经颅直流电刺激与上肢机器人治疗的联合应用

摘要

经颅直流电刺激和机器人治疗作为常规康复治疗的附加应用, 可能会因大脑可塑性的调节而提高治疗效果。在本文中, 我们介绍了在中风后提高运动成绩所采用的联合方法。

摘要

神经紊乱, 如中风和脑瘫是导致长期残疾的主要原因, 可能导致严重的丧失能力和限制日常活动, 由于下肢和上肢的损伤。密集的物理和职业治疗仍然被认为是主要的治疗方法, 但正在研究新的辅助治疗标准康复, 可以优化功能的结果。

经颅直流电刺激 (tDCS) 是一种无创脑刺激技术, 对立大脑区域通过通过电极在头皮上的微弱直流电流, 调节皮质兴奋性。对这种技术的兴趣增加, 可以归因于它的低成本, 易用性和对人类神经可塑性的影响。最近的研究已经进行了确定的临床潜力 tDCS 在不同的条件, 如抑郁症, 帕金森病, 和运动康复后的中风。tDCS 有助于增强大脑可塑性, 似乎是康复计划中一个有前途的技术。

一些机器人设备已开发, 以协助康复后上肢功能中风。运动缺陷的恢复往往是一个漫长的过程, 需要多学科的方法, 使病人获得最大的独立性。这些设备不打算取代人工康复疗法;相反, 他们被设计成一个额外的工具, 以恢复计划, 允许立即感知的结果和跟踪改善, 从而帮助病人保持积极性。

tDSC 和机器人辅助疗法都是有希望的附加功能的中风康复和目标的调节大脑可塑性, 与一些报告描述他们的使用, 以与常规治疗和改善治疗结果。然而, 最近, 一些小的临床试验已经发展, 描述了相关的使用 tDCS 和机器人辅助治疗中风康复。在本文中, 我们介绍了在中风后提高运动成绩所采用的联合方法。

引言

神经紊乱, 如中风, 脑瘫, 创伤性脑损伤是导致长期残疾的主要原因, 由于病变和随后的神经系统症状, 可能导致严重的丧失能力和限制日常活动¹。运动障碍显著降低患者的生活质量。电机的恢复是从根本上驱动的可塑性, 基础机制重新取得的运动技能失去了由于脑损伤^2,3。因此, 康复疗法是强烈的基础上的高剂量密集训练和剧烈重复运动, 以恢复强度和范围的运动。这些重复性活动是基于日常生活的运动, 病人可能会变得更少的动机由于缓慢的运动恢复和重复练习, 这可能会损害⁴神经康复的成功。密集的物理和职业治疗仍然被认为是主要的治疗方法, 但正在研究新的辅助治疗标准康复, 以优化功能结果¹。

机器人辅助疗法的问世对脑卒中康复有很大的价值, 影响神经元突触可塑性和重组的过程。他们已被调查, 以培训神经功能受损的病人和协助残疾人⁵。将机器人技术添加到 rehabilitive 干预中的一个最重要的优点是它能够提供高强度和高剂量的训练, 否则将是一个非常劳动密集型的过程⁶。使用机器人疗法, 连同虚拟现实的计算机程序, 可以立即感知和评估电机的恢复, 并可以改变重复的行动成有意义的交互式功能任务, 如清洁炉顶⁷.这可以提高患者的动机和坚持长期的康复过程, 并允许通过测量和量化运动的可能性, 跟踪他们的进展⁵。将机器人疗法纳入目前的做法可以提高康复的功效和效果, 并使新的锻炼模式得以发展⁸。

治疗性康复机器人提供特定任务的训练, 可分为末端效应器型设备和外骨骼型设备⁹。这些分类之间的差异与移动从设备转移到病人的方式有关。末端效应器的结构较简单, 仅在最远端接触患者的肢体, 使得分离一个关节的运动变得更加困难。基于外骨骼的设备有更复杂的设计与机械结构, 反映肢体的骨骼结构, 因此, 该装置的关节运动将产生相同的运动, 在病人的肢体^7,9。

WREX 是一种基于骨骼的机器人, 它能帮助整个手臂运动 (肩部、肘部、前臂、手腕和手指运动)。可调节的机械臂允许不同水平的重力支持, 使有一些残肢功能的患者在三维空间治疗中达到更大的主动运动范围^7,9。麻省理工学院-马努斯是一个终端效应器类型的机器人, 工作在一个单一的计划 (x 和 y 轴), 并允许二维重力补偿疗法, 协助肩部和肘关节运动, 通过移动病人的手在水平或垂直平面^9,10. 两个机器人都有内置位置传感器, 可以量化上肢马达控制和恢复, 以及一个计算机集成接口, 允许 1) 在虚拟学习环境中模拟有意义的功能任务的培训2) 治疗性运动游戏, 有助于运动计划的实践, 手眼协调, 注意, 视野缺损或忽略^7,9。它们还允许对上肢的重力影响进行补偿, 并能够为严重受损患者的重复和定型运动提供支持和帮助。这逐步减少了援助, 因为该主题改善, 并适用于轻微受损的病人^9,11的最低援助或抵抗运动。

神经康复的另一项新技术是经颅直流电刺激 (tDCS)。tDCS 是一种非侵入性脑刺激技术, 通过使用^12、13头皮电极应用的低振幅直流电流诱发皮质兴奋性改变。根据电流的极性, 大脑的兴奋性可以增加 anodal 刺激或减少阴极刺激²。

最近, 人们对 tDCS 的兴趣越来越浓厚, 因为它已被证明对中风、癫痫、帕金森病、阿尔茨海默病、纤维肌痛、抑郁症、情感性精神障碍等多种疾病都有有益的影响。疾病和精神分裂症²。tDCS 具有成本较低、使用方便、安全性高、副作用¹⁴等优点。tDCS 也是一种无痛的方法, 可以在临床试验中可靠地失明, 因为它有一个假模式¹³。tDCS 的功能恢复可能并不理想;然而, 它显示了更多的承诺作为一个相关的治疗康复, 因为它提高大脑可塑性¹⁵。

在本协议中, 我们演示了结合机器人辅助治疗 (与两个先进的机器人) 和非侵入性调节与 tDCS 作为一种方法, 改善康复的结果, 除了常规的物理治疗。大多数涉及机器人治疗或 tDCS 的研究都将其作为孤立的技术, 很少有结合, 这可能会提高除了单独干预的有益效果。这些较小的试验表明, 两个程序之间可能的协同作用, 改善电机恢复和功能能力^{8,15,16,17,18, 19}。因此, 新的多模态疗法可以提高运动恢复超过目前的可能性。

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研究方案

本议定书遵循了本机构人类研究伦理委员会的指导方针。

1. tDCS

1. 禁忌症和特别注意事项
   注: tDCS 是一种安全的技术, 通过电极发送恒定的和低的直流电流, 诱发刺激的区域神经元兴奋性的变化。
   1. 在设备安装之前, 确认病人没有任何 tDCS 的禁忌症, 例如对以前的 tDCS 治疗的不良反应, 植入的大脑医疗器械, 或者头部植入金属的存在。
   2. 使用以下纳入标准: 轻中度上肢偏瘫的亚急性和慢性中风患者。其他禁忌症包括颅骨缺损, 这可能改变的强度和位置的电流流, 和对象必须没有不稳定的医疗条件, 如无控制癫痫。
   3. 彻底检查病人的头皮皮肤病变, 如急性或慢性皮肤疾病, 切口, 或其他炎症迹象。避免放置电极和刺激区域与此类损害作为安全预防措施。
2. tDCS 材料
   1. 检查以下列出的所有材料是否可用 (图 1), 然后再开始操作: tDCS 刺激器装置, 9 V 电池, 2 导电电极, 2 海绵电极, 电缆, 2 橡胶头带 (或尼龙搭扣带, 非导电带), 氯化钠 (NaCl) 溶液, 测量胶带
3. 测量
   1. 电极站点通常被定义为 10/20 EEG 位置, 如前一篇出版物²⁰所述。请确保该主题是舒适的座位。
   2. 首先, 本地化顶点 (Cz)。
      1. 测量距离从 nasion (鼻子的桥梁或前面骨头和两个鼻骨的交叉点) 到 inion (外部枕隆起或突起的最突出的投射), 并且标记50% 这个长度。使用油铅笔或无毒水基标记将此初始的 Cz 位置标记为直线。
      2. 测量左、右前耳点距离 (即耳屏前的区域)。将此距离除以一半, 并用直线标记计算点。
      3. 连接两行以创建十字。两行的交集将对应于顶点 (Cz) (图 2)。
   3. 确定目标站点的头部。
      注: Anodal 刺激增加了刺激脑组织的皮质兴奋性, 而阴极刺激减少。以往的研究已经使用 anodal 刺激在损伤半球或阴极刺激 contralesional 半球, 以减少皮质兴奋性的不受影响的运动皮层, 并增加它在受损的运动皮层。在本议定书中, 我们将描述两种 bihemispheric 刺激 (anodal 和阴极刺激在同一个疗程) 和 anodal 刺激的主要运动皮层。
      1. 要定位主电机皮层 (M1), 请使用从 Cz 到左或右前耳点的距离的 20% (图 3)。这个区域应该对应于 C3/C4 脑电图位置。
      2. 将阳极放在健侧上肢半球 M1 运动皮层的中心和对侧眶区域 (Fp) 的阴极上 (图 3)。
      3. 或者, 将阳极放在健侧上肢半球 M1 运动皮层的中心和 contralesional M1 的阴极上。tDCS 电极的 M1 位置位于 C3 和 C4 的通道上 (图 3)。
4. 皮肤准备
   1. 检查皮肤, 避免刺激或损害皮肤。
   2. 将头发从刺激部位移开, 以提高电导率。清洁皮肤表面, 去除任何化妆水和凝胶的迹象。对于头发较厚的对象, 使用导电凝胶可能是必要的。
5. 电极定位和设备设置²⁰
   1. 在准备皮肤和本地化的刺激网站, 放置一个头表带下的 inion, 周围的头部周长。提供不导电和不吸水材料, 如弹性, 尼龙搭扣, 或橡胶带的头带。
   2. 用盐水浸泡海绵。对于 35 cm²海绵, 大约6毫升的解决方案, 每一侧可能已经足够。避免 oversoaking 海绵。避免在这个问题上产生流体泄漏。如有必要, 使用注射器添加更多的解决方案。
   3. 将缆线连接到 tDCS 设备。确保电缆的极性是正确的, 因为 tDCS 的影响是极性特定的 (标准化: 红色对应于阳极电极, 并且黑色或蓝色对应于阴极电极)。
   4. 将连接线引脚安全地插入导电橡胶插入件。
   5. 将导电橡胶插入海绵中。确保整个导电橡胶的镶块被海绵覆盖, 并且连接器线针不可见。
   6. 将第一海绵电极置于头带下, 确保过量液体不会从海绵中释放。
   7. 连接两个弹性头带, 根据电极蒙太奇计划。
   8. 将第二个海绵电极放在被刺激的区域的头上, 第二个弹性头带下。
   9. 如果电极和车身的整体电阻很高, 可能表明电极设置不充分。一些设备提供电阻测量, 这应该是低于 5 kΩ, 理想的。
   10. 某些设备在刺激过程中提供了持续的阻力指示, 这是一种检测潜在危险情况 (如干电极) 的有用方法。在这种情况下, 如果电阻增加超过一定的阈值, 设备可能完成或降低刺激强度。
6. 刺激
   1. 确保病人清醒, 放松, 并舒适地坐在程序²¹。
   2. 调整 tDCS 刺激器设置 (强度, 时间和假条件, 如果适用)。根据以往的研究, 在1毫安的强度下应用直流电流20分钟。
      注: 对于假干预, 目前通常只适用于第一个三十年代, 给这个主题的刺激感觉。这一持续时间已经建立在一些研究, 以有效地使他们失明的分配干预, 而不刺激皮质兴奋性²²。
   3. 启动 tDCS 刺激。通过增加电流以避免最不利的影响来启动当前流。在某些设备上自动进行加速, 但如果不是, 则在最初的三十年代, 增加当前的速度, 以达到最大编程电流 (在我们的协议中, 最高可达1毫安)。
   4. 在启动电刺激后, 一些患者可能会感觉到暂时性轻微瘙痒、头晕或眩晕。这可以通过在每个会话的开始和结束时将当前上下倾斜来避免。
   5. 在程序的最后, 逐步关闭目前的三十年代。
7. 在过程以后
   1. 为了记录和评估刺激的安全性, 请病人在手术后填写一份常见不良反应及其强度的问卷。这些可能包括皮肤刺激, 恶心, 头痛, 燃烧的感觉, 头晕, 刺痛, 或其他不适。
   2. 向病人解释任何可能的副作用通常是轻度或中等强度, 通常是暂时性的。
   3. tDCS 后, 请病人接受机器人治疗。
      注意: 在本协议的下一部分中, 我们将描述麻省理工学院-马努斯和 WREX 的商业版本的使用。

2. 机器人治疗与麻省理工学院-马努斯

1. 定位
   注意: 该机器人是一种交互式的上肢康复机器人。在我们的研究中使用的版本允许训练手腕运动在水平平面 (平面)。
   1. 确保该主题是坐在舒适和人体工学椅子, 安全的四点安全带, 并面对视频屏幕。
   2. 确保一个训练有素的治疗师正在监督机器人训练。
   3. 将受训练的手放在机械手手柄的手柄上。调整两个皮带周围的主题的手臂。调整手臂背部的支撑, 使其在训练过程中保持稳定。
   4. 放置患上肢如所示: 肩在一个30°屈曲, 90°肘屈, 前臂在中等俯卧位置, 手腕在中性位置。
   5. 在机器操作过程中, 确保肩部关节和肘关节的运动范围仅限于45°。确保手臂固定, 手腕有运动自由。运动是可能的在水平平面 (在所有可能的方向)。
2. 培训
   1. 机器人训练课程的运动次数是可变的;然而, 在同一平面内每一个可能的方向上执行大约320次重复是常见的。
   2. 视频屏幕显示了主题需要执行的任务的提示, 并给出了 arm 位置的恒定反馈。
   3. 该机器人的软件有几个治疗运动游戏的运动训练。视觉反馈通常由一个黄色的球组成, 病人必须在目标之间移动。其他培训方案也可用。
   4. 如有需要, 机器人只会协助病人; 及例如, 如果主体无法在2秒内实现预期的运动, 机器将帮助完成它的运动。如果主体没有足够的运动协调来进行预定的运动, 机器人将引导主体的手臂进行适当的运动。

3. 与麻省理工学院-马努斯臂的培训

注意: 这个机器人手臂允许训练肘关节屈曲和伸展, 肩部绘制和退缩, 以及肩部内部和外部旋转的水平平面。

1. 定位
   1. 对于麻省理工学院-马努斯的手臂, 确保该主题是舒适的座位。相应调整座椅安全带。将病人的右手或左臂定位在机器人上, 同时调整两条皮带。
   2. 根据需要调整机器人的高度。根据需要调整表高度。
   3. 如果有任何不适或疼痛, 按紧急停止按钮立即关闭机器人。
2. 培训
   1. 通过要求主题移动它的胳膊沿线, 校准机器。
   2. 如果需要, 机器人只会帮助病人。例如, 如果主体无法在2秒内实现预期的运动, 机器将帮助完成它的运动。如果主体没有足够的运动协调来进行预定的运动, 机器人将引导主体的手臂进行适当的运动。
      注: 该机器人的软件有几个治疗运动游戏的运动训练。视觉反馈通常由一个黄色的球组成, 病人必须在目标之间移动。其他培训方案也可用。

4. WREX 培训

1. 定位
   注意: WREX 由一个骨骼组成, 它适合于主体的手臂, 并允许在一个立体的环境中自由移动肩部、肘部和手腕关节。
   1. 确保主题是坐在舒适和人体工学椅子面对视频屏幕, 它提供视觉和听觉反馈在虚拟现实的设置, 帮助病人实现他或她的目标。
   2. 把病人放在机器人主模块前面。使用提供的遥控器相应地调整外骨骼的高度。将机器人的外骨骼手臂调整到患者肢体的相应一侧 (无论是左还是右)。
   3. 在肩上留下大约4指高度。
   4. 将病人的肢体调整成外骨骼, 调整手臂和前臂的背带。
   5. 相应地调整外骨骼的手臂和前臂的长度, 以及手臂 (a 至 I) 和前臂 (a 至 E) 所需的重量 (重力) 补偿。它包括一个线性尺度的重力支持, 其中 a 没有重力支持。
   6. 将这些测量数据输入计算机。
   7. 在开始训练之前, 根据病人的能力, 调整和校准机器人的运动极限范围。
   8. 要测试校准的运动范围, 请病人将立方体移动到屏幕的各个方向。
2. 培训
   1. 在每届会议上, 让个人对不同的功能目标进行大约72次运动的重复 (WREX 训练课程通常持续约60分钟)。
   2. 在每个运动之间, 允许10秒间隔以防止疲劳。72重复被划分成3个块24个运动每个。允许每块24个运动之间的间隔为5分钟。

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结果

非侵入性脑刺激 tDCS 最近产生了兴趣, 由于其潜在的 neuroplastic 效应, 相对便宜的设备, 易用性, 很少副作用²²。研究表明, tDCS 的调节具有调节皮质兴奋性和可塑性的潜力, 从而通过刺激主运动神经皮质⁴促进运动性能的改善。Anodal 刺激通过促进原发运动神经皮质区神经元的退极化而增加皮质兴奋性, 而阴极刺激 hyperpolarizes 静止膜电位, 减少...

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讨论

在本议定书中, 我们描述了一个标准治疗协议的联合 tDCS 刺激相关和机器人治疗, 作为补充常规康复计划的患者的手臂损伤。该协议的目标是提高运动功能和机动性。重要的是要观察 tDCS 机的斜向和加速, 以避免任何不利影响的风险。tDCS 是一种安全技术, 在文献²中描述的副作用很少。

该协议可能会以较小的方式进行修改。以前的报告在文献描述 tDCS 被应用在...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
tDCS device	Soterix Medical		Soterix Medical 1x1
9V Battery (2x)
Two rubber head bands
Two conductive rubber electrodes
Two sponge electrodes
Cables
NaCl solution
Measurement tape
Armeo Spring Robot	Hocoma
inMotion ARM	Interactive Motion Technologies