評價運動控制與反饋訓練對腦卒中后踝關節背伸功能的影響

戈含笑，肖紅雨，陳雪丹，郭雪園，賈子善，謝惠敏

解放軍總醫院第一醫學中心 康復醫學科，北京 100853

腦卒中是我國成年人致死、致殘的首位病因[1]。卒中后約20%幸存者會遺留足下垂問題，不僅會打破軀體平衡狀態，引起異常步態，也長期影響患者的生存和生活質量[2-4]。提高踝關節運動能力、預防足下垂是重建腦卒中患者獨立步行能力和改善異常步態的重要康復目標之一。目前針對踝關節功能障礙的康復治療多以肌肉力量訓練、被動抑制痙攣肌等單一手段為主，對于偏癱患者不同Brunnstrom分期的康復缺乏針對性的治療策略，臨床治療效果往往不明確。處于BrunnstromⅣ期的患者運動功能逐漸恢復，共同運動模式被打破，開始出現部分分離運動，可完成踝背伸運動，但是肌肉的主動收縮力和協同運動能力仍然較弱，在整個步行周期中仍存在踝關節背伸角度不足等問題。因此，如何有效提高踝關節主動運動功能，尤其是提高踝關節背伸能力，進一步促進分離運動，是患者急需解決的一個實際問題。隨著神經康復技術的不斷進步以及智能信息技術的發展，康復治療技術正向精準化、精細化以及科學化模式發展。運動控制與反饋訓練作為一種以改善運動功能為前提，以豐富環境、生物反饋以及任務向導訓練為核心的治療性手段，在腦卒中康復中具有很大的發展空間[5-7]。踝關節背伸動作是踝關節運動控制中的重要組成部分，為深入研究運動控制與反饋訓練對腦卒中患者下肢功能障礙的影響，本文以BrunnstromⅣ期患者為研究對象，以踝背伸動作的運動學為切入點，使用多媒體運動控制與反饋系統，對患者踝關節背伸動作進行運動控制與反饋訓練干預，同時運用表面肌電(surface electromyography，SEMG)作為主要手段進行評估分析，旨在為卒中后踝關節功能障礙的康復治療尋找更加有效的手段。

資料與方法

1 研究對象 納入2018年8月- 2019年8月來我中心進行康復治療的腦卒中BrunnstromⅣ患者，共20例，其中男性13例，女性7例。采用簡單隨機分組：所有病例按就診順序進行編號，并以隨機數字表法分為兩組。試驗組運用基于多媒體游戲的運動反饋系統進行患側踝關節的運動控制訓練(n=10)；對照組由康復治療師進行患側踝關節徒手肌力訓練(n=10)。試驗組年齡54 ～ 76(63.80±7.24)歲，男性7例，女性3例；對照組年齡51 ～78(60.90±9.36)歲，男性6例，女性4例；兩組的性別、年齡、病程差異無統計學意義，見表1。入選標準：1)因中樞神經損傷引起單側肢體功能運動障礙，根據《中國腦血管病防治指南》診斷標準確診為腦卒中(腦梗死或腦出血)并經CT或MRI證實，首次發病；2)病程在腦卒中發病后1 ～4個月；3)有踝背伸功能受限；4)下肢Brunnstrom分級達到Ⅳ級：共同運動模式打破，開始出現分離運動，足跟不離地的情況下可做踝背伸運動；5)自愿遵守指定的康復評估和治療；6)能夠理解研究目的，自愿參加本試驗并簽署知情同意書。排除標準：1)除因中樞神經損傷引起的踝關節運動功能障礙外，仍有其他疾病等原因致使下肢嚴重畸形；2)關節活動受限或者其他神經或者肌肉骨骼疾病；3)下肢肌張力過高，踝關節被動運動困難或有嚴重跟腱攣縮；4)肢體有外傷或者未愈合傷口；5)不穩定心絞疼痛、不穩定性高血壓、心肌炎、心包炎或者急性系統性疾病；6)嚴重的認知障礙，不能理解配合。

表1 兩組患者一般資料比較Tab. 1 Comparison of characteristic of patients in the two groups

2 康復訓練方法 1)試驗組：使用運動控制與反饋訓練系統進行踝關節背伸運動訓練，實驗設備為以色列MediTouch system運動控制與反饋系統和3D運動位置速度傳感器(3D-tutor)(見圖1)。3D-tutor佩戴于踝關節遠端用于接收踝關節的運動位移信號，通過藍牙與計算機的MediTouch system運動反饋系統對接。首次治療前，向患者講解并示范指定動作及注意事項，使其理解踝背伸動作的努力程度與治療系統產生的反饋有關，應鼓勵患者努力提高反饋系統內的得分。治療時患者取坐位，通過主動背伸踝關節來完成系統中的任務；當患者努力使效應肌肉收縮引起關節活動時，3D運動的位置和速度傳感器將信號將會反饋到系統中，系統通過相應的參數整合成一定的視覺動態畫面反饋給患者，并有畫面和聲音提醒。游戲結束給出最終得分。治療每日1次，每次訓練20 min，每周5次，連續治療8周。2)對照組：使用徒手肌力訓練，由治療師指導患者進行踝關節的屈伸運動，采用漸進性抗阻訓練方式，運動頻率6 ～ 10個/組，間歇30 s，每天訓練20 min，每周5次，連續治療8周。

圖1 以色列MediTouch運動控制與反饋系統界面以及3D運動位置速度傳感器A： 游戲主頁； B： 關節活動度測定； C： 佩戴3D-tutor使用多媒體運動控制與反饋訓練系統進行訓練； D： 3D運動位置速度傳感器Fig. 1 Israel Meditouch motion control and feedback system interfaceA: homepage; B: measurement of joint mobility; C: ankle training with motion control and feedback system； D: 3D-tutor

3 療效評價 訓練前后對兩組的踝關節背伸功能進行以下評估：1)關節活動度：使用MediTouch system中的評估系統測定踝背伸主動關節活動度范圍，3D運動位置速度傳感器沿足跖骨長軸方向綁于足背上作為踝關節的移動臂，囑患者從中立位開始背伸踝關節至最大角度，3D-tutor接收位置角度的變化，反饋到評估系統上，實時記錄踝關節的關節活動度。系統記錄數值越大，表明關節活動度越大。2)痙攣程度：使用綜合痙攣量表(composite spasticity scale，CSS)評估踝關節小腿三頭肌的痙攣程度，其中包括踝跖屈肌群肌張力0 ～8分、跟腱反射0 ～ 4分、踝陣攣0 ～ 4分，合計0 ～ 16分，得分越高，痙攣程度越大。3)肌肉收縮功能：使用表面肌電圖測試踝背伸時主動肌最大等長收縮(maximum isometric voluntary contraction，MIVC)時的積分肌電值(integral electromyography，IEMG)來反映脛骨前肌的肌肉收縮功能。2個電極片電極置于脛骨前肌(脛骨外側脛骨前肌肌腹隆起處最高點)，1個參考電極粘貼在測試電極外側骨性標志處(見圖2)。測試時囑患者用最大力量做踝關節背伸動作，并保持5 s，共測試3次，每次間隔5 s。測試過程中大聲鼓勵患者用力，同時記錄脛骨前肌的表面肌電圖信號，最終取3 s收縮的最大值。4)肌肉協同收縮能力：運用表面肌電測試踝背伸時小腿三頭肌與脛骨前肌的肌肉協同收縮能力。電極置于脛骨前肌(脛骨外側脛骨前肌肌腹隆起處最高點)、腓腸肌外側(小腿外側肌肉最豐滿處)和腓腸肌內側(小腿內側肌肉最豐滿處)、比目魚肌，每塊被測試肌肉貼2個電極片，1個參考電極粘貼在測試電極外側骨性標志處，見圖2。囑患者做最大范圍的踝背伸動作，同時記錄脛骨前肌、腓腸肌外側、腓腸肌內側、比目魚肌的表面肌電圖信號。通過協同收縮率(co-contraction ratio，CCR)反應踝關節運動時肌肉的協同作用，協同收縮率=拮抗肌收縮積分肌電面積/(主動肌積分肌電面積+拮抗肌積分肌電面積)×100%。5)踝關節運動功能：通過測試患者10 s的踝足屈伸運動 (ankle flexion and extension movement，AFEM)來評估踝關節的運動功能，囑患者以最大關節活動角度在10 s內用最快速度做踝關節屈伸運動，共測試3次，每次休息1 min，最終取最大數值，次數越多表明踝關節的運動功能越好。

4 統計學分析 使用SPSS24.0軟件進行統計學分析。計數資料以例數或者率表示，組間比較采用χ2檢驗。所有計量數據符合正態分布或近似正態分布，以表示，組內比較采用配對樣本t檢驗，組間比較采用獨立樣本t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

圖2 表面肌電圖電極片位置A： 脛骨前肌電極片位置； B： 小腿三頭肌電極片位置Fig. 2 Location of surface electromyogram electrodeA: location of tibialis anterior muscle electrode; B:location of triceps crus muscle electrode

結 果

1 訓練前后兩組踝背伸AROM值比較 20例腦卒中患者均完成了為期8周的踝背伸運動控制與反饋訓練或者徒手肌力訓練。治療前，兩組踝關節背伸AROM差異無統計學意義(P＞0.05)。干預8周后，與治療前比較，試驗組和對照組的AROM均顯著增加(P＜0.05)；試驗組與對照組比較，AROM顯著增加(P＜0.05)。見表2。

2 訓練前后兩組小腿三頭肌綜合痙攣程度比較治療前兩組痙攣得分差異無統計學意義(P＞0.05)。干預8周后，與治療前比較，試驗組的痙攣得分明顯下降(P＜0.05)，對照組的痙攣得分無明顯改變(P＞0.05)；與對照組比較，試驗組的痙攣得分明顯降低(P＜0.05)。見表2。

3 訓練前后兩組脛骨前肌MIVC的IEMG值比較治療前兩組脛骨前肌的IEMG值差異無統計學意義。治療8周后，與治療前比較，試驗組和對照組的IEMG值均明顯增加(P＜0.05)；與對照組比較，試驗組的IEMG值無明顯增加。見圖3，表2。

4 訓練前后兩組小腿三頭肌與脛骨前肌的CCR值比較 治療前兩組肌肉協同收縮率差異無統計學意義(P＞0.05)。治療8周后，與治療前比較，試驗組和對照組的CCR均顯著降低(P＜0.05)；與對照組比較，試驗組的CCR明顯降低(P＜0.05)。見圖4，表2。

圖4 踝背伸運動時小腿三頭肌與脛骨前肌協同收縮的表面肌電圖A：干預前試驗組患者； B：干預8周后試驗組患者； C：干預前對照組患者； D：干預8周后對照組患者Fig. 4 SEMG of the synergistic contraction of triceps and anterior tibialis during ankle dorsi fl exionA: SEMG of a patient in the test group before intervention; B: SEMG of a patient in the test group after 8 weeks of intervention; C: SEMG of a patient in the control group before intervention; D: SEMG of a patient in the control group after 8 weeks of intervention

圖3 一次踝背伸動作的脛骨前肌最大等長收縮的表面肌電圖A：干預前試驗組患者； B：干預8周后試驗組患者； C：干預前對照組患者； D：干預8周后對照組患者Fig. 3 SEMG of maximum isometric contraction of tibialis anterior muscle in an ankle dorsi fl exionA: SEMG of a patient in the test group before intervention; B: SEMG of a patient in the test group after 8 weeks of intervention; C: SEMG of a patient in the control group before intervention; D: SEMG of a patient in the control group after 8 weeks of intervention

5 訓練前后兩組足踝屈伸能力比較 治療前兩組10 s踝足屈伸次數差異無統計學意義(P＞0.05)。治療8周后，與治療前比較，試驗組和對照組的10 s踝足屈伸次數均顯著降低(P＜0.05)；與對照組比較，試驗組10 s踝足屈伸次數顯著降低(P＜0.05)。見表 2。

表2 兩組患側踝背伸功能比較Tab. 2 Ankle dorsi fl exion function changes of the two groups

討 論

踝關節作為人體步行姿勢和穩定性的微調樞紐，是下肢運動功能和步行能力恢復的關鍵要素。腦卒中后患者常存在踝背伸受限的問題，不僅嚴重影響患者的步態以及步行能力，且存在較大的跌倒風險[8]。卒中后踝背伸的功能障礙是多種因素共同作用的結果，包括了失神經支配所致的肌肉力量減弱和肌肉痙攣，以及制動和廢用等原因導致的肌纖維和肌腱物理特性的改變[9-10]。其中，卒中后肌肉力量的減弱和肌肉痙攣主要受到神經可塑性的影響，肌肉力量減弱主要歸因于大腦皮質早期恢復階段的塑性重組，而痙攣是卒中后網狀脊髓(RS)為適應不良可塑性，導致神經肌肉過度興奮的結果[11]。因此如何在大腦恢復過程中選著合適的康復策略改善神經可塑性來增強肌肉力量，同時利用或避免適應不良可塑性來降低網狀脊髓的過度興奮，是促進肢體運動恢復的關鍵[12]。本研究結果顯示，通過8周的運動控制與反饋訓練，BrunnstromⅣ患者踝關節背伸功能得到有效提高，患者踝關節主動背伸角度、跖屈肌的痙攣程度、背伸肌的肌肉力量以及踝關節屈伸能力均顯著改善，提示運動控制與反饋訓練可能是一種改善踝關節背伸功能的有效康復方法。

腦卒中后肌肉力量的減弱被定義為肌力不足而使關節活動能力減弱，同時伴有肌肉做功的減少。肌肉做功減少原因包括了運動單位興奮能力的減弱、功能性運動單位數量減少、運動單位發放沖動頻率減慢等[13]。目前的研究對于什么樣的肌力訓練可以改善肢體功能活動仍有爭議。Winstein等[14]的隨機對照實驗顯示對于急性期腦卒中患者的抗阻訓練可顯著提高肌力薄弱肌群的力量，在一定程度上改善肢體功能活動。而Bohannon[15]的研究則認為缺乏功能性相關訓練的單純的肌力訓練對偏癱肢體功能的改善無顯著性幫助。Morris等[16]通過總結關于腦卒中患者肌力效果的系列研究，指出多數臨床實驗為肌力訓練能明顯改善患者的肌肉力量提供了證據，但目前多數研究忽略了肌力訓練能否改善患者功能活動包括步行等能力。Lodha等[17]比較了肌肉力量和運動控制對于卒中患者的重要性，指出相對肌肉力量而言，運動控制障礙對卒中患者的行走和駕駛影響更大，針對運動控制的評估和康復措施將有可能是提高卒中患者功能的關鍵。本研究通過表面肌電圖監測踝關節背伸運動過程中脛骨前肌的肌電活動情況，間接量化了脛骨前肌收縮所產生的力量大小。SEMG顯示8周的運動控制與反饋訓練和徒手肌肉力量訓練提高踝背伸時脛骨前肌最大等長收縮力，與對照組比較，試驗組踝關節主動運動的關節角度增加顯著，提示單純肌力訓練對于卒中患者關節運動能力的增加是有限的，而運動控制訓練對提高關節運動能力效果更顯著。通過8周的運動控制訓練有效降低了小腿三頭肌痙攣程度以及踝關節屈伸肌群的協同收縮率，患者踝背伸運動更加協調順暢；在10 s踝屈伸次數測試中，患者踝關節在10 s內完成的屈伸次數顯著增加，踝關節運動速度明顯提高，并且運動控制與反饋訓練組顯著優于徒手肌力訓練組。

提高腦卒中患者肢體運動控制能力需要有科學的訓練方式，足夠訓練量和時間的累積，以及集中的注意力和高參與度[18-19]。Burdea等[18]通過一項基于游戲的腦癱兒童踝關節訓練的可行性研究，發現為期12周的干預不同程度改善了患者踝關節力量、步態運動學以及步行速度等指標，并指出實驗中的運動控制訓練系統在每一次踝關節參與的游戲比賽中都會產生多達400次的重復動作，這個量被認為是誘導神經可塑性所必需的[20]。一個病例系列報道指出使用增強聽覺反饋訓練方法可以提高偏癱患者上肢的運動能力[21]。何龍龍等[22]運用計算機運動控制系統對腦卒中患者手功能進行了4周的干預，初步結果顯示計算機運動反饋訓練可有效促進腦卒中后手部運動功能及日常生活能力的恢復，但需要更多的證據來驗證其臨床療效。本次研究使用的多媒體運動控制與反饋訓練系統是以游戲任務設定形式(如通過踝關節的背伸來控制開車運動)，模擬了現實社會中的運動模式，并且通過多媒體畫面和聲音的視聽反饋有效刺激患者的視/聽覺神經，引起大腦皮層的興奮，提高患者的參與的積極性和注意力，有效控制康復訓練中動作的質量、數量以及時間。這種訓練方式可以改善卒中后運動功能的神經可塑性和大腦皮層的重組。神經可塑性是指經過一定時間各種因素和條件作用后引起的神經結構和功能的變化，包括了可變性和可修飾性[23]。其中生物反饋是一種對大腦可塑性的有效刺激形式，對大腦功能重組和代償起著重要作用[24-25]。利用生物反饋技術控制某一生理活動的過程是一個學習過程。Archer等[4]的研究指出視覺反饋的環境下的運動訓練可以提高腦卒中患者的力量控制并改善肢體功能活動。Khumsapsiri等[26]的最新試驗發現借助多維度的反饋工具訓練可以提高卒中患者的平衡能力和運動功能。在本研究的康復訓練過程中，視覺反饋提示了運動的定位(操作認識)，聽覺反饋提示了動作的時機，任務完成后實時的運動偏移報告(結果反饋)指導了下一次動作的完成和改善。在多種實時反饋的影響下，患者的動作記憶學習能力得到顯著加強。同時，系統模擬的游戲任務可以根據患者的功能情況精準地調整動作完成難易程度，從而保證訓練治療的有效時間和訓練量，提高了患者的參與性。

綜上所述，運動控制與反饋訓練，相對于單純徒手肌力訓練，對改善卒中患者踝背伸功能有更積極的效應。但本次研究仍然存在一定的局限性：1)研究例數少，基于多媒體的運動控制訓練是否能取代現有的徒手肌力訓練還需更大樣本量的試驗驗證；2)現有的運動器械訓練種類多樣，缺乏與其他器械訓練效果的比較；3)只選用了常規的治療強度，沒有不同運動強度的分組；4)目前只納入了Brunnstrom Ⅳ期的患者，是否適合其他級別偏癱患者，尚未知。因此，接下來需進一步深入的分層研究，為臨床康復治療提供更加可靠的臨床依據。