上肢機器人在腦功能重塑理論中的臨床應(yīng)用

1、上肢機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)界所認可。而且，有很多實驗也都證明了腦功能重塑和神經(jīng)可塑性的理論，例如，Elbert 等人通過對弦樂器演奏家的大腦進行研究發(fā)現(xiàn)演奏家的手指的功能區(qū)域明顯增大；Pscual-Leone通過對使用布萊葉盲文的盲人讀者的大腦皮質(zhì)進行研究發(fā)現(xiàn)，盲人的手指運動感覺皮層代表區(qū)面積會擴大，且這一區(qū)域會隨著閱讀活動而波動變化；Chen等人通過對環(huán)境因素對大腦的刺激發(fā)現(xiàn)某些大腦回路會因環(huán)境刺激產(chǎn)生改變。針對腦損傷的康復(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)可塑性的理論為基礎(chǔ)發(fā)展的，其中近來電腦控制的機器

2、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)用兩個方面進行闡述。一、理論基礎(chǔ)圖1.1腦神經(jīng)功能重塑示意圖1.可塑性大腦皮質(zhì)的解剖學(xué)基礎(chǔ)通過對大腦進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)、識字區(qū)和運動區(qū)等。很多中樞神經(jīng)損傷的患者都會表現(xiàn)出各種不同程度的運動功能障礙，通過上圖我們可以發(fā)現(xiàn)大腦運動區(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)，單個皮質(zhì)脊髓神經(jīng)元可分到多個運動神經(jīng)元庫，水平的神經(jīng)纖維使分散代表區(qū)相互連接，這表明從解剖學(xué)的角度分析我們能

3、夠通過對某一肌肉或關(guān)節(jié)的訓(xùn)練刺激，從而實現(xiàn)特定運動區(qū)的神經(jīng)功能重塑。Nudo 和 Milliken等人通過對動物的研究證實了這種觀點，他們對鼠、猴的大腦皮質(zhì)手部運動區(qū)制作局部缺血梗死灶，并對其進行對比性研究。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)生了進一步缺失；第二組采用限制健手使用，并在活動中對患手做重復(fù)的技巧性訓(xùn)練的方法，這一組動物的大腦局部區(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，這一組的動物大腦中的手、腕、前臂代表區(qū)總面積縮小。所以，Johanss

4、on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?！?.腦功能重組的觀念對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)運用已失去的身體功能”；“這種再學(xué)習(xí)實現(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)上分為兩個方面：新的神經(jīng)連接在不斷使用下會變得非?；钴S和穩(wěn)固；缺乏相關(guān)使用會讓連接變得很弱，直至消失。這與我們常說

5、的“用進廢退”現(xiàn)象相一致。3.腦功能重組的機制腦卒中導(dǎo)致腦部受影響部位的腦神經(jīng)細胞死亡，這些死去的神經(jīng)細胞會引起各種功能障礙，包括運動功能障礙。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)實現(xiàn)的。所以，臨近的未受損的腦神經(jīng)細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)細胞與功能區(qū)建立聯(lián)系而實現(xiàn)的，那么在連接

6、過程中就會表現(xiàn)出雙面性：正確的使用或康復(fù)訓(xùn)練能改善運動功能并提高ADL的表現(xiàn)，錯誤的使用或訓(xùn)練會產(chǎn)生各種誤用綜合征，如肩手綜合征等。這提示我們在對患者進行康復(fù)治療時要建立正確的運動模式。4.腦功能重組的影響因素通過前人對臨床康復(fù)實踐和腦功能重組的機制進行研究，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)練的時機、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：讓患者對治療動作在大腦中進行想象、模擬和重現(xiàn)，這可以促進感覺運動皮層功能重組，改善運動功能和提高上肢運動能力；康復(fù)訓(xùn)練的內(nèi)容：采用任務(wù)導(dǎo)向性的訓(xùn)練能夠增強梗塞灶周圍運動功能區(qū)的功能性重組，改善運動功能，且在動作設(shè)計的時候采用與

7、功能相關(guān)的活動訓(xùn)練能夠改善患者對于肢體的運動控制能力；康復(fù)訓(xùn)練的時機：在患者生命體征穩(wěn)定的情況下進行早期的康復(fù)治療能夠獲得更好的功能預(yù)后，但是，這種治療依據(jù)循序漸進的原則開展，同時要避免過度訓(xùn)練，因為Kozlowski等人的動物實驗表明，局部梗塞后即刻進行患肢的強制性使用可能會加重損傷；康復(fù)訓(xùn)練量：腦卒中后患者患肢的運動量減少會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)的進行功能性運動、增加治療量對運動技能的恢復(fù)有顯著作用；環(huán)境因素的影響：豐富環(huán)境能促進神經(jīng)可塑性改變，改善運動功能，明顯增強其它干預(yù)方式的效果。所以，為了獲得更好的腦功能重組的效果，我們在設(shè)計康復(fù)治療處方的時候就

8、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機、興趣、競爭等）、反復(fù)進行（動作要具有可重復(fù)性）、與功能相關(guān)的任務(wù)導(dǎo)向性活動訓(xùn)練和根據(jù)患者的承受能力制定訓(xùn)練內(nèi)容（個體化）等條件，才能使康復(fù)治療的效果最佳化。二、臨床應(yīng)用1.腦卒中患者運動學(xué)特點的改變圖1.2健康人上肢夠物運動學(xué)特點通過圖1.2對健康人的手部運動數(shù)據(jù)分析我們可以看出它們是具有相似的運動學(xué)特點的，表現(xiàn)為高效的反饋和前饋控制、協(xié)調(diào)的運動；手部在運動過程中的軌跡是直的或輕微彎曲；時間-速度曲線程平滑的鐘形；峰值速度出現(xiàn)在夠物運動過程的中點。圖1.3偏癱患者上肢夠物運動學(xué)特點我們再對圖1.3腦卒中患者的手部運動數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，他們

9、的患肢手部運動學(xué)特點會發(fā)生如下改變：主要表現(xiàn)為主動關(guān)節(jié)活動度變小、運動時程延長、運動節(jié)段增多、峰值速度降低、到達峰值速度的所需時間更長、手運動軌跡的筆直度下降、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行患肢運動的過程中采用了代償戰(zhàn)略，且變化程度與其運動受損程度明顯相關(guān)?；颊叩倪\動學(xué)特點改變是由于在腦卒中后發(fā)生了功能性運動單位丟失、運動單位募集順序改變和運動單位啟動率改變等情況造成的，這些改變引起了肌肉活動模式的改變，體現(xiàn)在肌肉骨骼系統(tǒng)在運動中的表現(xiàn)即為：主動肌在運動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，對于肌肉的收縮和放松控制出現(xiàn)啟動和停止的延遲，技巧性運動所需肌

10、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，腦卒中患者在進行上肢夠物運動時會出現(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，夠物的中點至終點出現(xiàn)了肘和肩關(guān)節(jié)時間上協(xié)調(diào)性的破壞等情況，這些都提示我們前饋控制在預(yù)測肢體動態(tài)活動時能力的下降，關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)性的受損，程度與運動損害水平明顯相關(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一的高人力資源成本的方式，且每個療程的可重復(fù)運動平均次數(shù)僅為38.8次，顯然這種方法遠遠不能滿足腦功能重組所需的

11、大量的持續(xù)的重復(fù)性運動需求。因為，為了滿足腦卒中患者的大腦皮層進行重組的要求，就需要肌肉骨骼系統(tǒng)在運動過程中對于神經(jīng)肌肉系統(tǒng)進行大量重復(fù)性的刺激，這樣才能建立新的神經(jīng)通路和重組，才能具有啟動肌肉活動的能力、具有協(xié)調(diào)參與活動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、可進行與功能性活動相關(guān)的治療、可增加重復(fù)運動以提高治療的有效性、提高重復(fù)運動的可持續(xù)性、并能通過實時反饋讓患者看到整個運動過程，以保持其參與訓(xùn)練的積極性。3.康復(fù)機器人給臨床帶來的解決方案在了解了腦功能重組的理論基礎(chǔ)和臨床康復(fù)的需求之后，不難看出

12、康復(fù)機器人技術(shù)能夠為臨床提供完整的解決方案，以滿足臨床治療的需求，為患者實現(xiàn)有效的腦功能重組。將康復(fù)機器人療法應(yīng)用于臨床治療能夠解決以下常見的臨床問題：通過機器帶動人體進行運動，實現(xiàn)大量的可重復(fù)性運動：機械臂的運動軌跡完全符合人體功能性運動模式，且醫(yī)生可以根據(jù)患者的具體情況自由調(diào)節(jié)運動路徑；具有人機互動功能，實現(xiàn)訓(xùn)練過程中的生物反饋療法：機器人的顯示屏幕能夠?qū)崟r的顯示出運動的目標、路徑以及患者完成的程度，顯示的方式直觀，與運動同步便于患者辨認，并且有聲音提示對患者的第二信號系統(tǒng)進行刺激；傳感器的應(yīng)用，實現(xiàn)精確的監(jiān)測關(guān)節(jié)運動：機器人通過傳感器可以感知患者實時的肌肉力量、速度以及位置信息，通過電腦

13、自動化控制的機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，并更貼合患者的實際病情。這些功能都是通過電腦進行自動化的處理，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具體功能輸出，從而最終實現(xiàn)對于患者的有效康復(fù)治療。4.ReoGo上肢康復(fù)機器人的功能ReoGo上肢康復(fù)機器人通過三維運動軸的機械臂設(shè)計滿足上肢各種功能運動的需求，它能為腦卒中和其他中樞神經(jīng)損傷患者上肢運動能力的恢復(fù)提供康復(fù)功能評測與訓(xùn)練，更重要的是它具有5種獨特的運動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：（1）被動誘發(fā)模式(Guided)：臨床主要功能是讓腦卒中康復(fù)早期0肌力的患者實現(xiàn)大腦的意識激發(fā)，也就是產(chǎn)生想象運動；（2）

14、單點觸發(fā)模式(Initiated)：機械臂會帶動具有單次收縮能力的患者完成相應(yīng)軌跡的運動，促進患者的神經(jīng)結(jié)構(gòu)重組連接單點的形成，也就是實現(xiàn)患者主動參與的觸發(fā)運動；（3）多點觸發(fā)模式(Step initiated)：機械臂會帶動具有多次收縮能力的患者完成相應(yīng)軌跡的運動，促進患者實現(xiàn)建立新的神經(jīng)通路時在單點基礎(chǔ)上進行延伸，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)生更多主動參與的多點運動；（4）連續(xù)觸發(fā)模式(Follow assistance)：機械臂以助力的方式帶動具有連續(xù)收縮能力的患者完成相應(yīng)軌跡的運動，這能完成腦功能重組結(jié)構(gòu)的連接，也就是讓患者實現(xiàn)連續(xù)和平滑的運動；（5）主動運動

15、模式(Free)：通過游戲和設(shè)定軌跡的訓(xùn)練對患者進行主動控制運動，讓患者在充滿樂趣和動機的情景下完成治療、獲得和優(yōu)化運動技巧。5.ReoGo上肢康復(fù)機器人的臨床應(yīng)用ReoGo康復(fù)機器人給臨床康復(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)，不斷進行運動刺激使得腦功能重塑，以最終促進腦損傷后患者運動功能的恢復(fù)。我們統(tǒng)計過在一個30分鐘的療程里面，使用ReoGo進行訓(xùn)練的平均次數(shù)為210次，而相同時間一對一式的傳統(tǒng)手法治療僅能完成39次的訓(xùn)練動作，這個差別是非常顯著的。ReoGo的功能特點完全符合腦卒中患者臨床康復(fù)的需要，五種獨特的訓(xùn)練模式能夠按照患者腦功能重組的順序為患者提供循序漸進式的訓(xùn)練挑

16、戰(zhàn)。我們在臨床實際操作時還發(fā)現(xiàn)，ReoGo能夠為患者提供最大可能的被動和主動式的可重復(fù)性訓(xùn)練，治療師可以利用機械臂的輔助近距離的鼓勵患者并不斷激發(fā)他們參與訓(xùn)練的興趣。ReoGo的軟件操作設(shè)計的非常簡便和直觀，治療師可以很容易的為患者制定個性化的訓(xùn)練處方，而且患者可以清晰的獲得實時的視覺、聽覺和觸覺反饋，另外，機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)的形式生成報告，這樣醫(yī)生和治療師就能夠時刻掌握患者的情況，有據(jù)可依的改變和調(diào)整患者的個性化訓(xùn)練目標和處方。另外，ReoGo所提供的訓(xùn)練和游戲設(shè)計內(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動

17、訓(xùn)練模式，其中具有目標導(dǎo)向性的訓(xùn)練通過ReoGo電腦屏幕顯示的目標及實時運動路徑使患者獲得明確的目標導(dǎo)向，此時機械臂能為患者提供從完全被動運動訓(xùn)練至完全主動運動控制訓(xùn)練，而且治療師可以根據(jù)患者的上肢運動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)運動能力，這樣就能針對患者的運動技巧、反應(yīng)能力和認知技巧進行有針對性的訓(xùn)練；同時，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機。對于需要訓(xùn)練手部抓握能力的患者，ReoGo獨特的抓握手柄內(nèi)含力量傳感器，可以配合目標導(dǎo)向性的訓(xùn)練或任務(wù)

18、導(dǎo)向性的游戲訓(xùn)練，實現(xiàn)對患者手部抓握和放開的運動控制能力訓(xùn)練。 目標導(dǎo)向性訓(xùn)練 任務(wù)導(dǎo)向性游戲訓(xùn)練6.ReoGo上肢康復(fù)機器人的療效和臨床研究通過ReoGo上肢康復(fù)機器人對中樞神經(jīng)損傷患者的治療能夠?qū)崿F(xiàn)以下臨床治療目標，包括：緩解上肢痙攣、增加關(guān)節(jié)活動能力 (ROM)、提高目標導(dǎo)向運動的準確控制能力、提高運動速度、平滑性運動控制能力、增強肢體的肌力和耐力。這些功能的改善對于患者上肢整體運動能力的改善非常重要，而ReoGo通過實時精確的運動數(shù)據(jù)反饋、實時監(jiān)測的運動效果和治療后的數(shù)據(jù)報告讓治療師和患者實現(xiàn)對整個治療過程的記錄和監(jiān)控。目前，針對ReoGo上肢康復(fù)機器人這種新技術(shù)在臨床康復(fù)應(yīng)用的研究已經(jīng)在美國，日本，意大利，德國，以色列等地展開，其中12項研究是比較有代表性的，這些研究涉及的受試者達到350人。我們把這些研究結(jié)果總結(jié)如下：ReoGo能提供了安全有效的治療方法；它能提供了操作簡便的治療方法，讓治療師可以為患者提供有效的和有趣味性的治療；它可滿足急性期和慢性期腦損傷患者的治療需求