三维上肢机器人减重辅助任务导向训练联合常规康复治疗脑卒中患者疗效观察

Therapeutic Effects of Three-Dimensional Upper Limb Robot Weight Assisted Task-Oriented Training Combined with Conventional Rehabilitation on Stroke Patients

摘要

目的 观察三维上肢机器人减重辅助任务导向训练联合常规康复治疗对脑卒中患者上肢运动功能及日常生活活动能力的影响。 方法 选择2024年7月—2025年7月在济宁医学院附属医院康复科住院治疗的脑卒中患者50例，采用随机数字表法分为对照组和观察组，每组25例。2组均接受常规药物治疗和常规康复训练（运动疗法训练、传统康复治疗、物理因子治疗和电子生物反馈疗法）。对照组在常规康复治疗基础上接受常规任务导向训练（如完成肩关节前屈并触碰目标物），20 min/d，每周5次，持续4周。观察组在常规康复治疗基础上接受三维上肢机器人减重辅助任务导向训练，该机器人可抵消患者50%的上肢质量，20 min/d，每周5次，持续4周。分别于治疗前后采用Fugl-Meyer上肢功能评定量表（FMA-UE）评估患者上肢运动功能；采用功能独立性评定量表（FIM）评估患者日常生活活动能力；采用近红外脑功能成像设备检测患者脑区氧合血红蛋白（HbO₂）浓度；分析FMA-UE评分差值（ΔFMA-UE）、FIM评分差值（ΔFIM）及各脑区HbO₂浓度变化差值（ΔHbO₂）的相关性。 结果 ① FMA-UE、FIM评分：与治疗前比较，2组治疗后FMA-UE和FIM评分均明显提高（P＜0.05）。与对照组比较，观察组治疗后FMA-UE和FIM评分均明显更高（P＜0.05）。② HbO₂浓度：与治疗前比较，2组治疗后右前额叶皮质（RPFC）（CH21、CH3）、左前额叶皮质（LPFC）（CH25、CH12）、中前额叶皮质（MPFC）（CH22）通道、右初级运动皮质（RM1）（CH1）、左初级运动皮质（LM1）（CH29）通道和右初级感觉皮质（RS1）（CH2）通道HbO₂浓度均明显升高（P＜0.05）。与对照组比较，观察组治疗后上述通道的HbO₂浓度均明显更高（P＜0.05）。③ ΔFMA-UE、ΔFIM评分与ΔHbO₂浓度相关性：对照组ΔFIM与LPFC（CH9）通道ΔHbO₂呈正相关关系（P＜0.05）。观察组ΔFMA-UE评分与MPFC（CH6）、RM1（CH15）通道ΔHbO₂均呈正相关关系（P＜0.05）；ΔFIM评分与MPFC（CH23）、RS1（CH2）、RM1（CH17）和LM1（CH28）通道ΔHbO₂均呈正相关关系（P＜0.05）。 结论 三维上肢机器人减重辅助任务导向训练联合常规康复治疗可改善脑卒中患者上肢运动功能及日常生活活动能力，这可能与额叶、运动皮质和感觉皮质区域脑区激活有关。

Abstract

Objective To observe the effects of three-dimensional upper limb robot weight assisted task-oriented training combined with conventional rehabilitation therapy on upper limb motor function and activities of daily living (ADL) in stroke patients. Methods A total of 50 stroke patients who were hospitalized in the Department of Rehabilitation of the Affiliated Hospital of Jining Medical College from July 2024 to July 2025 were randomly divided into control group and observation group, with 25 cases in each group. Both groups received routine drug therapy and conventional rehabilitation training (exercise therapy, traditional rehabilitation therapy, physical modalities therapy and electronic biofeedback therapy). The control group received routine task-oriented training, such as shoulder flexion and touching the target, in addition to the routine rehabilitation treatment, 20 minutes per day, five times a week, and lasted for four weeks. In addition to the conventional rehabilitation therapy, the observation group received the task-oriented training with a three-dimensional upper limb robot weight assistance, which could offset 50% of the upper limb weight of the patients, 20 minutes per day, five times a week, lasted for four weeks. Before and after treatment, the Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity (FMA-UE) and Functional Independence Measure (FIM) were used to assess the motor function of upper limbs and the ADL respectively. The near-infrared brain functional imaging equipment was used to detect the concentration of oxyhemoglobin (HbO₂) in the brain region. The correlations among the changes in FMA-UE scores (ΔFMA-UE), FIM scores (ΔFIM), and regional cerebral HbO₂ concentration changes (ΔHbO₂) were analyzed. Results (1) Scores of FMA-UE and FIM: compared with those before treatment, the scores of FMA-UE and FIM in both groups increased significantly after treatment (P<0.05). Compared with the control group, the scores of FMA-UE and FIM in the observation group were significantly higher after treatment (P<0.05). (2) HbO₂ concentration: compared with those before treatment, the HbO₂ concentration in the channels of the right prefrontal cortex (RPFC) (CH21, CH3), the left prefrontal cortex (LPFC) (CH25, CH12), the middle prefrontal cortex (MPFC) (CH22), the right primary motor cortex (RM1) (CH1), the left primary motor cortex (LM1) (CH29) and the right primary sensory cortex (RS1) (CH2) increased significantly in both groups after treatment (P<0.05). Compared with the control group, the concentration of HbO₂ the above channels of the observation group was significantly higher after treatment (P<0.05). (3) Correlation between ΔFMA-UE and ΔFIM scores with ΔHbO₂ concentration: the ΔFIM score was positively correlated with concentration ΔHbO₂ in the channels of LPFC (CH9) in the control group (P<0.05). The ΔFMA-UE score was positively correlated with MPFC (CH6) and RM1 (CH15) channel concentration ΔHbO₂ in the observation group (P<0.05); the ΔFIM score was positively correlated with ΔHbO₂ concentration in the channels of MPFC (CH23), RS1 (CH2), RM1 (CH17) and LM1 (CH28) (P<0.05). Conclusion Three-dimensional upper limb robot weight assisted task-oriented training combined with conventional rehabilitation therapy can improve upper limb motor function and activities of daily living of stroke patients, which may be related to the activation of frontal lobe, motor cortex and sensory cortex.

Graphical abstract

关键词

脑卒中 / 三维上肢机器人 / 任务导向性训练 / 减重训练 / 上肢运动功能 / 近红外脑功能成像

Key words

stroke / three-dimensional upper limb robot / task-oriented training / weight assisted training / upper limb motor function / near-infrared brain functional imaging

脑卒中作为一种高致残率的疾病，会使患者遗留不同程度的残疾，如感觉、运动功能的异常^［1］。人的上肢功能占全身功能的60%，上肢运动功能障碍会严重影响人们的日常生活活动能力，约60%脑卒中患者会遗留上肢功能障碍^［2］。

有研究显示，任务导向训练可改善脑卒中患者的上肢功能及日常生活活动能力。但脑卒中患者完成传统任务导向性活动存在困难，并且重复性的任务导向活动会增加临床康复工作者的治疗压力^［3-4］。近年来，康复机器人相关技术已成为机器人领域的研究热点^［5］。三维上肢机器人在脑卒中患者训练过程中提供重力补偿，以弥补其力量及灵活性丧失，在保留任务导向训练核心要素的基础上，通过轨迹引导与标准化重复训练，使患者能够完成高重复性、抗重力的上肢活动任务，有效解决了传统训练中患者力量不足、动作执行困难及对治疗师依赖性强等核心问题。此外，患者主动参与上肢抗重力运动使大脑皮质的激活增强，有利于患者脑卒中后的神经重塑^［6］。

氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，HbO₂）浓度变化可客观反映局部神经元活动水平，是评估运动相关脑区激活程度的关键指标。与功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）比较，功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）作为一种光学神经成像技术，可在相对自由的运动状态下实时检测大脑皮层HbO₂浓度变化，更适用于康复训练过程中的脑功能评估^［7-8］。有研究显示，任务导向性活动可明显增加双侧半球（前额叶及运动皮质）的激活程度^［9］。二维上肢机器人辅助的任务导向性运动对不同程度脑卒中患者前额叶及运动皮质的激活程度不同^［10］，但任务导向性训练在三维上肢机器人减重辅助下与常规训练后，脑区HbO₂浓度变化程度的差异尚不清楚。本研究采用三维上肢机器人减重辅助下的任务导向训练治疗脑卒中患者，并观察其对脑功能重塑的影响。

1 临床资料

1.1　病例选择标准

1.1.1　诊断标准

参考《中国各类主要脑血管病诊断要点2019》有关脑卒中的诊断标准^［11］。

1.1.2　纳入标准

① 年龄40～75岁；② 首次发生脑卒中；③ 病程≤6个月，未接受正规康复治疗；④ 生命体征稳定，无严重认知功能障碍；⑤ 坐位Berg平衡量表（Berg Balance Scale，BBS）评级≥2级^［12］；⑥ 偏瘫手Brunnstrom分期≥Ⅲ期；⑦ 右利手；⑧ 患者及其家属知情同意并签署知情同意书。

1.1.3　排除标准

① 存在严重心肺功能不全、颅骨缺损、上肢骨科疾病（关节活动受限）和明显肢体疼痛等并发症；② 上肢肌张力改良Ashworth量表（Modified Ashworth Scale，MAS）评级＞2级^［13］；③ 存在严重认知障碍，简易精神状态检查量表（Mini-Mental State Examination，MMSE）评分＜17分^［14］，无法配合指令者。

1.1.4　中止和脱落标准

① 出现严重不良事件或不良反应，无法继续治疗者终止评估，作为无效病例处理；② 受试者因各种原因不愿意继续进行临床试验，未能完成评估向主管医生提出退出者。

1.2　一般资料

选择2024年7月—2025年7月在济宁医学院附属医院康复科住院治疗的脑卒中患者50例，采用随机数字表法分为对照组和观察组，每组25例。2组性别、年龄、病程、脑卒中类型和疾病部位等一般资料比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。见表1。本研究方案经济宁医学院附属医院伦理委员会审核通过（审批号：2025-03-C017）。

2 方 法

2.1　治疗方法

2.1.1　常规康复治疗

2组均在配备专业康复人员的医疗机构康复科接受常规药物治疗和常规康复训练。

2.1.1.1　常规药物治疗

根据脑卒中类型及病情需要合理选择药物，包括改善血液循环、降血压、降血脂、营养神经、抗血栓等药物。

2.1.1.2　常规康复训练

① 运动疗法训练：内容包括肌肉力量耐力训练、关节活动度训练、坐位及站立位平衡训练，30 min/d。② 传统康复治疗：推拿40 min/d，针灸留针30 min/d。③ 物理因子治疗：中频电疗法，20 min/d。④ 电子生物反馈疗法：20 min/d。

2.1.2　对照组

在常规康复治疗基础上接受常规任务导向训练。患者取坐位，在患侧肩关节前屈90°处设置实体目标物。训练开始时，患者将患肢放松置于膝上。在治疗师的口头指令和必要的手法引导下，患者重复进行肩关节前屈动作以触碰目标物，随后控制患肢返回膝上起始位置，完成一个动作循环。治疗师全程监督，确保动作模式正确并维持适当的运动幅度。动作频率为每次触控目标3～5 s，返回3～5 s，保持节奏稳定。20 min/d，5次/周，持续治疗4周。

2.1.3　观察组

在常规康复治疗基础上接受三维上肢机器人减重辅助下的任务导向训练。使用三维上肢机器人（上海傅利叶智能科技有限公司，型号：ArmMotus™ EMU）进行训练，患者坐位面朝屏幕，将患侧前臂及手固定于三维上肢机器人手柄处，要求患者按照设定的运动轨迹控制患肢触碰目标水果，运动轨迹范围设定为：下方起点与膝同高，上方终点位于患者肩前屈90°处，机器人系统提供减重支持，设定为抵消患者上肢质量的50%，训练由治疗师监督指导下完成，20 min/d，5次/周，持续治疗4周。

2.2　观察指标

分别于治疗前后进行以下指标评估，评估人员不参与患者选择与治疗。

2.2.1　上肢运动功能

采用Fugl-Meyer上肢功能评定量表（Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity，FMA-UE）^［15］评估患者上肢运动功能。FMA-UE评分包含33个项目，满分为66分。FMA-UE评分越高表示患者上肢运动功能越好。

2.2.2　日常生活活动能力

采用功能独立性评定量表（Functional Independence Measure，FIM）^［16］评估患者日常生活活动能力。FIM评分最低18分，最高126分。FIM评分越高表示患者日常生活活动能力越好。

2.2.3　HbO₂

采用近红外脑功能成像设备（丹阳慧创医疗设备有限公司，型号：NirScan）检测患者脑区HbO₂浓度。该设备包含14个光源探头和14个探测探头，共35个有效通道。见图1、表2。通道间距30 mm，设备全通道采样率11 Hz，波长设置为730 nm和850 nm，根据国际10/20系统进行定位，覆盖前额与两侧运动区。采集时患者处于安静环境中，坐位，20 s主动肩前屈90°（任务块），20 s静息（休息块），重复3次，任务前后各有60 s静息基线。采用设备配套的NirSpark分析软件进行数据处理。处理流程如下：首先，将原始光强信号转换为光密度信号；其次，采用运动标准差和样条插值法去除运动伪迹；随后，使用0.01～0.1 Hz的带通滤波器消除低频基线漂移与高频生理噪声（如心率、呼吸）；最后，依据修正的Beer-Lambert定律将光密度信号转换为HbO₂浓度变化。为便于比较，将病灶位于右侧的患者脑区数据进行镜像翻转，使患侧统一位于左侧进行分析。取任务期（20 s）相对于基线期（60 s）HbO₂浓度的平均变化值用于后续分析。

2.2.4　FMA-UE、FIM评分差值与HbO₂浓度变化相关性分析

计算治疗前后FMA-UE评分差值（ΔFMA-UE）、FIM评分差值（ΔFIM）及各脑区HbO₂浓度变化差值（ΔHbO₂）。分析ΔFMA-UE、ΔFIM评分与ΔHbO₂的相关性。

2.3　统计学方法

采用SPSS 26.0统计软件进行数据分析。计量资料符合正态分布者以（\overline{x}±s）表示，组内治疗前后比较采用配对样本t检验，组间比较采用独立样本t检验。计量资料不服从正态分布，采用M（P₂₅，P₇₅）表示，组内比较采用Wilcoxon符号秩检验，组间比较采用Mann-Whitney U检验。计数资料以例数（%）表示，组间比较采用χ²检验。符合正态分布的变量，相关性分析采用Pearson相关分析，不符合正态分布则采用Spearman秩相关分析。P＜0.05为差异有统计学意义。

3 结 果

3.1　2组治疗前后FMA-UE和FIM评分比较

与治疗前比较，2组治疗后FMA-UE和FIM评分均明显提高（P＜0.05）。与对照组比较，观察组治疗后FMA-UE和FIM评分均明显更高（P＜0.05）。见表3。

3.2　2组治疗后HbO₂浓度比较

与治疗前比较，2组治疗后RPFC（CH21、CH3）、LPFC（CH25、CH12）、MPFC（CH22）、RM1（CH1）、LM1（CH29）和RS1（CH2）通道HbO₂浓度均明显升高（P＜0.05）。与对照组比较，观察组治疗后RPFC（CH21、CH3）、LPFC（CH25、CH12）、MPFC（CH22）、RM1（CH1）、LM1（CH29）和RS1（CH2）通道HbO₂浓度均明显更高（P＜0.05）。见表4。

3.3　ΔFMA-UE、ΔFIM评分与ΔHbO₂浓度相关性分析

对照组ΔFIM与LPFC（CH9）通道ΔHbO₂呈正相关关系（P＜0.05）。观察组ΔFMA-UE评分与MPFC（CH6）、RM1（CH15）通道ΔHbO₂均呈正相关关系（P＜0.05）；ΔFIM评分与MPFC（CH23）、RS1（CH2）、RM1（CH17）和LM1（CH28）通道ΔHbO₂均呈正相关关系（P＜0.05）。见表5。

4 讨 论

4.1　三维上肢机器人减重辅助任务导向训练联合常规康复治疗改善上肢运动功能

本研究结果显示，与治疗前比较，2组治疗后FMA-UE评分均明显提高；与对照组比较，观察组治疗后FMA-UE评分明显更高，提示三维上肢机器人减重辅助任务导向训练联合常规康复治疗可改善上肢运动功能。可能与以下因素有关：① 减重支持降低了运动执行难度。本研究中三维上肢机器人系统抵消了脑卒中患者上肢50%的质量，有效弥补了脑卒中患者早期力量不足、运动控制能力差的局限，使其能够在标准化的运动轨迹下完成高重复性的抗重力任务，这有助于脑卒中患者在减重状态下更专注于动作的主动执行而非对抗重力，从而促进运动学习效应的累积^［17］。② 稳定运动模式强化运动感知觉。三维上肢机器人系统提供的标准化运动轨迹引导避免了传统训练中因力量不足导致的代偿动作，有助于脑卒中患者建立正确的运动感知觉。此外，三维上肢机器人系统提供的上肢减重支持、多感官刺激及实时反馈机制有利于神经细胞重塑与运动皮质区重组。这与王凤双等^［18］研究结果一致。③ 即时视觉反馈增强运动学习效果。三维上肢机器人系统采用屏幕目标触碰任务，提供实时视觉反馈，使脑卒中患者能够及时调整动作策略，强化任务导向性训练，实现主动运动意图与视觉引导的闭环整合。这种即时视觉反馈有助于脑卒中患者建立正确的运动感知觉和运动-感觉整合模式，提升运动学习效果。这与李娜等^［19］研究结果相似。

4.2　三维上肢机器人减重辅助任务导向训练联合常规康复治疗改善脑卒中患者日常生活活动能力

本研究结果显示，与治疗前比较，2组治疗后FIM评分均明显提高；与对照组比较，观察组治疗后FIM评分明显更高，提示三维上肢机器人减重辅助任务导向训练联合常规康复治疗可改善脑卒中患者日常生活活动能力。这与李娜等^［19］研究结果相似。可能与以下因素有关：① 任务特异性更强。三维上肢机器人系统中的任务场景模拟了日常生活中的取物、放置等动作，训练内容与实际活动高度契合，将运动训练融入特定的任务环境中，设计适当的目标并采用分阶段式的难度调整，这种任务导向性训练能促进功能向真实环境的迁移，有效改善脑卒中患者日常生活活动能力^［20-21］。② 有效训练剂量增加。三维上肢机器人减重支持使脑卒中患者能够完成更多次数的任务重复，提高了单位时间内的有效训练剂量，促进上肢运动功能提升，从而提高日常生活活动能力^［22］。③ 主动参与度提升。在三维上肢机器人辅助下，脑卒中患者可自主选择训练任务内容或在康复训练成功时获得即时反馈，可明显提升主动参与度和自我效能感，促进日常生活活动能力的提升^［23］。

4.3　脑卒中患者FMA、FIM评分提高可能与额叶、运动皮质和感觉皮质区域激活有关

与对照组比较，观察组治疗后额叶区域RPFC（CH21、CH3）、LPFC（CH25、CH12）、MPFC（CH22）通道，运动皮质区域RM1（CH1）、LM1（CH29）通道和感觉皮质区域RS1（CH2）通道的HbO₂浓度均明显更高；观察组ΔFMA-UE评分与MPFC（CH6）、RM1（CH15）通道ΔHbO₂浓度均呈正相关关系（P＜0.05）；ΔFIM评分与MPFC（CH23）、RS1（CH2）、RM1（CH17）和LM1（CH28）通道ΔHbO₂浓度均呈正相关关系，提示脑卒中患者FMA、FIM评分提高可能与额叶、运动皮质和感觉皮质区域脑区激活有关。这与LI等^{［17，24］}研究结果相似。可能与以下因素有关：三维上肢机器人减重辅助下的任务导向训练可激活脑卒中患者运动执行与运动规划相关脑区，实现更广泛的双通路神经重塑。其中，前额叶激活可能与训练过程中视觉反馈系统增加的认知负荷有关^［25］。脑卒中患者在执行目标追踪任务时需要持续调动注意、计划等认知资源，强化了前额叶对运动皮质的调控作用^{［24，26］}。双侧运动皮质的同步激活则反映了在三维上肢机器人减重支持下，患侧肢体主动参与运动任务时大脑半球间功能连接的重塑效应^［17］。这种多脑区协同激活模式为脑卒中患者上肢运动功能与日常生活活动能力的改善提供了关键神经基础。

5 小 结

三维上肢机器人减重辅助任务导向训练联合常规康复治疗可有效改善脑卒中患者的上肢运动功能和日常生活活动能力，这可能与额叶、运动皮质和感觉皮质区域的激活有关。但本研究仍存在一些不足，如样本量较小、干预周期较短、未进行长期随访、未根据脑卒中类型、损伤部位或功能障碍严重程度进行亚组分析等。未来研究还需通过扩大样本量、开展多中心随机对照试验、延长随访周期和加强出院后随访，为三维上肢机器人减重辅助下的任务导向训练改善脑卒中患者上肢功能提供更多科学依据。

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基金资助

山东省医药卫生科技项目(202416010199)

济宁医学院附属医院“苗圃”科研项目(MP-MS-2023-19)

济宁市重点研发计划项目(2023YXNS050)