体感游戏与功能电刺激相结合的中风手部康复

涂浚波 胡晓翎 郑筱祥

1(浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，杭州 310027)2(香港理工大学生物医学工程跨领域学系，香港 999077)3(浙江省医疗器械检验院，杭州 310000)

体感游戏与功能电刺激相结合的中风手部康复

涂浚波1,3胡晓翎2郑筱祥1#*

1(浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，杭州 310027)2(香港理工大学生物医学工程跨领域学系，香港 999077)3(浙江省医疗器械检验院，杭州 310000)

介绍一种结合认知游戏与功能电刺激的中风手部康复系统。该系统将电刺激辅助下的手指抓握训练融入由Kinect传感器为媒介的认知游戏中,以鼓励中风患者坚持重复性的康复训练。4名慢性中风患者分别在电刺激辅助下和没有电刺激辅助下，做手指抓握训练15 min；在训练过程中，患者通过头部摆动及瘫痪侧手掌的抓握与张开来操控游戏。实验结果表明，在电刺激辅助下，患者在游戏中完成的手掌抓握次数以及5指的伸张角度都高于无电刺激时的水平。训练结束后，4位被试都对本训练方式表示出浓厚兴趣。

中风；电刺激；Kinect；上肢；积极性

引言

中风病人的肢体运动功能重建离不开高强度的重复性肢体训练[1-3]。现有的上肢功能康复研究表明，多数中风病人经过康复训练后，肩、肘关节的功能恢复程度好过腕关节和指关节的恢复程度[4-5]。造成这种差别除了与患者及康复治疗师更注重大关节功能的训练有关外，还与肩、肘关节比指关节和腕关节更易协调控制有关。然而，手指功能的恢复程度与中风患者的生活自理能力息息相关，如自我清洁和饮食自理。因此，手指功能的恢复不但是中风康复的一个难点，还是提高中风病人生活质量的重要环节。有鉴于此，笔者将研究的重点放在中风病人的手指功能康复上。

中风康复需要治疗师与患者长期地投入训练中。然而，由于缺乏足够的康复治疗师，再加上中风患者行动不便等，耗时长久的中风康复方案往往难以完全落实，康复疗效也难以显现。此外，单调枯燥的传统康复训练项目也会消磨患者坚持训练的积极性，从而使康复方案更难以完全落实。研究表明，有自主运动参与的训练效果会优于无自主运动(即被动训练)参与的训练方式[1]。如果训练项目能够激发患者主动参与训练的热情[6-7]，同时在训练中锻炼其认知能力，那么这种训练项目会有助于提高肢体训练的康复效果。由于中风患者不便长期参与医院的康复训练，因而家庭康复理疗设备更适宜出门困难的中风患者。功能性电刺激是一种有效和易于操作的神经肌肉理疗辅助手段，它通过电流刺激瘫痪肌肉产生肌肉收缩，以此来实现锻炼肌肉力量，防止肌肉蒌缩，增加神经感知的作用[8]。目前，常见的电刺激康复设备为开环式的电刺激仪(如TENS)，尽管其有助于中风病人的肢体康复，但大部分在使用时无需患者主动意识地参与，患者肢体的运动完全由电刺激诱发，故而使用这类仪器的康复效果相对于需要患者主动意识地参与的电刺激仪器而言更为局限。此外，这类仪器的训练模式单调，患者在缺乏医护人员督促和指导的家庭环境中难以长期坚持训练。为了提高康复训练效果，促使患者在家庭环境中长期坚持康复训练，下面介绍了一种需要中风患者自主运动意识及认知功能参与，并与虚拟现实游戏相结合的电刺激康复训练系统。

1 康复训练系统介绍

手部康复训练系统用于手指的抓握与伸张训练。大部分中风患者手臂残障的主要表现为指屈肌挛缩，手指关节僵硬，以及指伸肌萎缩等[9-11]。因此，大部分中风患者虽然可以完成一部分的抓握动作，但是无法完成张手动作。针对这一特点，笔者设计了一套帮助中风患者训练张手动作的康复训练系统，见图1(a)。患者在训练中参与融合计算、估计、决策和快速应变等过程的认知游戏，该游戏类似于“俄罗斯方块”，其操控通过鼠标的移动和点击实现。康复训练系统将患者的张手动作映射成鼠标单击，头部摆动动作被映射成鼠标的平移运动。该游戏把单调枯燥的张手动作转变成游戏控制，有助于患者将注意力转移到游戏的趣味性和挑战性上来，进而忽视训练动作本身的乏味性。

系统由电刺激手套、体感传感器、认知游戏界面组成。电刺激手套由触发式电刺激发生器及手指关节角度传感器组成(见图1(b))。手套背部每个近端指间关节处安置角度传感器(flex sensor，spectrasymbol)。康复训练系统通过测量五指近端指间关节的平均角度变化来触发电刺激，从而协助中风患者完成手指伸张的动作。由于不同残障程度的患者近端指间关节的活动范围不同，中风患者在训练后各手指关节的活动度也可能会增加。为增加训练系统的适用人群，电刺激的触发阈值可根据需要进行调节。设置触发阈值的实验标准为：该阈值下测试者可以在10 s内成功触发至少1次、但不多于3次的电刺激。电刺激发生器可产生频率40 Hz，幅值150 V、脉宽0～80 μs可变的脉冲。图2(a)是脉冲宽度为80 μs的脉冲实测波形。实时的关节角度信号由手套采样(采样频率1 000 Hz)，并通过蓝牙传递到计算机，用于实时处理或保存。图2(b)是一名中风患者在无电刺激辅助下执行一次抓握并张手动作时测得的五指近端指间关节角度的变化信号。

图1 电刺激辅助手部训练系统。(a)系统组成； (b)电刺激手套Fig.1 FES-assisted hand training system.(a) System consist;(b) FES glove

图2 刺激波形及系统记录到的手指弯曲情况。(a)脉冲宽度为80μs的刺激波形；(b)单次抓握与张手过程中五指近端指间关节角度的变化Fig.2 The stimulation pulse and fingers flex recorded by the system.(a) The stimulation with the pulse width of 80 μs; (b) The proximal interphalangeal (PIP) joint angles of the five fingers during a cycle of grasp and hand open

训练系统采用Kinect(Microsoft)作为体感传感器，用于检测患者头部前后左右的摆动动作。图3显示了Kinect传感器的肢体位置向量追踪效果。

图4为认知游戏的界面，该游戏的任务为消除方块、获得积分，并且不让方块填满5×5的棋盘格。在游戏过程中，患者利用头部的摆动、手掌的抓握与张开来控制方块。患者除需利用训练动作完成方块移动外，还需考虑方块的摆放位置，争取在游戏规则范围内获得更多积分。

2 刺激强度与手指伸张角度

4位认知正常且至少有两个手指具有10°背伸能力的慢性中风患者参与了实验。该实验经香港理工大学人体实验道德委员会批准，参与实验的患者签署了知情同意书，表1为参与实验的患者资料。

表1 被试者信息Tab.1 The demographic data of the recruited subjects

实验人员对患者在不同强度刺激下的手指张开情况进行了定量评估，评估方法如下：

1)患者端坐在实验桌前，前臂与桌沿成90°角，调整座椅或桌子高度以及椅子离桌子的距离，保证被试者处在舒服的位置；

2)患者肘关节打开100°；

3)患者掌心朝桌面，握住横放在桌面上方的铁管(直径2.5cm)；

4)患者手腕处放置腕托，调整腕托高度，使其抓住铁管时腕关节处于平直状态；

图3 由Kinect传感器获取的肢体位置向量数据Fig.3 Limb vectors captured by Kinect sensor

图4 认知游戏界面Fig.4 User interface of the cognitive game

5)患者患侧前臂的指伸肌上粘贴一对表面刺激电极(直径3.5cm)。每次测试前，被试者的手指初始位置保持在轻握铁管的状态。

在进行定量评估时，系统产生两次相同脉冲宽度的刺激(每次刺激持续时间为10～15 s，两次刺激间隔为30 s)，手套记录五指伸张角度的变化情况。在测试中，刺激脉宽以5 μs为步长从5 μs增强至50 μs。由于长时间电刺激会引起肌肉疲劳，为降低这种疲劳对测量结果的影响，笔者对不同刺激脉宽的刺激响应的测定次序进行了随机处理。下面对不同刺激强度下，各手指近端指间关节的最大平均伸张角度进行统计比较。

在不同的电刺激强度下，食指近端指间关节角度的变化过程见图5。当刺激脉宽增加时，食指的伸张角度也会变大；相比于低刺激强度(10和20 μs)，当刺激强度增加时(40和50 μs)，食指近端指间关节角度的变化程度和速度都有所增加。图5表明，在电刺激作用下，手指伸张角度可在5 s内达到稳定；停止施加刺激后，手指的伸张效果不能保持。

图5 不同刺激强度下食指近端指间关节角度的变化过程Fig.5 The PIP joint angles of the index finger given stimuli with different stimulation pulse width

在不同的刺激脉宽下，4个中风患者测得的手指最大伸张角度的均值变化见图6，可见刺激脉宽对最大手指伸张角度能产生较大影响。当刺激脉宽大于30 μs时，随着刺激脉宽的增加，手指伸张角度有较大变化；当刺激脉宽大于35 μs时，刺激脉宽增加所引起的手指伸张角度的变化程度变小。

图6 不同刺激脉宽引起的手指最大伸张角度(五指平均)Fig.6 The maximum extension angle of the PIP joint (averaged of the five fingers) withdifferent stimulation pulse width

3 游戏场景下的手部功能训练

定量评估结果表明，当刺激脉宽为40 μs时，所有受邀请的病人都能产生快速而稳定的张手动作。尽管50 μs脉宽的刺激也能使所有受邀病人的瘫痪手臂快速张开，但实验中发现，当刺激强度接近50 μs时，电流会使个别患者产生疼痛。因此在本康复训练系统中，用于辅助患者张手的电刺激脉宽设为40 μs。4位患者参与了每组各15 min、总共2组的康复训练，其中一组为训练时给予电刺激帮助，另一组训练则不施加电刺激。每位患者参与两组训练的先后次序是随机的，在完成一组训练之后，患者休息15 min。

图7中(a)、(b)分别显示患者3在无刺激帮助与有刺激帮助下手指角度的变化情况。结果表明，患者在电刺激辅助下能完成多次抓握及张手动作，并能更好地在游戏中实现重复性的手指训练。当没有刺激帮助时，患者只依靠自身患侧残余的功能很难顺利完成游戏训练任务，也很难达到与有刺激帮助时同等的训练强度。表2比较了在有刺激和无刺激时，测试取得的手掌抓握次数与最大平均手指伸张角度。在有电刺激辅助的情况下，不论是手掌抓握次数，还是手指伸张角度，都高于无电刺激辅助的情况。当训练结束后，所有测试者都表示对这个游戏式的训练方法有浓厚兴趣，并希望能再次接受训练。

图7 患者3的近端指间关节角度变化情况。(a)无刺激帮助；(b)有刺激帮助Fig.7 The PIP angle change of Subject 3.(a) Without assistance of FES; (b) With assistance of FES

表2 患者实验中完成的抓握/张手次数及近端指间关节最大平均伸张角度Tab.2 The averaged times of hand open/grasp when playing the game and the maximum extension angles of PIP angles

4 结论

手部功能康复训练系统综合运用了电刺激技术和体感技术，具有设置简单、使用方便的特点。此系统可用于残疾程度和表1患者相似的中风患者的手部功能训练，并且患者在使用本系统后可以达到一定的训练量。由于有认知游戏元素的加入，中风患者会更愿意投入到康复训练中，这将有利于鼓励他们坚持长期的训练。康复训练系统可帮助患侧手指实现完全的伸张，由表2可知，在有效刺激强度下，手指近端指间关节的最大平均伸张角度均值已接近180°。康复训练系统的研究人员将会继续邀请更多的中风患者多次参与电刺激辅助训练，并进行分组实验比较，以验证其长期训练的效果。康复训练系统可通过增加不同类型的游戏，调整认知游戏的内容和难易程度，从而提高患者参与训练的积极性。康复训练系统的一个重要功能是将中风病人映射成了鼠标：患者的头部动作可用于移动鼠标光标，患者的训练动作则用于鼠标点击。因此，利用本系统，患者除了可以操控康复训练系统自带的游戏外，还可操控其他商业游戏，从而将康复训练与更多的游戏结合，进一步增加了康复训练的趣味性。

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FunctionalElectricalStimulation(FES)withKinectforPost-StrokeRehabilitationonHands

Tu Junbo1,3Hu Xiaoling2Zheng Xiaoxiang1#*

1(CollegeofBiomedicalEngineering&InstrumentScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027，China)2(InterdisciplinaryDivisionofBiomedicalEngineering,HongKongPolytechnicUniversity,HongKong999077，China)3(ZhejiangInstituteofMedicalDeviceSupervisionandTesting,Hangzhou310000,China)

stroke; functional electrical stimulation;kinect; upper limb; motivation

10.3969/j.issn.0258-8021.2015.02.017

2014-04-20，录用日期:2014-10-30

国家自然科学基金重点项目(61031002); 国家高技术研究发展计划(2012AA011602); 973-脑机融合系统验证示范平台(2013CB329506)

R318

D

0258-8021(2015) 02-0248-05

# 中国生物医学工程学会会员(Member,Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)，E-mail:zxx@mail.bme.zju.edu.cn