上肢协调功能障碍康复技术研究进展*

张瑞青，邹任玲

(上海理工大学医疗器械与食品工程学院，上海 200093)

1 引 言

上肢协调障碍严重影响患者的生活质量。造成患者协调障碍的主要病因是脑瘫和脑卒中造成的脑损伤。

大部分脑瘫儿童的临床表现均有上肢协调障碍[1-3]。上肢协调功能障碍严重影响儿童的健康成长，导致其他重要功能的发育也受到制约，比如精细运动功能、粗大运动功能、认知功能及日常生活能力等[4-5]。据统计，目前有3%左右的儿童患有上肢协调功能障碍。

脑卒中后遗症是协调功能障碍的另一大原因[6]。脑卒中后三个月，30%的患者永久性残疾，其中80%的患者愈后均有上肢协调功能障碍[7-8]。其引发机理为高级中枢对低级中枢控制失灵，上肢肌体各肌群之间失去了相互协调，正常的精细、协调、分离运动被粗大的共同运动或痉挛所取代，导致患者不能进行打结、系鞋带、剪指甲等日常活动[9]，生活不能自理。

针对上肢协调功能障碍，常用的训练方法有双侧肢体间协调训练和单侧肢体内协调训练[10]。有效的康复运动训练具有[11-12]高强度、可重复性、以任务为导向训练、调动患者主动训练积极性的特点。随着科学技术的发展，虚拟现实、传感器、图像投影、康复机器人、肌电生物反馈等技术越来越多地被应用于康复治疗。

2 双侧肢体间协调训练

大多数日常活动均需要双手的协作来执行功能性的、目标导向性的任务。上肢协调障碍患者由于中枢神经系统异常，无法进行双手的配合运动。通过对双侧肢体进行生活中常见的动作训练，能使两侧控制肌肉的大脑半球神经网络被激活，很大程度上提高双侧肢体间的协调性。有学者将传感器和虚拟现实技术应用于上肢协调康复系统中，效果显著。

2.1 基于虚拟技术双侧协调训练

2011年，Ustinova等[13]针对脑损伤患者手臂姿势协调障碍，开发了一款3D沉浸式视频游戏——八爪鱼(Octopus)。该游戏使用WorldViz Vizard软件开发，并与Qualysis系统集成，用于运动分析，精确再现了实时运动模式下参与者手臂姿态与模拟环境同步。患者站在显示屏前，通过八爪鱼吐出的气泡与计算机生成的环境进行交互。气泡遵循不特定的轨迹，患者的左右手通过姿态运动控制虚拟环境中的左右手对气泡进行拦截。与其他VR方法相比，Octopus有一个算法，它允许根据患者的能力操纵最大限度的姿势位移。这是康复游戏设计中一个新颖的方面，它鼓励最大限度地使用可用的肢体协调。Octopus还包含一个具有多种奖励系统的游戏组件，使游戏具有挑战性、竞争性、激励性和趣味性。Ustinova等对13名参与者进行研究，通过短期训练，参与者的手臂前伸时间和姿势协调精确度都有所提高。证明了使用该系统训练手臂姿势协调的可行性。

2017年，Do等[14]对虚拟现实系统Nintendo Wii进行研究，将其应用于双侧协调康复训练。该研究选定四个Nintendo Wii虚拟现实游戏：独木舟、高尔夫、剑术和自行车运动，与双侧协调康复训练相结合，进行对称上肢协调运动和不对称上肢协调运动。训练系统的硬件设备包括显示屏、台式机、三维运动传感器和遥控器。训练程序被执行时，受试者距离显示器5 m，三维运动传感器检测上肢运动的位置及角度变化数据，与主机进行通信，受试者双手握住遥控器按照屏幕上显示的游戏指令进行肢体运动，同时使游戏里的虚拟化身跟随受试者的方向进行移动，增加受试者的视觉反馈。Do等对三例偏瘫脑瘫患儿进行Nintendo Wii虚拟现实系统训练，通过投篮和移动大型轻量化盒子进行协调能力的评估。结果表明，基于虚拟现实的Nintendo Wii训练系统对改善偏瘫脑瘫患儿的上肢运动技巧和双侧手部协调能力具有积极作用。

2.2 基于多感官传感技术双侧协调训练

2016年，Ningbo等[15]设计一款双侧上肢协调训练系统。见图1，该系统基于开源平台框架CHAI3D触觉引擎，将Leap Motion手势传感器与具有力反馈能力的Omega.7触觉传感器结合，设计了涉及视觉、听觉和辅助力反馈的虚拟场景，通过双手合作将虚拟长方体放入合适的框内，进行双手的协调训练治疗。其中Leap Motion 运动手势传感器采集健康手的运动数据，患侧手根据设计的协作任务范例，通过Omega.7力反馈设备采集运动数据，数据流通过USB连接进入主机。该系统的虚拟训练任务是健康的左手发挥支持作用，托起移动板，补偿右手的运动。而受损的右手则扮演主导作用，逐一接近并抓取特定物体，将其平稳放置在相应的目标位置。该任务对屈曲、伸展、腕关节桡尺偏移和前臂前仰等动作进行重复练习。Ningbo等成功地对八名健康受试者进行了初步实验，双手协调动作的配合度显著提高，显示了该系统在家庭或临床机构进行康复训练和评估的技术可行性。

大量临床证据[16-18]表明，虚拟现实疗法能够改善上肢功能障碍患者的运动功能，提高患者的参与度和训练积极性，缩短患者的康复时间。上述三种训练系统均由传感器获取患者上肢及手指运动的位置，配合上肢协调训练动作设计虚拟场景，增加了视觉、听觉、触觉反馈，但传感器精度不高，游戏类型过于简单，训练动作较单一，无法实现患者的个性化训练。

图1双侧协调训练系统

Fig.1Bilateral coordination training system

3 单侧肢体内协调训练

近年来对上肢协调障碍患者引入单侧肢体内部协调训练康复方法，单侧训练增强单侧肢体内部多个关节的协调性。当进行伸展、抓握等活动时，肌肉能够更好的运动分离。研究发现，使用机器人辅助训练和肌电生物反馈疗法进行肢体内部的协调训练，极大地促进了患者上肢协调障碍功能的恢复。

3.1 基于图像投影技术单侧协调训练

2013年，Liu等[19]设计开发了一种基于图像投影的桌面手臂训练器(IDAT)。该设备包括一个笔记本电脑，一个投影仪和一个激光距离传感器。投影仪显示操作区域，传感器测量距离数据。该训练器开发了三种训练游戏，包括打鼹鼠、破气球和抓鱼，通过训练患者的手眼协调来维持和改善患者的上肢运动协调功能。IDAT提供了一个非常不同的人机交互，装备了一个操纵杆来远程操作。选择SOI(step-on interface，SOI)作为输入系统，使患者可以直接用手操作IDAT。与传统疗法相比，IDAT可以定制训练任务，为患者进行枯燥的康复运动提供动力和成就感，保持他们训练的热情和兴趣，更具有亲和力和可操作性。因此，IDAT为上肢康复开辟了一条新的途径。

3.2 基于复合技术康复机器人单侧协调训练

2013年，Hu等[20]研制了一种用于脑卒中后肌肉协调康复训练的手部机器人。手部机器人由肌电图驱动，有五个独立的手指，每个手指可以提供两个自由度。手指伸肌肌电图控制手的张开动作，收手动作受外展短臂肌肌电图的控制。患者佩戴肌电图驱动的手部机器人，完成横向手臂伸展抓握和垂直手臂伸展抓握两个任务。其中横向手指伸展抓握指将一个海绵从桌子一侧a点水平移动50 cm到另一侧b点，再从b点移动到a点；垂直手臂伸展抓握是从架子下层抓起海绵垂直提起17 cm，放在上层，再拿起放回下层。肌电信号可以监测单个肌肉的活动和肌肉之间的协调模式，任务期间肌电信号达到一定阈值触发电机运动，进而控制手指的伸展和抓握。Hu等对十名患者进行训练，训练过程中，伸肌和屈肌的肌电信号明显降低，导致其共收缩减少，意味着伸展和抓握任务时，两块肌肉能够更好地分离。结果表明，与肌电信号驱动的手部机器人相结合的上肢训练可以改善拮抗手指肌肉对，即屈肌和伸肌的协调。

2017年，Proietti等[21]对四自由度外骨骼机器人进行研究，采用Corcher等[22]开发的运动协同控制器，对其设计特定的关节协调模式。外骨骼固定到受试者的右臂，另外，受试者佩戴商用腕夹板以限制腕部运动。对20名受试者佩戴外骨骼，在关节间速度相关的扰动力场的作用下，执行指点和跟踪任务。研究发现，当受试者专注于完成任务时，他们关节间的协调能够被修改，并可以学习特定的关节间协调。这为机器人辅助治疗上肢协调功能障碍提供依据。但人体关节运动学非常复杂，并不能被传统的机器人关节完美的模仿，对于协调功能的机器人辅助训练还需进一步的研究。

3.3 基于生物反馈电刺激技术单侧协调训练

2017年，Rong等[23]开发了神经肌肉电刺激和机器人混合系统用于上肢的多关节协调康复训练。见图2，该系统为可穿戴设备，机械部分包括两个模块：肘模块和腕模块。这两个模块通过支撑系统固定在相应的关节，对皮肤施加的压力进行自适应控制。该系统可以支持一系列肢体运动，包括肘关节伸展、肘关节屈曲、腕关节伸展、腕关节屈曲，目的是模拟手臂各个关节协调地进行伸展、抓握、屈曲等日常活动。四通道神经肌肉电刺激分别应用于肱二头肌、肱三头肌、桡侧曲腕肌、尺侧腕伸肌和指伸肌。受试者通过跟随显示屏上的光标进行一系列运动。在每个运动阶段，肌肉本身的电信号用于控制机器人中的电机运动，并且在该肌肉上施加相应电刺激。通过对十一名上肢协调障碍患者进行试验，结果显示肌肉对之间的共同收缩明显降低，肘部和腕部的MAS评分明显降低，表明了神经肌肉电刺激和机器人与多关节协调运动的联合治疗可以有效改善肘部、手腕和手指之间的肌肉协调性。

图2 神经肌肉电刺激和机器人混合系统

大量临床研究证明[24-26]，生物反馈疗法联合常规康复治疗，可调节神经兴奋性，促进肌肉节奏性收缩，增强局部肌肉血液循环，明显改善协调障碍患者的运动协调功能，提高患者的日常生活能力。上述神经肌肉和机器人混合系统较单纯的机器人训练，减少了肘部的肌肉过度及手腕相关的肌肉激活水平，并且能用于多关节的协调运动。但是肌电信号本身较微弱，容易受到干扰，很大程度上依赖后期的信号处理。为了实现稳定的功能，还需要进一步的研究。

4 结论

上肢协调训练技术日趋成熟，传感器技术的发展将提高位置传感器的精度，使运动捕捉准确度增加，提高患者治疗效率。康复机器人辅助训练利用机器人外骨骼使肢体的多个关节进行协调，产生抓握、伸展、屈肘等运动，使产生运动的各个肌肉对的收缩时间明显降低，协调运动能力得到提高，但上肢机器人往往体型巨大，佩戴不舒服。肌电生物反馈疗法通过对相应肌肉进行电刺激，增强神经的兴奋性，并且可以通过肌电图对治疗效果进行评估，但是设备往往耗资较大，且信号微弱，信号分析处理比较困难。

虚拟现实技术飞速发展，越来越多的应用于康复领域。针对上肢协调功能障碍，采用虚拟现实技术进行上肢协调训练无需专业医师指导，减少了医护人员及家庭的负担，还可以进行远程治疗。虚拟现实场景增加患者的训练沉浸感，令患者不知不觉地增加训练时间，提高治疗效率。虚拟游戏的多样化可以为患者制定既有单侧协调训练又有双侧协调训练的方案，使训练方式多样化。相信不久的将来，虚拟现实技术会在上肢协调功能康复领域得到进一步的发展。