Ping-Pong，然后点击 Start 开始 进入游戏界面。
      3. 空中飞行 游戏:指导患者控制电脑屏幕上显示的虚拟飞机，在机器人设备的帮助下操纵受影响的上肢穿过健康的一侧，使患者能够优化引导虚拟飞机沿着指定的飞行轨迹前进的努力，同时捕捉虚拟金币（图 2）。
      4. 乒乓 球游戏:在机械人协助下，指导患者用健侧驱动患侧上肢控制虚拟乒乓球拍，并移动球拍接住飞来的乒乓球（图 3）。
   2. 对于能够主动操纵机械手柄以实现上肢偏瘫侧全范围运动的患者，请单击 电阻 在 Training Program Settings（训练计划设置）界面，进入 Resistance Training Mode（阻力训练模式）界面。
      注意:在阻力训练模式中，参与者可以从五种可用游戏中进行选择: 空中飞行，乒乓球，桥与路，举重， 和 Pop 匹配.每次训练只能选择一场比赛。
      1. 在 Training Time 模块中将时间设置为 30 分钟，然后在 Healthy Level 和 Affected Level 模块中分别选择健康侧和患侧的阻力水平。
         注意:在阻力训练模式下，可以根据上肢肌肉力量为患者的健康侧和患侧单独设置阻力水平。级别范围从 1（最低阻力）到 10（最高阻力）。初始治疗涉及选择 1 级阻力，患者在每个训练级别获得满分后被允许进入下一个级别。
      2. 在 Healthy Side Resistance Direction 和 Affected Side Resistance Direction 模块中，在阻力训练期间，分别选择系统为患者健康侧和上肢患侧指示的阻力方向。
         注意: 阻力方向是根据锻炼的目的为患者选择的，包括推和拉。
      3. 在 Holding Time （保持时间 ） 模块中选择目标需要保持的时间量。
         注意:时间是根据患者的上肢功能确定的，范围为 1 到 10 秒。时间越长，挑战就越大。如果设定的保持时间为 10 秒且训练分数完美，则下一次训练的阻力水平将增加。Air Flying 和 Ping-Pong 游戏不包括此步骤。
      4. 点击选择以下游戏之一:空中飞行、乒乓球、桥与路、举重和流行配对。点击 Start 开始 进入游戏界面。
      5. 空中飞行 游戏:指导患者通过抵抗机械臂对健康和受影响的上肢施加的阻力来控制虚拟飞机，使患者能够优化引导虚拟飞机沿着指定的飞行轨迹前进的努力，同时捕捉虚拟金币。
      6. 乒乓 球游戏:指导患者通过抵抗机械臂对健康和受影响的上肢施加的阻力来控制虚拟乒乓球拍，并移动球拍以接住飞来的乒乓球。
      7. Bridge & Road 游戏:让病人通过抵抗机械臂对健康和受影响的上肢施加的阻力，在屏幕上控制木桥的两端，移动两个不同高度的梯子平台，并保持它们一段时间以允许虚拟角色通过（图4）。
      8. 举重 游戏:让患者通过抵抗机械臂对健康人施加的阻力来控制屏幕上显示的举重杠铃的末端
         和受影响的上肢，通过改变距离并在指定的时间内保持该位置来调整其位置以到达目标位置（图 5）。
      9. Pop Matching 游戏:让患者控制两个虚拟
         位于屏幕左右两端的手指通过抵抗机械臂对健康和受影响的上肢施加的阻力，通过虚拟手指从图片的左右列中选择相同的项目，并保持这个位置
         指定持续时间（图 6）。
         注意:系统会验证两侧选中的图片是否相同;如果是，则所选图片将被删除。如果它们不匹配，系统会提示患者重新选择。

3. 随访程序

1. 利用统计软件分析收集的评估数据，根据数据类型确定合适的分析方法。
2. 阐明数据结果的重要性并评估双上肢任务导向机器人系统训练对中风患者上肢功能的影响。

Results

本研究共将 60 例脑卒中患者分为对照组 （n = 30） 和实验组 （n = 30）。在比较两组之间的年龄、性别、卒中类型、病程、偏瘫侧和其他一般信息时，未发现统计学显着差异 （P > 0.05），表明它们具有可比性（表 1）。与接受常规治疗的患者相比，接受双上肢任务导向机器人系统训练的实验组患者在 MEPs、FMA-UE、FTHUE-HK 和 MBI 方面表现出更大的改善。

经过 6 周的训练，实验组运动诱发电位 （MEP） 的检出率超过对照组 （P < 0.05）（表 2）。训练期后，与治疗前水平相比，两组患者的 FTHUE-HK 均表现出改善 （P < 0.05），实验组的改善比对照组更明显 （P < 0.05） （表3）。此外，与治疗前水平相比，两组患者均观察到 FMA-UE 和 MBI 评分的改善 （P < 0.05），实验组比对照组 （P < 0.05） 更显着（表 4）。这些发现强调了双上肢任务导向机器人系统在促进中风患者上肢功能恢复方面的有效性。

使用适当的软件进行统计分析，双尾检验的显着性水平设置为 P < 0.05。验证测量数据符合正态分布并显示均匀方差。采用配对 t 检验对正态分布的连续变量处理前后进行组内比较，同时采用两个独立样本 t 检验进行组间比较。使用 χ2 检验评估计数数据，使用 Wilcoxon 符号秩检验评估组内排名变量，使用 Mann-Whitney 检验进行组间分析。

图 1:双上肢任务导向机器人系统。 该系统通过双侧上肢训练协助脑卒中患者促进上肢功能的恢复。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 2:空中飞行游戏。 在机器人的协助下，引导患者控制电脑屏幕上的虚拟飞机，使虚拟飞机沿着设定的飞行路径飞行。同时，虚拟飞机捕获虚拟金币。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3:乒乓球游戏。 在机械人协助下，病人被指示控制虚拟乒乓球拍并移动球拍以接住飞来的乒乓球。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 4:Bridge & Road 游戏。 引导患者在屏幕上控制木桥的两端，并以不同的距离移动它。两个不同高度的梯子要连接起来，并保持一定的时间，这样虚拟反派才能顺利通过。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 5:举重游戏。 患者应在屏幕上控制举重杠铃的两端，将其移动到不同的距离，将杠铃压至目标位置，并保持指定的时间。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 6:Pop Matching 游戏。 患者应通过健康侧和患侧控制屏幕左右两端的两个虚拟手指。上肢需要使用虚拟手指在图片的左右栏中选择相同的项目，并保持这个位置指定的时间。 请单击此处查看此图的较大版本。

群	n	性别 （n）		年龄 （x ± s， y ）	病程 （x ± s， d）	行程类型 （n）		偏瘫侧 （n）
		雄	女性			缺 血性	失血 性	左	右
控制组 （n=30）	30	16	14	56.70±7.60	时间 38.77±15.71	14	16	14	16
实验组 （n=30）	30	17	13	时间:57.17±6.93	时间:23 年 39 月 47 ±16 日	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。 它全面比较了对照组和实验组的基线特征。这包括人口统计和临床数据，确保组间的可比性。

群	n	预处理		处理后
		响应	无响应	响应	无响应
控制组 （n = 30）	30	8	22	10	20
实验组 （n = 30）	30	7	23	18	12
P		>0.05		<0.05

表 2.两组之间 MEP 响应的比较。 它展示了双上肢任务导向机器人系统对中风患者皮质脊髓通路的影响。

群		FTHUE-HK （M（P 25， P75））
控制组 （n = 30）	预处理	3(2,3)
	处理后	3（3,4）*
实验组 （n = 30）	预处理	3(2,3)
	处理后	4（3,5）*#
*与治疗前相比，P < 0.05; #与对照组相比，P < 0.05

表 3.两组 FTHUE-HK 的比较。 它描述了双上肢任务导向机器人系统对中风患者上肢功能的影响。

群		FMA-UE 系列 （x ± 秒）	MBI （x ± 秒）
控制组 （n=30）	预处理	72 年 25 月 33 ±11 日	44.27±13.21
	处理后	34.63±13.06*	51.03±12.55*
实验组 （n=30）	预处理	87 年 93 月 ±11 日	44.93±14.10
	处理后	42.37±15.20*#	59.73±14.63*#
*与治疗前相比，P < 0.05; #与对照组相比，P < 0.05

表 4.两组 FMA-UE 和 MBI 的比较。 它说明了双上肢任务导向机器人系统对中风患者上肢功能和日常生活活动的影响。

Discussion

双侧训练已被证明可以使中风患者的皮层间抑制正常化，促进大脑功能网络重组，并最终增强上肢功能²¹。本研究提出了一种利用双上肢任务导向机器人系统对中风患者进行上肢功能训练的计划。该计划整合了双侧上肢运动、任务导向活动和机器人辅助训练，以增强中风患者上肢功能的康复。

在实施双上肢面向任务的机器人系统训练时，有几个关键步骤值得关注。首先，治疗师应根据患者上肢的功能状态和治疗目标，及时调整机械臂的倾斜角度和两臂之间的角度。其次，必须根据患者的上肢肌肉力量准确选择系统提供的辅助或阻力水平。当患者的训练分数达到最高分时，应立即调整到下一个级别。第三，在阻力训练模式下，治疗师应根据患者每侧上肢的肌肉力量，确定健康侧和患侧的阻力水平，以及阻力的方向（包括推和拉）。

双上肢任务导向机器人系统训练涉及上肢跨不同平面和方向的运动。然而，在训练期间在这些平面和方向之间随机切换是不可行的，因为每次切换都需要停止当前的训练会话以重新调整系统。一些研究人员使用了两个相同的机器人来协助患者进行三个维度的双侧上肢训练⁴。虽然这种方法使患者能够在训练期间进行多个运动方向，但它对在健康肢体和受影响的肢体之间有效传递力量提出了挑战。随着双上肢任务导向机器人系统在后续阶段的完善，必须提高机械臂的运动自由度，以适应上肢的多向运动训练。此外，解决一些患者在使用双上肢任务导向机器人系统训练期间表现出的代偿性躯干运动问题至关重要。这种代偿性运动会缩小上肢的运动范围，并可能导致错误运动模式的发展。为了减轻这个问题的影响，治疗师应及时提醒患者在训练期间保持正确的坐姿并坚持正确的运动模式。

大多数传统的双侧上肢训练方法涉及健康的手握住患手或用设备（例如木棍）连接两只手。相比之下，本研究中使用的双上肢任务导向机器人系统训练具有显着优势。研究表明，精确和高度重复的康复训练可以增强中风患者的肢体功能恢复²²。然而，中风后，患者通常表现为患肢肌肉力量减弱，而健康肢体的运动功能减弱^23,24。因此，在传统的双侧上肢训练中，患者很难长时间持续和重复地保持正常的运动模式。此外，为了进行特定的运动，健康的上肢可能会施加相当大的力，而受影响的上肢施加的力很小，从而损害患肢的完全接合。双上肢任务导向机械人系统训练，可按病人患肢的肌肉力量，调节由健康上肢传递到患肢的力，从而促进患肢逐渐及有条理地参与。该培训还采用机器人辅助，使患者能够执行高度重复和精确的动作，这已被证明可以向大脑提供持续的反馈，从而促进功能重组并最终增强肢体功能^14,22。此外，纳入双上肢任务导向机器人系统训练的虚拟游戏是以任务为导向的，研究表明，这种训练可以改善中风患者的上肢功能和进行日常生活活动的能力^25,26。

在这项研究中，患者的 MEP 仅基于是否存在可检测到的 MEP。做出这一决定是因为无法对 MEP 潜伏期和振幅进行全面的比较分析，因为在某些患者中无法检测到 MEP。该研究纳入了病程从 2 周到 3 个月不等的患者，由于自发恢复的差异，可能会影响结果。患者选择标准仅关注卒中类型和偏瘫外侧状况，而不考虑特定的脑损伤区域，从而影响疗效的比较分析。此外，本研究还发现了其他局限性。首先，高肌张力患者 （MAS > 2） 被排除在实验之外，因为他们的病情可能会影响训练结果。其次，实验疗效的评估仅在干预后 6 周进行，缺乏长期随访数据。第三，所有参与者都在发病后 3 个月内，这种训练方法对 3 个月后患者的有效性存在不确定性。此外，该研究的样本量很小，这凸显了未来使用更大、更多样化的样本进行研究的必要性。针对上述问题，我们将在研究的后续阶段实施进一步的增强和优化。

总之，双上肢任务导向机器人系统在增强中风患者的上肢功能和日常生活活动方面显示出前景。这种方法值得在临床环境中更广泛地用于中风后上肢功能康复。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
双上肢任务导向机器人系统	同济大学 同济康复医疗设备研究中心 同济大学	N/A 双	上肢任务导向机器人系统可以通过调节健康上肢和患上肢之间的力传递来帮助中风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	该系统可用于测量电机诱发电位 （MEP）
SPSS 25.0	IBM	25.0 版	https://www.ibm.com/support/pages/downloading-ibm-spss-statistics-25