中枢神经系统损伤偏瘫手功能康复：手功能软体镜像康复机器人治疗

和善琳 屠金康 习冲 周晨磊 沈绮媛 凌沈 吴晓琼 陈君*

1 上海市老年医院中心康复医学中心 （上海 201104）

2 复旦大学附属中山医院康复医学中心 （上海 200032）

内容提要： 目的：探究手功能软体镜像机器人对中枢神经系统损伤造成的偏瘫患者手功能康复的临床可行性。方法：纳入康复医学科中枢神经系统损伤脑卒中患者24例为观察对象，观察组在常规偏瘫侧上肢及手功能康复训练的基础上，增加2次/周，30min/次的手功能软体镜像机器人训练。对照组增加同等时间的康复宣教。在干预前后评估患者Fugl-Meyer手运动功能评定（FMA-HAND）、九孔试验（NHPT）、Barthel评分（BI）、健康调查量表12（SF-12）。结果：2组患者FMA-HAND、NHPT、SF-12、BI评分较治疗前均明显提高（P＜0.05）。日常生活方面的提高较对照组没有明显区别，其余各项较对照组有明显区别，且有统计学意义。结论：基于人工智能的手功能软体镜像机器人训练或能改善中枢神经系统损伤偏瘫患者的手功能、手指灵活性、生活质量。

在过去的数十年间，全世界因中枢神经系统损伤造成的脑血管意外的发病率持续攀升，已然成为致残率、致死率最高的疾病之一。超80%的脑卒中后幸存者出现上肢运动功能障碍，其中只有30%～40%的病例可在发病6个月后拥有中等程度的上肢灵活性。智能化是当代人类物质文明和精神文明发展的趋势，如何让人工智能辅助康复医学，以帮助患者更有效地改善手功能障碍是研究者们热议的话题之一。当前，镜像疗法配合更多不同的技术，或者更多基于镜像疗法衍生而出的智能化干预方法能否达到更好的手功能治疗效果仍有待实践。本研究着眼探索一种手功能软体镜像机器人的临床疗效，这是一种基于镜像疗法原理，针对脑卒中患者偏瘫侧手功能的机器人。该手功能软体镜像机器人即继承了软体材料带来的舒适度，同时兼顾手指弯曲伸展的优点，通过程序实现双侧镜像功能，以求达到更好的康复效果。本研究通过随机对照试验，基于镜像衍生出的手功能软体镜像机器人，在手功能障碍的中枢神经系统损伤脑卒中患者中进行疗效探究，并对比传统手功能康复治疗，以期为智能化技术在临床中的应用提供更多的理论依据。

1.资料与方法

1.1 临床资料

入选2023年6月～8月于复旦大学附属中山医院的康复医学中心就医的中枢神经系统损伤所致的脑卒中偏瘫同时存在手功能障碍的患者24例，随机软件将其分为观察组（12例）和对照组（12例），脱落4例后两组终纳入分别为10例。两组受试者的一般资料可比，复旦大学附属中山医院伦理委员会对该研究审核并给予同意（其伦理号：B2022-502R），临床试验注册号为：ChiCTR2300072181，所有受试者在干预前签署知情同意

纳入标准：中枢神经系统损伤所导致的脑卒中要与中华医学会修订的《2019版中国各类主要脑血管疾病的诊断要点》[1]相符合，因脑卒中偏瘫导致的手功能障碍的患者，并经由MRI或CT证实；年龄18～75岁；首次发病；简易精神意志检查量表结果为无明显的认知方面异常；无失语症；上肢改良版Ashworth分级≤1+级；坐位平衡≥2级；无其他影响上肢功能的疾患，如风湿性关节炎、皮肤病等。排除标准：病前已存在腕手功能障碍；并发有严重心、肾等器官异常；手部开放性外伤；患急性传染病；伴有中重度认知障碍；妊娠期；手部皮肤表面存有感染。

1.2 方法

由一位康复治疗师完成所有患者相关资料的收集，包括姓名、性别、年龄等一般特征资料，中枢神经系统损伤类型（脑卒中）、病程、偏瘫侧、改良Ashworth分级等资料。

观察组与对照组都接受了5周，2次/周，1h/次的传统作业治疗，主要包括：对患手主被动关节活动度训练10min、肌力训练10min、手功能训练20min、日常生活功能训练20min等。对照组额外增加每周2次，每次30min的康复宣教。

观察组接受额外的每周2次，每次30min的手功能软体镜像康复机器人（型号为：SRH 225）治疗。训练方式：①取坐位，双手分别穿戴手套，通过传感装置连接至主机；②选择主从镜像模式，调节速度和力度控件，系统实时评估患侧手的活动；③启动后，提示患者健侧手完成五指或单指屈伸、拇指对指，系统提取健侧手部动作信号并转化，带动患侧手所戴数控手套做出同步动作，实现几乎相同的镜像动作，分别做2组，每组进行5min，间隔休息2min；④然后，完成10min的双手同时抓握丸状、球状、圆柱状物体，伸手握杯、拿球、捏起小丸等与日常生活相关的精细活动，重复15次。训练中给予患者多重反馈。

1.3 观察指标与判定标准

干预前后，由经培训的康复治疗师对两组中枢神经系统损伤后脑卒中患者的手运动功能、手指的灵活性、日常生活能力及生活质量评估比较。

①Fugl-Meyer手运动功能评定[2]（Fugl-Meyer Motor Assessment-Hand，FMA-HAND）：为主要评估，具体包括肩、肘、腕、手的运动、协调性和速度等，共33项，总分66分，总分值越低表明运动功能障碍越大。②九孔小木钉板测试[3]（Nine Hole Peg Test，NHPT）：手指灵活性评估，耗时越短，手指灵活性越好。③Barthel评分[4]（Barthel Index，BI）：日常生活能力的评估，总分100分，分数越高活动能力越好。④健康调查量表12（Short Form 12，SF-12）[5]：生活质量的评估，涵盖12大类项目，涉及生理功能、生命活力和社会功能等角度，满分100分，得分越高表示自我感知的生命质量越高。

1.4 统计学分析

采用软件SPSS 22.0进行数据处理。符合正态分布要求的数据统计学结果用±s表示，对两组间比较采用配对样本t检验；非正态分布的计量资料以[M（P25，P75）]表示，两组间数据资料的对比采用秩和检验；选用Mann-Whitney U秩和检验对两组间进行比较；计数资料的统计学分析采用χ2检验。以P＜0.05差异性有统计学意义。

2.结果

两组一般资料如性别、年龄、病程、患肢侧和改良Ashworth分级等数据均无显著性差异（P＞0.05）。见表1。

表1.两组患者一般资料比较(n=10)

干预前，两组FMA-UE、NHPT、SF-12、BI得分的比较均无统计学上意义（P＞0.05）。当治疗5周后，两组受试者的FMA-UE、SF-12和NHPT得分均出现显著改善（P＜0.05），其中观察组的改善程度更为显著（P＜0.05）。但干预后两组间BI评分差异没有统计学意义（P＞0.05），见表2。

表2.两组干预前后FMA-UE,NHPT,SF-12和BI评分比较[M,(P25,P75)] (n=10,分)

3.讨论

镜像疗法被证实可有效促进脑卒中患者的功能恢复。然而，由于手功能的复杂性，基于镜像疗法所衍生出的治疗途径是否能够达到更好的手功能治疗效果仍有待实践。人工智能的运用是康复治疗未来趋势，利用人工智能技术使机器人实现镜像治疗模式为目前的手康复提供新的思路。

结果提示，经过5周的干预后，手功能软体镜像康复机器人可以促进中枢神经系统损伤脑卒中患者手功能改善。观察组治疗后FMA-UE、NHPT、SF-12指标均有改善，且优于对照组。治疗后两组BI指数均较前提高，但组间无差异。研究期间，所有的研究对象均没有发生任何严重的不良反应，说明此干预具备一定的安全性。

现主流观点认为，中枢神经系统损伤后运动功能的恢复涉及两脑半球备用区域的神经重组，让备用区域来接管受损组织区域，大脑的神经重组是治疗脑卒中患者功能障碍的关键，而非修复损伤组织。针对手功能训练的康复机器人在临床上有较高的需求，需要具备更为个体化且针对性的人工智能算法。如果在康复治疗过程中从视觉及操作方面优化人机交互，那么可以最大限度地提高康复疗效，因此，本研究中的新型手功能机器人则将脑科学与镜像算法结合在一起，以求达到更好的康复疗效。

镜像疗法已被证实是一种有效调节中枢神经系统损伤后运动功能障碍的干预方法，在向感觉运动皮层提供视觉反馈的同时，帮助大脑重新支配患侧肢体运动。在作用机制方面，Michielsen等[6]运用功能磁共振成像发现镜像疗法在因中枢神经系统损伤所致的脑卒中患者完成双侧手活动时，会利用人脑对视错觉的解读，来激活两块大脑区域，分别是自我意识相关脑区和空间意识相关脑区，从而增强患者对自己偏瘫侧肢体行动姿态的认知，减少患侧肢体的废用性。本试验中手功能软体镜像康复机器人不是传统镜像康复的简单视觉反馈，而是一种综合了康复医学、机器人学、生物医学等多学科为一体的智能康复疗法。其配备IMU传感器，能够快速捕捉健侧手的每根手指在3D空间中的运动算法。其智能化原理则是使用到九轴IMU传感器，由三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计集合而成，可以精准地采集患者手指的加速度、角速度等数据，进而通过多传感器数据融合来解算患者活动时手指在3D空间中的形态姿势。实时转化并传感至患侧的被动数据手套，等同于健患侧手在自主意识的驱使下做出相同的动作，完成同步的以任务为导向的练习，从而帮助患侧手康复。本试验具有一定的局限性：样本量及干预次数较少。也未对两组患者长期观察随访评估，其远期疗效如何有待进一步探讨。观察组BI指数虽较对照组有所改善，但差异无统计学意义，可能是由于本次试验干预位置仅限手部，而日常生活则需要用到上下肢综合的活动，因此，在往后的研究中可以选择更敏感的评估量表作为结局指标对手功能相关的日常生活进行评定。

相较于传统康复医学，智能化康复医学未来可能逐步具备拟人类的感知力、思维力和决策力等，在各种临床条件中，以人为中心，通过大数据的存储处理和反馈，更为准确地作出临床决策并付诸行动。本试验探究的手功能软体镜像机器人就是将人工智能技术应用在康复医学中，探索其在中枢神经系统损伤导致的脑卒中患者手功能治疗中的疗效，提高康复机器人辅助介导的训练在人脑神经可塑性方面的应用理解，有一定的临床应用前景。