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上肢康复机器人在脑功能重塑理论中的临床应用

发布时间:2015-05-13作者:器械科
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     在这为大家讲述神经功能重塑的可能以及理论基础,脑卒中患者上肢运动的特点以及对比了健康人和偏瘫患者的上肢功能;详细阐述了目前康复科现状以及临床需求。展现了上肢康复机器人的临床有效性和必要性以及上肢康复机器人的工作原理和疗效研究。  

     人类的大脑功能可以通过外界的刺激而重塑,这种现象已经广泛的被医学界所认可。而且,有很多实验也都证明了脑功能重塑和神经可塑性的理论,例如,Elbert 等人通过对弦乐器演奏家的大脑进行研究发现演奏家的手指的功能区域明显增大;Pscual-Leone通过对使用布莱叶盲文的盲人读者的大脑皮质进行研究发现,盲人的手指运动感觉皮层代表区面积会扩大,且这一区域会随着阅读活动而波动变化;Chen等人通过对环境因素对大脑的刺激发现某些大脑回路会因环境刺激产生改变。

针对脑损伤的康复治疗,其采用的康复方法是基于以脑功能重塑和神经可塑性的理论为基础发展的,其中近来电脑控制的机器人康复技术就最具有代表性。。那么,到底具备什么功能的康复机器人才能满足神经损伤患者的康复需求?我们就从理论和临床应用两个方面进行阐述。

一、理论基础

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图1.1脑神经功能重塑示意图  

1.可塑性大脑皮质的解剖学基础

 通过对大脑进行研究我们了解人体大脑的特定功能源于大脑的某一区域,因此大脑被划分为不同的功能区域,如感觉区、记忆区、语言区、识字区和运动区等。很多中枢神经损伤的患者都会表现出各种不同程度的运动功能障碍,通过上图我们可以发现大脑运动区中肌肉的代表区广为重叠,而且特定肌肉和关节有其相应的代表区,单个皮质脊髓神经元可分到多个运动神经元库,水平的神经纤维使分散代表区相互连接,这表明从解剖学的角度分析我们能够通过对某一肌肉或关节的训练刺激,从而实现特定运动区的神经功能重塑。

 Nudo 和 Milliken等人通过对动物的研究证实了这种观点,他们对鼠、猴的大脑皮质手部运动区制作局部缺血梗死灶,并对其进行对比性研究。其中,第一组采用梗死后不干预的方法,这一组动物的大脑不仅发生了局部的组织缺失,而且损伤区附近的手功能代表区发生了进一步缺失;第二组采用限制健手使用,并在活动中对患手做重复的技巧性训练的方法,这一组动物的大脑局部区域防止了一定的组织缺失,且受损区内的手功能区获得了约10%的改善;第三组采用限制健手使用,但不训练患手的方法,这一组的动物大脑中的手、腕、前臂代表区总面积缩小。所以,Johansson于2000年提出了“决定功能结局的不仅仅是剩余神经元的数目,还有他们的功能如何及他们产生什么样的联系,这些都将决定功能的结局。”

2.脑功能重组的观念

 对于大脑损伤后的功能结局我们可以通过康复的手段来进行改善,这也与现代的康复理念相一致。国际神经损伤和脑卒中研究所于2009年提出“康复中最重要的不仅仅是治疗患者的残障,而且要让他们重新学习运用已失去的身体功能”;“这种再学习实现的基础为脑功能重组理论,即脑神经结构间产生新的连接和重组,以新的方式完成已丧失的功能...”。

脑功能重组在表现上分为两个方面:①新的神经连接在不断使用下会变得非常活跃和稳固;②缺乏相关使用会让连接变得很弱,直至消失。这与我们常说的“用进废退”现象相一致。  


3.脑功能重组的机制

 脑卒中导致脑部受影响部位的脑神经细胞死亡,这些死去的神经细胞会引起各种功能障碍,包括运动功能障碍。通过前述的大脑皮质解剖学基础我们已经知道了大脑功能是通过不同的功能分区实现的。所以,临近的未受损的脑神经细胞具有潜在的代偿能力,但它们之间需要建立连接,这种连接可以比喻为就像一颗大树被折断了树枝,新的枝芽仍可再生连接并变得稳固,在这个过程中,有效的康复训练可加速连接的过程并提高活动能力,而且通过这种康复训练可以让患者在损伤后数周、数月,甚至数年后都可能发生神经结构的可塑性改变。

 既然脑功能重组是通过使未受损的脑神经细胞与功能区建立联系而实现的,那么在连接过程中就会表现出双面性:①正确的使用或康复训练能改善运动功能并提高ADL的表现,②错误的使用或训练会产生各种误用综合征,如肩手综合征等。这提示我们在对患者进行康复治疗时要建立正确的运动模式。

4.脑功能重组的影响因素

 通过前人对临床康复实践和脑功能重组的机制进行研究,我们发现想象疗法、康复训练的内容、康复训练的时机、康复训练量和环境因素的影响是脑功能重组的主要影响因素:

想象疗法:让患者对治疗动作在大脑中进行想象、模拟和重现,这可以促进感觉运动皮层功能重组,改善运动功能和提高上肢运动能力;

康复训练的内容:采用任务导向性的训练能够增强梗塞灶周围运动功能区的功能性重组,改善运动功能,且在动作设计的时候采用与功能相关的活动训练能够改善患者对于肢体的运动控制能力;

 康复训练的时机:在患者生命体征稳定的情况下进行早期的康复治疗能够获得更好的功能预后,但是,这种治疗依据循序渐进的原则开展,同时要避免过度训练,因为Kozlowski等人的动物实验表明,局部梗塞后即刻进行患肢的强制性使用可能会加重损伤;

康复训练量:脑卒中后患者患肢的运动量减少会造成树突棘的形成下降、突触延伸和神经生长因子的减少,而反复的进行功能性运动、增加治疗量对运动技能的恢复有显著作用;

环境因素的影响:丰富环境能促进神经可塑性改变,改善运动功能,明显增强其它干预方式的效果。

 所以,为了获得更好的脑功能重组的效果,我们在设计康复治疗处方的时候就需要具有早期开始、在丰富的环境下(为患者提供更好的动机、兴趣、竞争等)、反复进行(动作要具有可重复性)、与功能相关的任务导向性活动训练和根据患者的承受能力制定训练内容(个体化)等条件,才能使康复治疗的效果最佳化。

二、临床应用

1.脑卒中患者运动学特点的改变

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图1.2健康人上肢够物运动学特点  

 通过图1.2对健康人的手部运动数据分析我们可以看出它们是具有相似的运动学特点的,表现为高效的反馈和前馈控制、协调的运动;手部在运动过程中的轨迹是直的或轻微弯曲;时间-速度曲线程平滑的钟形;峰值速度出现在够物运动过程的中点。  

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图1.3偏瘫患者上肢够物运动学特点  

 我们再对图1.3脑卒中患者的手部运动数据分析可以发现,他们的患肢手部运动学特点会发生如下改变:主要表现为主动关节活动度变小、运动时程延长、运动节段增多、峰值速度降低、到达峰值速度的所需时间更长、手运动轨迹的笔直度下降、肩和肘关节间的协调性受损;这些改变是由于患者在进行患肢运动的过程中采用了代偿战略,且变化程度与其运动受损程度明显相关。

 患者的运动学特点改变是由于在脑卒中后发生了功能性运动单位丢失、运动单位募集顺序改变和运动单位启动率改变等情况造成的,这些改变引起了肌肉活动模式的改变,体现在肌肉骨骼系统在运动中的表现即为:主动肌在运动过程中募集能力的下降,拮抗肌在过程中不能放松却产生协同收缩,对于肌肉的收缩和放松控制出现启动和停止的延迟,技巧性运动所需肌肉群的选择性获得的缺失等。这些都是由于大脑中枢神经元的损伤导致皮质脊髓束传导受损引起的,但这种损伤激发了剩余神经通路的使用。简单来说,脑卒中患者在进行上肢够物运动时会出现协调性下降的表现,如够物轨道的外向偏离明显变大,够物的中点至终点出现了肘和肩关节时间上协调性的破坏等情况,这些都提示我们前馈控制在预测肢体动态活动时能力的下降,关节间协调性的受损,程度与运动损害水平明显相关。

2.肢体康复治疗现状和临床需求

 目前,国内脑卒中患者的上肢康复治疗以手法治疗为主,但是,手法治疗由于需要采用一对一的高人力资源成本的方式,且每个疗程的可重复运动平均次数仅为38.8次,显然这种方法远远不能满足脑功能重组所需的大量的持续的重复性运动需求。因为,为了满足脑卒中患者的大脑皮层进行重组的要求,就需要肌肉骨骼系统在运动过程中对于神经肌肉系统进行大量重复性的刺激,这样才能建立新的神经通路和重组,才能具有启动肌肉活动的能力、具有协调参与活动肌肉的能力和具有从感觉系统获得反馈信息的能力。

 所以,为了满足脑功能重组和重塑新的神经通路我们的临床康复需求就是:可以早期即开展治疗、可进行与功能性活动相关的治疗、可增加重复运动以提高治疗的有效性、提高重复运动的可持续性、并能通过实时反馈让患者看到整个运动过程,以保持其参与训练的积极性。

3.康复机器人给临床带来的解决方案

 在了解了脑功能重组的理论基础和临床康复的需求之后,不难看出康复机器人技术能够为临床提供完整的解决方案,以满足临床治疗的需求,为患者实现有效的脑功能重组。

将康复机器人疗法应用于临床治疗能够解决以下常见的临床问题:①通过机器带动人体进行运动,实现大量的可重复性运动:机械臂的运动轨迹完全符合人体功能性运动模式,且医生可以根据患者的具体情况自由调节运动路径;②具有人机互动功能,实现训练过程中的生物反馈疗法:机器人的显示屏幕能够实时的显示出运动的目标、路径以及患者完成的程度,显示的方式直观,与运动同步便于患者辨认,并且有声音提示对患者的第二信号系统进行刺激;③传感器的应用,实现精确的监测关节运动:机器人通过传感器可以感知患者实时的肌肉力量、速度以及位置信息,通过电脑自动化控制的机械臂给予患者最适合的辅助,这样就可以为患者提供多阶段的康复模式,并更贴合患者的实际病情。这些功能都是通过电脑进行自动化的处理,并将数据转化为具体功能输出,从而最终实现对于患者的有效康复治疗。

4.  上肢康复机器人的功能

 上肢康复机器人通过三维运动轴的机械臂设计满足上肢各种功能运动的需求,它能为脑卒中和其他中枢神经损伤患者上肢运动能力的恢复提供康复功能评测与训练,更重要的是它具有5种独特的运动模式能够满足脑功能重组各阶段的需求,这5种模式分别是:

(1)被动诱发模式(Guided):临床主要功能是让脑卒中康复早期0肌力的患者实现大脑的意识激发,也就是产生想象运动;

(2)单点触发模式(Initiated):机械臂会带动具有单次收缩能力的患者完成相应轨迹的运动,促进患者的神经结构重组连接单点的形成,也就是实现患者主动参与的触发运动;

(3)多点触发模式(Step initiated):机械臂会带动具有多次收缩能力的患者完成相应轨迹的运动,促进患者实现建立新的神经通路时在单点基础上进行延伸,也就是有更多的神经通路根据康复训练的刺激被建立,从而产生更多主动参与的多点运动;

(4)连续触发模式(Follow assistance):机械臂以助力的方式带动具有连续收缩能力的患者完成相应轨迹的运动,这能完成脑功能重组结构的连接,也就是让患者实现连续和平滑的运动;

(5)主动运动模式(Free):通过游戏和设定轨迹的训练对患者进行主动控制运动,让患者在充满乐趣和动机的情景下完成治疗、获得和优化运动技巧。


5.  上肢康复机器人的临床应用

 康复机器人给临床康复带来的最大益处之一就是它能够增加重复训练的次数,不断进行运动刺激使得脑功能重塑,以最终促进脑损伤后患者运动功能的恢复。我们统计过在一个30分钟的疗程里面,使用上肢康复机器人进行训练的平均次数为210次,而相同时间一对一式的传统手法治疗仅能完成39次的训练动作,这个差别是非常显著的。

 上肢康复机器人功能特点完全符合脑卒中患者临床康复的需要,五种独特的训练模式能够按照患者脑功能重组的顺序为患者提供循序渐进式的训练挑战。我们在临床实际操作时还发现,上肢康复机器人能够为患者提供最大可能的被动和主动式的可重复性训练,治疗师可以利用机械臂的辅助近距离的鼓励患者并不断激发他们参与训练的兴趣。上肢康复机器人的软件操作设计的非常简便和直观,治疗师可以很容易的为患者制定个性化的训练处方,而且患者可以清晰的获得实时的视觉、听觉和触觉反馈,另外,机器人的电脑能够把患者每次训练和游戏的信息记录下来,并以图表和数据的形式生成报告,这样医生和治疗师就能够时刻掌握患者的情况,有据可依的改变和调整患者的个性化训练目标和处方。

 另外, 上肢康复机器人所提供的训练和游戏设计内容丰富能很好的涵盖广泛的脑卒中患者的需求。这些训练和游戏都是日常生活能力的运动训练模式,其中具有目标导向性的训练通过  电脑屏幕显示的目标及实时运动路径使患者获得明确的目标导向,此时机械臂能为患者提供从完全被动运动训练至完全主动运动控制训练,而且治疗师可以根据患者的上肢运动功能障碍情况在不同的起始位设定不同方向轨迹的够物训练,来增加肩、肘、腕的协调运动能力,这样就能针对患者的运动技巧、反应能力和认知技巧进行有针对性的训练;同时,具有任务导向性的游戏训练包含多种有趣、有效与认知结合的训练游戏,每款游戏都有不同的难度设定,这样可以更好的激发患者治疗过程中的兴趣和动机。对于需要训练手部抓握能力的患者,上肢康复机器人独特的抓握手柄内含力量传感器,可以配合目标导向性的训练或任务导向性的游戏训练,实现对患者手部抓握和放开的运动控制能力训练。


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