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

摘要

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。

摘要

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。

引言

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。

研究方案

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。

结果

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。

讨论

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?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dual upper limb task-oriented robotic system	Auckland Tongji Rehabilitation Medical Equipment Research Center, Tongji Zhejiang College	N/A	The dual upper limb task-oriented robotic system can aid stroke patients in bilateral upper limb virtual game training by regulating force transmission between the healthy and affected upper limbs.
Magnetic stimulation therapy system	Sichuan Junjian Wanfeng Medical Equipment Co.,Ltd.	http://www.jjwf-med.com	This system can be used to measure the Motor evoked potential (MEP)
SPSS 25.0	IBM	Version 25.0	https://www.ibm.com/support/pages/downloading-ibm-spss-statistics-25