基于镜像神经元理论的手部康复训练系统设计

严 程，陈 程，张 翔，张 宇，杨 洋，张 一*

（1.苏州大学附属第三医院，常州市第一人民医院，江苏常州 213000；2.钱璟康复股份有限公司，江苏常州 213000）

0 引言

脑卒中是导致残疾的主要原因之一。卒中患者患侧肌力、肌张力、感觉及运动姿势控制等方面的功能障碍严重影响其日常生活，给患者及家属造成沉重负担。

上肢手部功能障碍是脑卒中患者常见的功能障碍之一。传统的康复治疗方法对部分患者治疗作用有限[1]，且需要投入一定的精力和时间，功能改善效果不尽如人意。近年来，基于镜像神经元的康复方法在临床上的应用越来越广泛[2]，并取得了相对不错的治疗效果。根据相关研究显示，运动观察（视频或镜像）、运动想像均可以通过激活镜像神经元来促进脑卒中患者偏瘫肢体运动功能改善以及日常生活能力的提高[3-11]。目前，国内尚无有关基于镜像神经元在脑卒中后的针对性康复治疗设备，大多数还是需要康复治疗师操作简单的工具设备（例如平面镜等）来让患者观察健侧肢体动作，从而达到刺激镜像神经元的目的，存在治疗过程中易受外界干扰，花费时间、精力多，训练方法规范性、统一性较难量化，影响临床治疗效果的稳定等问题。鉴于此，本文在镜像神经元康复疗法的基础上，设计适用于脑卒中患者上肢手部功能障碍的康复训练系统，本系统实用性强，专为脑卒中后手功能障碍者提供丰富有趣、科学实用的康复训练方法，有效改善其上肢手部功能状况，从而提高其日常生活活动能力及生活质量。

1 总体设计

手部康复训练系统主要由康复训练桌及智能康复训练软件组成。通过操作训练桌上的升降按钮可调整桌面的升降高度；通过训练桌上的手势识别器和摄像头模块可实时捕捉患者的手部动作，并将动作呈现在触控显示器上；通过把镜像神经元理论融入到智能康复训练软件中，可有效实现对患者的筛查评估、指导患者进行手部的智能康复训练并提供相应的训练报告，达到刺激患者大脑中的镜像神经元，从而提高患者上肢手部运动功能和日常生活活动能力的目的。

2 具体设计

2.1 训练桌

如图1 所示，训练桌主要由移动底座、升降机构、桌面、摄像头模块、触控显示器和手势识别器等组成。

图1 训练桌整体结构图

2.1.1 移动底座及升降机构

移动底座主要由支撑底架和4 个万向脚轮组成，可实现任意方向的顺畅移动，并具有脚轮锁紧功能。采用电动推柱作为训练桌的升降机构，电动推柱用螺栓连接固定在支撑底架上，如图2 所示。电动推柱的升降行程为467～767 mm，训练桌高度的升降行程为580～880 mm，用户可根据自己的舒适性和方便性进行调节。

图2 移动底座与升降机构结构图

2.1.2 桌面、摄像头模块、触控显示器和手势识别器

桌面由铝合金支撑板制作，外围由ABS（acrylonitrile butadiene styrene）板制作，如图 3 所示。摄像头模块采用LRCP5033_500W_USB3.0，焦距 6 mm（60°广角），用于捕捉患者的手部动作成像到触控显示器上；触控显示器采用触摸屏Dell 一体机，尺寸为23.8 in（1 in=25.4 mm）；手势识别器采用厉动leap motion 三维 3D 手势虚拟现实（virtual reality，VR）体感控制器，可捕捉、识别患者的手势、动作，从而完成软件中的训练功能。

图3 桌面结构图

2.2 智能康复训练软件

本研究以镜像神经元理论为指导，融入体感控制技术[12-13]、视频追踪技术，结合认知[14-15]、精细运动等多种康复训练方法，根据康复医师多年的专业康复训练指导经验，有针对性地设计适合脑卒中患者的智能康复训练软件。软件训练功能通过动作观察、动作模仿、运动想像、运动学习来刺激患者的镜像神经元，从而促使大脑发生可塑性改变和功能重组，进而促进受损的运动功能恢复。患者可以通过该软件针对性地得到康复训练，并能体验到康复训练过程中的乐趣。同时该训练软件还能反馈出相应的训练报告，指导并纠正患者的康复训练，从而加速患者的恢复进程。软件流程图如图4 所示。

智能康复训练软件主要由用户管理、筛查评估、智能训练、影音库、数据记录等功能模块组成，系统功能结构图如图5 所示。

该软件采用C#编程语言、Access 数据库进行开发，其中实现游戏训练功能的部分开发代码如下：

图4 智能康复训练软件流程图

图5 智能康复训练软件功能结构图

2.2.1 用户管理模块

用户管理模块主要是记录和管理患者的评估检查量表，康复治疗师可以通过该功能查阅患者的相关历史评估信息，了解患者的康复功能状况，从而对照现阶段患者的功能状态制订后续的康复训练方案。

2.2.2 筛查评估模块

筛查评估模块主要包含情绪状态评估、认知功能评估和运动功能评定。患者根据屏幕上的提示回答问题或者按照规定完成相应的动作，从情绪状态、认知功能、运动功能3 个方面进行全方位的评估。评估结束后会显示患者的评估报告。康复治疗师可依据患者评定的分数及分级，根据其具体情况制订相应的康复训练方案。具体应用界面如图6 所示。

情绪状态评估是指通过焦虑自评量表和抑郁自评量表评估患者的焦虑、抑郁状态。评估结果能客观反映患者的焦虑、抑郁情况及其在康复治疗过程中的变化。

认知功能评估是指对患者进行洛文斯顿认知功能评定测验（Loewenstein occupational therapy cognitive assessment，LOTCA）、简易智力状态检查量表（minimental state examination，MMSE）、蒙特利尔认知评估量表（Montreal cognitive assessment，MoCA）[16-17]、AD8量表的问卷式评估，确认患者的认知功能状态。该评估主要用来对认知功能异常的患者进行快速筛查评定，评估内容涉及注意力与集中力、执行功能、记忆、语言、抽象思维、计算和定向力等认知领域。

运动功能评定是指对患者进行Brunnstrom 偏瘫运动功能分期评定、FMA（Fugl-Meyer assessment）上肢运动功能评定[18]、巴氏指数评定，主要是要求患者按照规定完成相应的动作，从而完成相应测试，以此来评估患者偏瘫侧肢体的功能状态。

图6 筛查评估应用界面

2.2.3 智能训练模块

智能训练模块包含教学训练、自由训练和游戏训练三大子模块，具体训练界面如图7 所示。教学训练：通过观看软件中内置的标准化教学视频进行训练，也可进行个性化教学训练，可自行将健肢运动过程录制视频并存储，系统会将视频自动镜像成患肢的运动视频，从而指导患肢的运动。自由训练：可进行左右手及不同部位的训练，如腕关节、前臂、手部。将双手放置在桌面上的摄像头下，健肢正常运动，显示器上会对应显示出相应一侧患肢的运动，从而刺激患者大脑中的镜像神经元系统，达到健肢带动患肢的康复训练效果。游戏训练：设置有4 种训练模式，包含打地鼠、平衡积木、机械手打包和炮轰海盗船，通过手部运动控制完成游戏操作，游戏结束后显示游戏结果报表。

2.2.4 影音库模块

通过影音库可上传影音、播放影音、删除影音。通过观察手部及相关部位的运动影音及运动想像来刺激大脑中的镜像神经元系统，有利于脑卒中患者偏瘫肢体运动功能改善以及日常生活能力的提高[19]。

图7 智能训练界面

2.2.5 数据记录模块

评估和训练结束后，康复治疗师可查看患者当前评估报告和训练报告中的相关数据。评估报告中包含患者的焦虑抑郁状态、认知功能、运动功能等各项量表的评分，训练报告中包含各项训练内容的评分。康复治疗师可根据每次评估及训练的历史数据报告横向比较各患者之间的差异性，也可以针对某一位患者的历史数据报告进行纵向比对，观察其接受治疗后的功能改善情况，为制订个性化治疗方案与修正当前治疗方案提供临床依据。具体界面如图8 所示。

图8 数据记录界面

3 手部康复训练系统使用方法

首先踩下脚轮刹车将训练桌锁住，使其不再移动。插上训练桌电源，调节桌面上的升降按钮使桌面升降至合适高度。打开桌面上的触控显示器，登录用户账户，可进行筛查评估或选择相应的训练模块进行训练。在教学训练和自由训练时，将患者的双侧上肢同时放置在触控显示器后面的摄像头下，显示器上即可显示患者手部操作、训练的图像；在游戏训练时，手势识别器可捕捉、识别患者手部的细微手势、动作，从而完成游戏训练。训练结束后可查看相应的训练报告。

4 系统样机与测试

手部康复训练系统实物样机如图9 所示。对样机进行测试，具体如下：

纳入30 名脑卒中患者，随机分为常规治疗组和手部康复训练系统实物样机治疗组（以下简称“样机治疗组”），每组15 人。2 组患者一般资料（包括年龄、性别、发病时间以及偏瘫侧数据）差异均无统计学意义（P>0．05），详见表 1。常规治疗组每周接受5 d 作业治疗（包括治疗性作业活动训练、感觉训练、日常生活活动训练等），每天2次，每次持续30 min，共4 周。样机治疗组每周接受5 d 作业治疗，每天1 次，每次治疗持续30 min，共4周，同时在作业治疗的基础上采用手部康复训练系统实物样机进行镜像治疗训练，每天1 次，每次30 min。采用Fugl-Meyer 上肢运动功能评分和改良Barthel指数（modified Barthel index，MBI）评分对 2 组患者的康复治疗效果进行评价。采用SPSS 17.0 统计软件对数据进行分析，计数资料用例数表示，采用χ2检验进行比较；计量资料用均数±标准差（）表示，采用t 检验进行比较。组内治疗前后比较采用配对样本t检验，其中，组间比较采用独立样本 t 检验，P<0.05 表示差异具有统计学意义。

图9 实物样机图

2 组患者治疗前Fugl-Meyer 上肢运动功能评分、MBI 评分差异均无统计学意义（P>0．05）。治疗后 2 组Fugl-Meyer 上肢运动功能评分、MBI 评分与治疗前相比均显著改善，差异具有统计学意义（P<0.01）。样机治疗组与常规治疗组相比治疗后Fugl-Meyer 上肢运动功能评分、MBI 评分显著提升，差异具有统计学意义（P<0.01），详见表2。综上所述，使用本系统可有效改善脑卒中患者的上肢手部运动功能，提高其日常生活活动能力。

表1 2 组一般资料比较

表2 2 组治疗前后Fugl-Meyer 上肢运动功能评分、MBI 评分比较 单位：分

5 结语

本文设计了适用于脑卒中患者的手部康复训练系统，康复训练模式多样，在较大程度上能够辅助患者康复训练并进行评估，填补了国内在基于镜像神经元康复疗法的智能康复设备方面的空缺。但是本系统也存在着一些不足之处，如镜像图像同步性不稳定、训练内容不够丰富、触控屏幕灵敏性需改善等。后期在本设计的基础上还可配备更完善的智能化系统[20-21]，融入更多的情景交互训练游戏，同时添加康复治疗师屏幕，便于其在治疗过程中观察、引导患者训练。综上，本文设计的手部康复训练系统人机交互性好、功能较为齐全，具有广阔的市场需求和推广前景。