重點(diǎn)上肢機(jī)器人在腦功能重塑理論中的臨床應(yīng)用

1、重點(diǎn)上肢機(jī)器人在腦功能重塑理論中的臨床應(yīng)用上肢機(jī)器人在腦功能重塑理論中的臨床應(yīng)用人類的大腦功能可以通過外界的刺激而重塑，這種現(xiàn)象已經(jīng)廣泛的被醫(yī)學(xué)界所認(rèn)可。而且，有很多實(shí)驗(yàn)也都證明了腦功能重塑和神經(jīng)可塑性的理論，例如，Elbert等人通過對(duì)弦樂器演奏家的大腦進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)演奏家的手指的功能區(qū)域明顯增大;Pscual-Leone通過對(duì)使用布萊葉盲文的盲人讀者的大腦皮質(zhì)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，盲人的手指運(yùn)動(dòng)感覺皮層代表區(qū)面積會(huì)擴(kuò)大，且這一區(qū)域會(huì)隨著閱讀活動(dòng)而波動(dòng)變化;Chen等人通過對(duì)環(huán)境因素對(duì)大腦的刺激發(fā)現(xiàn)某些大腦回路會(huì)因環(huán)境刺激產(chǎn)生改變。針對(duì)腦損傷的康復(fù)治療，其采用的康復(fù)方法是基于以腦功能重塑和神經(jīng)可塑性的

2、理論為基礎(chǔ)發(fā)展的，其中近來電腦控制的機(jī)器人康復(fù)技術(shù)就最具有代表性。那么，到底具備什么功能的康復(fù)機(jī)器人才能滿足神經(jīng)損傷患者的康復(fù)需求，我們就從理論和臨床應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。一、理論基礎(chǔ)圖1.1腦神經(jīng)功能重塑示意圖可塑性大腦皮質(zhì)的解剖學(xué)基礎(chǔ)通過對(duì)大腦進(jìn)行研究我們了解人體大腦的特定功能源于大腦的某一區(qū)域，因此大腦被劃分為不同的功能區(qū)域，如感覺區(qū)、記憶區(qū)、語言區(qū)、識(shí)字區(qū)和運(yùn)動(dòng)區(qū)等。很多中樞神經(jīng)損傷的患者都會(huì)表現(xiàn)出各種不同程度的運(yùn)動(dòng)功能障礙，通過上圖我們可以發(fā)現(xiàn)大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)中肌肉的代表區(qū)廣為重疊，而且特定肌肉和關(guān)節(jié)有其相應(yīng)的代表區(qū)，單個(gè)皮質(zhì)脊髓神經(jīng)元可分到多個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元庫，水平的神經(jīng)纖維使分散代表區(qū)相互

3、連接，這表明從解剖學(xué)的角度分析我們能夠通過對(duì)某一肌肉或關(guān)節(jié)的訓(xùn)練刺激，從而實(shí)現(xiàn)特定運(yùn)動(dòng)區(qū)的神經(jīng)功能重塑。Nudo和Milliken等人通過對(duì)動(dòng)物的研究證實(shí)了這種觀點(diǎn)，他們對(duì)鼠、猴的大腦皮質(zhì)手部運(yùn)動(dòng)區(qū)制作局部缺血梗死灶，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比性研究。其中，第一組采用梗死后不干預(yù)的方法，這一組動(dòng)物的大腦不僅發(fā)生了局部的組織缺失，而且損傷區(qū)附近的手功能代表區(qū)發(fā)生了進(jìn)一步缺失;第二組采用限制健手使用，并在活動(dòng)中對(duì)患手做重復(fù)的技巧性訓(xùn)練的方法，這一組動(dòng)物的大腦局部區(qū)域防止了一定的組織缺失，且受損區(qū)內(nèi)的手功能區(qū)獲得了約10%的改善;第三組采用限制健手使用，但不訓(xùn)練患手的方法，這一組的動(dòng)物大腦中的手、腕、前臂代表區(qū)

4、總面積縮小。所以，Johansson于2000年提出了“決定功能結(jié)局的不僅僅是剩余神經(jīng)元的數(shù)目，還有他們的功能如何及他們產(chǎn)生什么樣的聯(lián)系，這些都將決定功能的結(jié)局?！蹦X功能重組的觀念對(duì)于大腦損傷后的功能結(jié)局我們可以通過康復(fù)的手段來進(jìn)行改善，這也與現(xiàn)代的康復(fù)理念相一致。國際神經(jīng)損傷和腦卒中研究所于2009年提出“康復(fù)中最重要的不僅僅是治療患者的殘障，而且要讓他們重新學(xué)習(xí)運(yùn)用已失去的身體功能”;“這種再學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)為腦功能重組理論，即腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生新的連接和重組，以新的方式完成已喪失的功能.”。腦功能重組在表現(xiàn)上分為兩個(gè)方面:?新的神經(jīng)連接在不斷使用下會(huì)變得非常活躍和穩(wěn)固;?缺乏相關(guān)使用會(huì)讓連接

5、變得很弱，直至消失。這與我們常說的“用進(jìn)廢退”現(xiàn)象相一致。腦功能重組的機(jī)制腦卒中導(dǎo)致腦部受影響部位的腦神經(jīng)細(xì)胞死亡，這些死去的神經(jīng)細(xì)胞會(huì)引起各種功能障礙，包括運(yùn)動(dòng)功能障礙。通過前述的大腦皮質(zhì)解剖學(xué)基礎(chǔ)我們已經(jīng)知道了大腦功能是通過不同的功能分區(qū)實(shí)現(xiàn)的。所以，臨近的未受損的腦神經(jīng)細(xì)胞具有潛在的代償能力，但它們之間需要建立連接，這種連接可以比喻為就像一顆大樹被折斷了樹枝，新的枝芽仍可再生連接并變得穩(wěn)固，在這個(gè)過程中，有效的康復(fù)訓(xùn)練可加速連接的過程并提高活動(dòng)能力，而且通過這種康復(fù)訓(xùn)練可以讓患者在損傷后數(shù)周、數(shù)月，甚至數(shù)年后都可能發(fā)生神經(jīng)結(jié)構(gòu)的可塑性改變。既然腦功能重組是通過使未受損的腦神經(jīng)細(xì)胞與功能區(qū)

6、建立聯(lián)系而實(shí)現(xiàn)的，那么在連接過程中就會(huì)表現(xiàn)出雙面性:?正確的使用或康復(fù)訓(xùn)練能改善運(yùn)動(dòng)功能并提高ADL的表現(xiàn)，?錯(cuò)誤的使用或訓(xùn)練會(huì)產(chǎn)生各種誤用綜合征，如肩手綜合征等。這提示我們?cè)趯?duì)患者進(jìn)行康復(fù)治療時(shí)要建立正確的運(yùn)動(dòng)模式。腦功能重組的影響因素通過前人對(duì)臨床康復(fù)實(shí)踐和腦功能重組的機(jī)制進(jìn)行研究，我們發(fā)現(xiàn)想象療法、康復(fù)訓(xùn)練的內(nèi)容、康復(fù)訓(xùn)練的時(shí)機(jī)、康復(fù)訓(xùn)練量和環(huán)境因素的影響是腦功能重組的主要影響因素:想象療法:讓患者對(duì)治療動(dòng)作在大腦中進(jìn)行想象、模擬和重現(xiàn)，這可以促進(jìn)感覺運(yùn)動(dòng)皮層功能重組，改善運(yùn)動(dòng)功能和提高上肢運(yùn)動(dòng)能力;康復(fù)訓(xùn)練的內(nèi)容:采用任務(wù)導(dǎo)向性的訓(xùn)練能夠增強(qiáng)梗塞灶周圍運(yùn)動(dòng)功能區(qū)的功能性重組，改善運(yùn)動(dòng)功

7、能，且在動(dòng)作設(shè)計(jì)的時(shí)候采用與功能相關(guān)的活動(dòng)訓(xùn)練能夠改善患者對(duì)于肢體的運(yùn)動(dòng)控制能力;康復(fù)訓(xùn)練的時(shí)機(jī):在患者生命體征穩(wěn)定的情況下進(jìn)行早期的康復(fù)治療能夠獲得更好的功能預(yù)后，但是，這種治療依據(jù)循序漸進(jìn)的原則開展，同時(shí)要避免過度訓(xùn)練，因?yàn)镵ozlowski等人的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，局部梗塞后即刻進(jìn)行患肢的強(qiáng)制性使用可能會(huì)加重?fù)p傷；康復(fù)訓(xùn)練量:腦卒中后患者患肢的運(yùn)動(dòng)量減少會(huì)造成樹突棘的形成下降、突觸延伸和神經(jīng)生長因子的減少，而反復(fù)的進(jìn)行功能性運(yùn)動(dòng)、增加治療量對(duì)運(yùn)動(dòng)技能的恢復(fù)有顯著作用；環(huán)境因素的影響:豐富環(huán)境能促進(jìn)神經(jīng)可塑性改變，改善運(yùn)動(dòng)功能，明顯增強(qiáng)其它干預(yù)方式的效果。所以，為了獲得更好的腦功能重組的效果，我

8、們?cè)谠O(shè)計(jì)康復(fù)治療處方的時(shí)候就需要具有早期開始、在豐富的環(huán)境下（為患者提供更好的動(dòng)機(jī)、興趣、競爭等）、反復(fù)進(jìn)行（動(dòng)作要具有可重復(fù)性）、與功能相關(guān)的任務(wù)導(dǎo)向性活動(dòng)訓(xùn)練和根據(jù)患者的承受能力制定訓(xùn)練內(nèi)容（個(gè)體化）等條件，才能使康復(fù)治療的效果最佳化。二、臨床應(yīng)用圖1.2健康人上肢夠物運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)通過圖1.2對(duì)健康人的手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析我們可以看出它們是具有相似的運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)的，表現(xiàn)為高效的反饋和前饋控制、協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng);手部在運(yùn)動(dòng)過程中的軌跡是直的或輕微彎曲；時(shí)間-速度曲線程平滑的鐘形;峰值速度出現(xiàn)在夠物運(yùn)動(dòng)過程的中點(diǎn)。SuQjlCtL-Chadeil*4圖1.3偏癱患者上肢夠物運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)我們?cè)賹?duì)圖1.3腦卒中患

9、者的手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，他們的患肢手部運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)會(huì)發(fā)生如下改變:主要表現(xiàn)為主動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度變小、運(yùn)動(dòng)時(shí)程延長、運(yùn)動(dòng)節(jié)段增多、峰值速度降低、到達(dá)峰值速度的所需時(shí)間更長、手運(yùn)動(dòng)軌跡的筆直度下降、肩和肘關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)性受損;這些改變是由于患者在進(jìn)行患肢運(yùn)動(dòng)的過程中采用了代償戰(zhàn)略，且變化程度與其運(yùn)動(dòng)受損程度明顯相關(guān)?；颊叩倪\(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)改變是由于在腦卒中后發(fā)生了功能性運(yùn)動(dòng)單位丟失、運(yùn)動(dòng)單位募集順序改變和運(yùn)動(dòng)單位啟動(dòng)率改變等情況造成的，這些改變引起了肌肉活動(dòng)模式的改變，體現(xiàn)在肌肉骨骼系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)中的表現(xiàn)即為:主動(dòng)肌在運(yùn)動(dòng)過程中募集能力的下降，拮抗肌在過程中不能放松卻產(chǎn)生協(xié)同收縮，對(duì)于肌肉的收縮和放松控制出現(xiàn)

10、啟動(dòng)和停止的延遲，技巧性運(yùn)動(dòng)所需肌肉群的選擇性獲得的缺失等。這些都是由于大腦中樞神經(jīng)元的損傷導(dǎo)致皮質(zhì)脊髓束傳導(dǎo)受損引起的，但這種損傷激發(fā)了剩余神經(jīng)通路的使用。簡單來說，腦卒中患者在進(jìn)行上肢夠物運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)協(xié)調(diào)性下降的表現(xiàn)，如夠物軌道的外向偏離明顯變大，夠物的中點(diǎn)至終點(diǎn)出現(xiàn)了肘和肩關(guān)節(jié)時(shí)間上協(xié)調(diào)性的破壞等情況，這些都提示我們前饋控制在預(yù)測(cè)肢體動(dòng)態(tài)活動(dòng)時(shí)能力的下降，關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)性的受損，程度與運(yùn)動(dòng)損害水平明顯相關(guān)。2.肢體康復(fù)治療現(xiàn)狀和臨床需求目前，國內(nèi)腦卒中患者的上肢康復(fù)治療以手法治療為主，但是，手法治療由于需要采用一對(duì)一的高人力資源成本的方式，且每個(gè)療程的可重復(fù)運(yùn)動(dòng)平均次數(shù)僅為38.8次，顯然這

11、種方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足腦功能重組所需的大量的持續(xù)的重復(fù)性運(yùn)動(dòng)需求。因?yàn)椋瑸榱藵M足腦卒中患者的大腦皮層進(jìn)行重組的要求，就需要肌肉骨骼系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)于神經(jīng)肌肉系統(tǒng)進(jìn)行大量重復(fù)性的刺激，這樣才能建立新的神經(jīng)通路和重組，才能具有啟動(dòng)肌肉活動(dòng)的能力、具有協(xié)調(diào)參與活動(dòng)肌肉的能力和具有從感覺系統(tǒng)獲得反饋信息的能力。所以，為了滿足腦功能重組和重塑新的神經(jīng)通路我們的臨床康復(fù)需求就是:可以早期即開展治療、可進(jìn)行與功能性活動(dòng)相關(guān)的治療、可增加重復(fù)運(yùn)動(dòng)以提高治療的有效性、提高重復(fù)運(yùn)動(dòng)的可持續(xù)性、并能通過實(shí)時(shí)反饋?zhàn)尰颊呖吹秸麄€(gè)運(yùn)動(dòng)過程，以保持其參與訓(xùn)練的積極性。3.康復(fù)機(jī)器人給臨床帶來的解決方案在了解了腦功能重組的理論

12、基礎(chǔ)和臨床康復(fù)的需求之后，不難看出康復(fù)機(jī)器人技術(shù)能夠?yàn)榕R床提供完整的解決方案，以滿足臨床治療的需求，為患者實(shí)現(xiàn)有效的腦功能重組。將康復(fù)機(jī)器人療法應(yīng)用于臨床治療能夠解決以下常見的臨床問題:?通過機(jī)器帶動(dòng)人體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大量的可重復(fù)性運(yùn)動(dòng):機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡完全符合人體功能性運(yùn)動(dòng)模式，且醫(yī)生可以根據(jù)患者的具體情況自由調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)路徑;?具有人機(jī)互動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練過程中的生物反饋療法:機(jī)器人的顯示屏幕能夠?qū)崟r(shí)的顯示出運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)、路徑以及患者完成的程度，顯示的方式直觀，與運(yùn)動(dòng)同步便于患者辨認(rèn)，并且有聲音提示對(duì)患者的第二信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行刺激;?傳感器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)精確的監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng):機(jī)器人通過傳感器可以感知患者實(shí)

13、時(shí)的肌肉力量、速度以及位置信息，通過電腦自動(dòng)化控制的機(jī)械臂給予患者最適合的輔助，這樣就可以為患者提供多階段的康復(fù)模式，并更貼合患者的實(shí)際病情。這些功能都是通過電腦進(jìn)行自動(dòng)化的處理，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具體功能輸出，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于患者的有效康復(fù)治療。4.ReoGo上肢康復(fù)機(jī)器人的功能ReoGo上肢康復(fù)機(jī)器人通過三維運(yùn)動(dòng)軸的機(jī)械臂設(shè)計(jì)滿足上肢各種功能運(yùn)動(dòng)的需求，它能為腦卒中和其他中樞神經(jīng)損傷患者上肢運(yùn)動(dòng)能力的恢復(fù)提供康復(fù)功能評(píng)測(cè)與訓(xùn)練，更重要的是它具有5種獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)模式能夠滿足腦功能重組各階段的需求，這5種模式分別是：被動(dòng)誘發(fā)模式(Guided):臨床主要功能是讓腦卒中康復(fù)早期0肌力的患者實(shí)現(xiàn)大腦的意

14、識(shí)激發(fā)，也就是產(chǎn)生想象運(yùn)動(dòng)；單點(diǎn)觸發(fā)模式(Initiated):機(jī)械臂會(huì)帶動(dòng)具有單次收縮能力的患者完成相應(yīng)軌跡的運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)患者的神經(jīng)結(jié)構(gòu)重組連接單點(diǎn)的形成，也就是實(shí)現(xiàn)患者主動(dòng)參與的觸發(fā)運(yùn)動(dòng)；多點(diǎn)觸發(fā)模式(Stepinitiated):機(jī)械臂會(huì)帶動(dòng)具有多次收縮能力的患者完成相應(yīng)軌跡的運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)患者實(shí)現(xiàn)建立新的神經(jīng)通路時(shí)在單點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸，也就是有更多的神經(jīng)通路根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練的刺激被建立，從而產(chǎn)生更多主動(dòng)參與的多點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；連續(xù)觸發(fā)模式(Followassistance):機(jī)械臂以助力的方式帶動(dòng)具有連續(xù)收縮能力的患者完成相應(yīng)軌跡的運(yùn)動(dòng)，這能完成腦功能重組結(jié)構(gòu)的連接，也就是讓患者實(shí)現(xiàn)連續(xù)和平滑的運(yùn)動(dòng)；主

15、動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式(Free):通過游戲和設(shè)定軌跡的訓(xùn)練對(duì)患者進(jìn)行主動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)，讓患者在充滿樂趣和動(dòng)機(jī)的情景下完成治療、獲得和優(yōu)化運(yùn)動(dòng)技巧。ReoGo上肢康復(fù)機(jī)器人的臨床應(yīng)用ReoGo康復(fù)機(jī)器人給臨床康復(fù)帶來的最大益處之一就是它能夠增加重復(fù)訓(xùn)練的次數(shù)，不斷進(jìn)行運(yùn)動(dòng)刺激使得腦功能重塑，以最終促進(jìn)腦損傷后患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。我們統(tǒng)計(jì)過在一個(gè)30分鐘的療程里面，使用ReoGo進(jìn)行訓(xùn)練的平均次數(shù)為210次，而相同時(shí)間一對(duì)一式的傳統(tǒng)手法治療僅能完成39次的訓(xùn)練動(dòng)作，這個(gè)差別是非常顯著的。ReoGo的功能特點(diǎn)完全符合腦卒中患者臨床康復(fù)的需要，五種獨(dú)特的訓(xùn)練模式能夠按照患者腦功能重組的順序?yàn)榛颊咛峁┭驖u進(jìn)式的訓(xùn)練

16、挑戰(zhàn)。我們?cè)谂R床實(shí)際操作時(shí)還發(fā)現(xiàn)，ReoGo能夠?yàn)榛颊咛峁┳畲罂赡艿谋粍?dòng)和主動(dòng)式的可重復(fù)性訓(xùn)練，治療師可以利用機(jī)械臂的輔助近距離的鼓勵(lì)患者并不斷激發(fā)他們參與訓(xùn)練的興趣。ReoGo的軟件操作設(shè)計(jì)的非常簡便和直觀，治療師可以很容易的為患者制定個(gè)性化的訓(xùn)練處方，而且患者可以清晰的獲得實(shí)時(shí)的視覺、聽覺和觸覺反饋，另外，機(jī)器人的電腦能夠把患者每次訓(xùn)練和游戲的信息記錄下來，并以圖表和數(shù)據(jù)的形式生成報(bào)告，這樣醫(yī)生和治療師就能夠時(shí)刻掌握患者的情況，有據(jù)可依的改變和調(diào)整患者的個(gè)性化訓(xùn)練目標(biāo)和處方。另外，ReoGo所提供的訓(xùn)練和游戲設(shè)計(jì)內(nèi)容豐富能很好的涵蓋廣泛的腦卒中患者的需求。這些訓(xùn)練和游戲都是日常生活能力的運(yùn)

17、動(dòng)訓(xùn)練模式，其中具有目標(biāo)導(dǎo)向性的訓(xùn)練通過ReoGo電腦屏幕顯示的目標(biāo)及實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)路徑使患者獲得明確的目標(biāo)導(dǎo)向，此時(shí)機(jī)械臂能為患者提供從完全被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練至完全主動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制訓(xùn)練，而且治療師可以根據(jù)患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙情況在不同的起始位設(shè)定不同方向軌跡的夠物訓(xùn)練，來增加肩、肘、腕的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)能力，這樣就能針對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)技巧、反應(yīng)能力和認(rèn)知技巧進(jìn)行有針對(duì)性的訓(xùn)練;同時(shí)，具有任務(wù)導(dǎo)向性的游戲訓(xùn)練包含多種有趣、有效與認(rèn)知結(jié)合的訓(xùn)練游戲，每款游戲都有不同的難度設(shè)定，這樣可以更好的激發(fā)患者治療過程中的興趣和動(dòng)機(jī)。對(duì)于需要訓(xùn)練手部抓握能力的患者，ReoGo獨(dú)特的抓握手柄內(nèi)含力量傳感器，可以配合目標(biāo)導(dǎo)向性的訓(xùn)練或任務(wù)導(dǎo)向性目標(biāo)導(dǎo)向性訓(xùn)練任務(wù)導(dǎo)向性游戲訓(xùn)練ReoGo上肢康復(fù)機(jī)器人的療效和臨床研究通過ReoGo上肢康復(fù)機(jī)器人對(duì)中樞神經(jīng)損傷患者的治療能夠?qū)崿F(xiàn)以下臨床治療目標(biāo)，包括:緩解上肢痙攣、增加關(guān)節(jié)活動(dòng)能力（ROM）、提高目標(biāo)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制能力、提高運(yùn)動(dòng)速度、平滑性運(yùn)動(dòng)控制能力、增強(qiáng)肢體的肌力和耐力。這些功能的改善對(duì)于患者上肢整體運(yùn)動(dòng)能力的改善非常重要，而ReoGo通過實(shí)時(shí)精確的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)反饋、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的運(yùn)動(dòng)效果和治療后的數(shù)據(jù)報(bào)告讓治療師和患者實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)治療過程的記錄和監(jiān)控。目前，針對(duì)ReoGo上肢康復(fù)機(jī)器人這種新技