基于鏡像神經元理論的手部康復訓練系統設計

嚴 程，陳 程，張 翔，張 宇，楊 洋，張 一*

（1.蘇州大學附屬第三醫院，常州市第一人民醫院，江蘇常州 213000；2.錢璟康復股份有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

腦卒中是導致殘疾的主要原因之一。卒中患者患側肌力、肌張力、感覺及運動姿勢控制等方面的功能障礙嚴重影響其日常生活，給患者及家屬造成沉重負擔。

上肢手部功能障礙是腦卒中患者常見的功能障礙之一。傳統的康復治療方法對部分患者治療作用有限[1]，且需要投入一定的精力和時間，功能改善效果不盡如人意。近年來，基于鏡像神經元的康復方法在臨床上的應用越來越廣泛[2]，并取得了相對不錯的治療效果。根據相關研究顯示，運動觀察（視頻或鏡像）、運動想像均可以通過激活鏡像神經元來促進腦卒中患者偏癱肢體運動功能改善以及日常生活能力的提高[3-11]。目前，國內尚無有關基于鏡像神經元在腦卒中后的針對性康復治療設備，大多數還是需要康復治療師操作簡單的工具設備（例如平面鏡等）來讓患者觀察健側肢體動作，從而達到刺激鏡像神經元的目的，存在治療過程中易受外界干擾，花費時間、精力多，訓練方法規范性、統一性較難量化，影響臨床治療效果的穩定等問題。鑒于此，本文在鏡像神經元康復療法的基礎上，設計適用于腦卒中患者上肢手部功能障礙的康復訓練系統，本系統實用性強，專為腦卒中后手功能障礙者提供豐富有趣、科學實用的康復訓練方法，有效改善其上肢手部功能狀況，從而提高其日常生活活動能力及生活質量。

1 總體設計

手部康復訓練系統主要由康復訓練桌及智能康復訓練軟件組成。通過操作訓練桌上的升降按鈕可調整桌面的升降高度；通過訓練桌上的手勢識別器和攝像頭模塊可實時捕捉患者的手部動作，并將動作呈現在觸控顯示器上；通過把鏡像神經元理論融入到智能康復訓練軟件中，可有效實現對患者的篩查評估、指導患者進行手部的智能康復訓練并提供相應的訓練報告，達到刺激患者大腦中的鏡像神經元，從而提高患者上肢手部運動功能和日常生活活動能力的目的。

2 具體設計

2.1 訓練桌

如圖1 所示，訓練桌主要由移動底座、升降機構、桌面、攝像頭模塊、觸控顯示器和手勢識別器等組成。

圖1 訓練桌整體結構圖

2.1.1 移動底座及升降機構

移動底座主要由支撐底架和4 個萬向腳輪組成，可實現任意方向的順暢移動，并具有腳輪鎖緊功能。采用電動推柱作為訓練桌的升降機構，電動推柱用螺栓連接固定在支撐底架上，如圖2 所示。電動推柱的升降行程為467～767 mm，訓練桌高度的升降行程為580～880 mm，用戶可根據自己的舒適性和方便性進行調節。

圖2 移動底座與升降機構結構圖

2.1.2 桌面、攝像頭模塊、觸控顯示器和手勢識別器

桌面由鋁合金支撐板制作，外圍由ABS（acrylonitrile butadiene styrene）板制作，如圖 3 所示。攝像頭模塊采用LRCP5033_500W_USB3.0，焦距 6 mm（60°廣角），用于捕捉患者的手部動作成像到觸控顯示器上；觸控顯示器采用觸摸屏Dell 一體機，尺寸為23.8 in（1 in=25.4 mm）；手勢識別器采用厲動leap motion 三維 3D 手勢虛擬現實（virtual reality，VR）體感控制器，可捕捉、識別患者的手勢、動作，從而完成軟件中的訓練功能。

圖3 桌面結構圖

2.2 智能康復訓練軟件

本研究以鏡像神經元理論為指導，融入體感控制技術[12-13]、視頻追蹤技術，結合認知[14-15]、精細運動等多種康復訓練方法，根據康復醫師多年的專業康復訓練指導經驗，有針對性地設計適合腦卒中患者的智能康復訓練軟件。軟件訓練功能通過動作觀察、動作模仿、運動想像、運動學習來刺激患者的鏡像神經元，從而促使大腦發生可塑性改變和功能重組，進而促進受損的運動功能恢復。患者可以通過該軟件針對性地得到康復訓練，并能體驗到康復訓練過程中的樂趣。同時該訓練軟件還能反饋出相應的訓練報告，指導并糾正患者的康復訓練，從而加速患者的恢復進程。軟件流程圖如圖4 所示。

智能康復訓練軟件主要由用戶管理、篩查評估、智能訓練、影音庫、數據記錄等功能模塊組成，系統功能結構圖如圖5 所示。

該軟件采用C#編程語言、Access 數據庫進行開發，其中實現游戲訓練功能的部分開發代碼如下：

圖4 智能康復訓練軟件流程圖

圖5 智能康復訓練軟件功能結構圖

2.2.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊主要是記錄和管理患者的評估檢查量表，康復治療師可以通過該功能查閱患者的相關歷史評估信息，了解患者的康復功能狀況，從而對照現階段患者的功能狀態制訂后續的康復訓練方案。

2.2.2 篩查評估模塊

篩查評估模塊主要包含情緒狀態評估、認知功能評估和運動功能評定。患者根據屏幕上的提示回答問題或者按照規定完成相應的動作，從情緒狀態、認知功能、運動功能3 個方面進行全方位的評估。評估結束后會顯示患者的評估報告。康復治療師可依據患者評定的分數及分級，根據其具體情況制訂相應的康復訓練方案。具體應用界面如圖6 所示。

情緒狀態評估是指通過焦慮自評量表和抑郁自評量表評估患者的焦慮、抑郁狀態。評估結果能客觀反映患者的焦慮、抑郁情況及其在康復治療過程中的變化。

認知功能評估是指對患者進行洛文斯頓認知功能評定測驗（Loewenstein occupational therapy cognitive assessment，LOTCA）、簡易智力狀態檢查量表（minimental state examination，MMSE）、蒙特利爾認知評估量表（Montreal cognitive assessment，MoCA）[16-17]、AD8量表的問卷式評估，確認患者的認知功能狀態。該評估主要用來對認知功能異常的患者進行快速篩查評定，評估內容涉及注意力與集中力、執行功能、記憶、語言、抽象思維、計算和定向力等認知領域。

運動功能評定是指對患者進行Brunnstrom 偏癱運動功能分期評定、FMA（Fugl-Meyer assessment）上肢運動功能評定[18]、巴氏指數評定，主要是要求患者按照規定完成相應的動作，從而完成相應測試，以此來評估患者偏癱側肢體的功能狀態。

圖6 篩查評估應用界面

2.2.3 智能訓練模塊

智能訓練模塊包含教學訓練、自由訓練和游戲訓練三大子模塊，具體訓練界面如圖7 所示。教學訓練：通過觀看軟件中內置的標準化教學視頻進行訓練，也可進行個性化教學訓練，可自行將健肢運動過程錄制視頻并存儲，系統會將視頻自動鏡像成患肢的運動視頻，從而指導患肢的運動。自由訓練：可進行左右手及不同部位的訓練，如腕關節、前臂、手部。將雙手放置在桌面上的攝像頭下，健肢正常運動，顯示器上會對應顯示出相應一側患肢的運動，從而刺激患者大腦中的鏡像神經元系統，達到健肢帶動患肢的康復訓練效果。游戲訓練：設置有4 種訓練模式，包含打地鼠、平衡積木、機械手打包和炮轟海盜船，通過手部運動控制完成游戲操作，游戲結束后顯示游戲結果報表。

2.2.4 影音庫模塊

通過影音庫可上傳影音、播放影音、刪除影音。通過觀察手部及相關部位的運動影音及運動想像來刺激大腦中的鏡像神經元系統，有利于腦卒中患者偏癱肢體運動功能改善以及日常生活能力的提高[19]。

圖7 智能訓練界面

2.2.5 數據記錄模塊

評估和訓練結束后，康復治療師可查看患者當前評估報告和訓練報告中的相關數據。評估報告中包含患者的焦慮抑郁狀態、認知功能、運動功能等各項量表的評分，訓練報告中包含各項訓練內容的評分。康復治療師可根據每次評估及訓練的歷史數據報告橫向比較各患者之間的差異性，也可以針對某一位患者的歷史數據報告進行縱向比對，觀察其接受治療后的功能改善情況，為制訂個性化治療方案與修正當前治療方案提供臨床依據。具體界面如圖8 所示。

圖8 數據記錄界面

3 手部康復訓練系統使用方法

首先踩下腳輪剎車將訓練桌鎖住，使其不再移動。插上訓練桌電源，調節桌面上的升降按鈕使桌面升降至合適高度。打開桌面上的觸控顯示器，登錄用戶賬戶，可進行篩查評估或選擇相應的訓練模塊進行訓練。在教學訓練和自由訓練時，將患者的雙側上肢同時放置在觸控顯示器后面的攝像頭下，顯示器上即可顯示患者手部操作、訓練的圖像；在游戲訓練時，手勢識別器可捕捉、識別患者手部的細微手勢、動作，從而完成游戲訓練。訓練結束后可查看相應的訓練報告。

4 系統樣機與測試

手部康復訓練系統實物樣機如圖9 所示。對樣機進行測試，具體如下：

納入30 名腦卒中患者，隨機分為常規治療組和手部康復訓練系統實物樣機治療組（以下簡稱“樣機治療組”），每組15 人。2 組患者一般資料（包括年齡、性別、發病時間以及偏癱側數據）差異均無統計學意義（P>0．05），詳見表 1。常規治療組每周接受5 d 作業治療（包括治療性作業活動訓練、感覺訓練、日常生活活動訓練等），每天2次，每次持續30 min，共4 周。樣機治療組每周接受5 d 作業治療，每天1 次，每次治療持續30 min，共4周，同時在作業治療的基礎上采用手部康復訓練系統實物樣機進行鏡像治療訓練，每天1 次，每次30 min。采用Fugl-Meyer 上肢運動功能評分和改良Barthel指數（modified Barthel index，MBI）評分對 2 組患者的康復治療效果進行評價。采用SPSS 17.0 統計軟件對數據進行分析，計數資料用例數表示，采用χ2檢驗進行比較；計量資料用均數±標準差（）表示，采用t 檢驗進行比較。組內治療前后比較采用配對樣本t檢驗，其中，組間比較采用獨立樣本 t 檢驗，P<0.05 表示差異具有統計學意義。

圖9 實物樣機圖

2 組患者治療前Fugl-Meyer 上肢運動功能評分、MBI 評分差異均無統計學意義（P>0．05）。治療后 2 組Fugl-Meyer 上肢運動功能評分、MBI 評分與治療前相比均顯著改善，差異具有統計學意義（P<0.01）。樣機治療組與常規治療組相比治療后Fugl-Meyer 上肢運動功能評分、MBI 評分顯著提升，差異具有統計學意義（P<0.01），詳見表2。綜上所述，使用本系統可有效改善腦卒中患者的上肢手部運動功能，提高其日常生活活動能力。

表1 2 組一般資料比較

表2 2 組治療前后Fugl-Meyer 上肢運動功能評分、MBI 評分比較 單位：分

5 結語

本文設計了適用于腦卒中患者的手部康復訓練系統，康復訓練模式多樣，在較大程度上能夠輔助患者康復訓練并進行評估，填補了國內在基于鏡像神經元康復療法的智能康復設備方面的空缺。但是本系統也存在著一些不足之處，如鏡像圖像同步性不穩定、訓練內容不夠豐富、觸控屏幕靈敏性需改善等。后期在本設計的基礎上還可配備更完善的智能化系統[20-21]，融入更多的情景交互訓練游戲，同時添加康復治療師屏幕，便于其在治療過程中觀察、引導患者訓練。綜上，本文設計的手部康復訓練系統人機交互性好、功能較為齊全，具有廣闊的市場需求和推廣前景。