, 董婕 2,3 1.清华大学 机械工程系, 摩擦学国家重点实验室, 北京 100084;
2.首都医科大学 康复医学院, 北京 100068;
3.中国康复研究中心, 北京 100068
收稿日期: 2015-12-04
基金项目: 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（2013CZ-27）
作者简介: 刘亚丽(1990-), 女, 博士研究生
通信作者: 季林红, 教授, E-mail:jilh@tsinghua.edu.cn
摘要：多数脑部损伤患儿患侧手指肌张力大，拇指呈内收状态，无法完成手指的张合动作，存在着手功能损伤。然而，临床上患儿手功能康复训练方式单调枯燥，不符合患儿的心理特点。该文设计了一种基于患儿心理特点的利用声、光信号诱导患儿主动训练的电子手套，并在中国康复研究中心进行了临床实验。实验表明：患儿患侧手指表面肌电信号的中位频率在康复训练后增大，说明用手套进行康复训练使患儿患侧肌肉耐力提高；静息状态下，患侧大鱼际肌与拇长伸肌表面肌电信号均方根与平均幅值在康复训练后减小，表明静息状态下大鱼际肌与拇长伸肌肌张力下降，患儿患侧手指运动控制能力增强。实验结果验证了该电子手套在脑部损伤患儿手功能康复训练中的有效性。
关键词： 康复训练 脑部损伤患儿 手功能 表面肌电信号
Training gloves for inducing brain damagedchildren to actively participate in rehabilitation training
LIU Yali1, GUAN Xinyu1, JI Linhong1
, DONG Jie2,31.State Key Laboratory of Tribology, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2.Faculty of Rehabilitation of Capital Medical University, Beijing 100068, China;
3.China Rehabilitation Research Center, Beijing 100068, China
Abstract:The hand motor functions of brain damaged children are limited because of high muscle tension. These children cannot easily extend or flex their fingers because of the muscle tension. There is currently little equipment developed for young patients. The aim of this study is to design gloves based on child's psychology to attract the children to actively participate in rehabilitation training. The gloves attract the children's attention by a series of LEDs that turn on or off as well as music playing or stopping. The gloves have been used by brain damaged children in the China Rehabilitation Research Center with results showing that the median frequencies of affected thenar and extensor proprius longus increase, which indicates that the muscle endurance is improved. The root-mean-square and average amplitude of the thenar and extensor proprius longus decrease, suggesting that the muscle tension decreases and the ability to control their fingers motion improves. The results verify the effectiveness of these gloves with brain damaged children.
Key words: rehabilitationbrain damaged childrenhand functionsurface electromyography
多种原因可造成儿童的脑部损伤，如脑瘫、脑外伤、短暂性脑缺血、脑肿瘤或后天性脑损伤[1]。儿童脑部受损后，60%的患儿伴随有上肢运动功能损失。
临床上，手部康复训练的作业疗法(OT)、物理疗法(PT)多利用手部矫形器对患侧手指进行静态姿势的调整，涉及到手指运动的训练设备主要有插球器、木插板等。这些康复训练方式枯燥单一。患儿本身固有的趣味导向以及好奇等心理特点[2-3]，使患儿容易对传统的单调训练失去积极性，从而降低了康复训练效果，持续久了还可能使患儿产生逆反心理。
研究表明，感觉神经刺激能够提高患儿的康复训练效果[4]，视觉刺激能够扩大手功能损伤患者的主动运动范围[5]。患儿的运动、语言能力是通过模仿习得的[6-8]，患儿对外界的图片、声音等感觉神经刺激容易产生兴趣[9]。
因此，本文基于现有临床上患儿手部康复训练方法以及患儿心理行为分析，设计了利用声光信号诱导患儿康复训练积极性的电子手套。通过临床实验评估患儿利用电子手套进行康复训练的效果，验证了电子手套的有效性。
1 康复训练电子手套设计由脑部疾病或脑外伤引起的脑部损伤患儿的手部肌肉肌张力大，手指的伸展与屈曲困难。手部运动缺乏灵活性，使患儿无法顺利完成握、拿等日常生活中的简单动作。临床康复训练中，患儿依赖于训练医师的语言及动作辅助来练习手掌的张合动作。当患儿手部出现一定握力后，患儿开始用插、取圆形木棒的方式练习手指间的协调运动。这种“一对一”的训练方法对医师的依赖性大，并且单调的训练方法使很多患儿不能主动积极地进行康复训练。因此，研制能够激发患儿兴趣、促使患儿主动进行训练的康复设备成为康复训练医师及相关工作者研究的重要内容。
根据视觉刺激与声音刺激能够提高康复训练效果的研究[5]，本文作者设计程序将视觉及声音刺激与手部运动相结合。首先，本文利用电阻式弯曲传感器进行手指运动情况的检测。手部肌肉主要包含3部分：控制拇指运动的拇长伸肌、拇短展肌等肌肉；控制食指运动的食指伸肌、蚓状肌等肌肉；控制3、4、5指运动的蚓状肌等肌肉[10]。因此，选取拇指、食指以及无名指作为基本运动手指进行运动情况检测。手指屈曲与伸张时，弯曲传感器可以跟随手指运动产生变形，进而电阻值发生变化。变化的电阻值引起控制器接收端端口电压的变化。然后，控制器根据接收端端口电压的变化情况控制光信号与声音信号发生器产生视觉刺激与听觉刺激，进一步刺激并引导患儿进行运动。
控制器的工作过程是当患儿佩戴好电子手套后，手指处于放松的自然位状态，控制器接收端读取当前端口电压，作为初始值，此时光信号发生器与声音信号发生器均处于未动作状态；然后，若手指屈曲，则弯曲传感器电阻值变大，控制器接收端端口电压变小，控制器读取接收端端口电压，与初始值比较后，判断手指处于屈曲状态，接通位于指尖的LED灯与乐音器，使LED灯亮，并产生乐音；若手指伸展，则弯曲传感器电阻值变小，控制器接收端端口电压变大，控制器读取接收端端口电压，与初始值比较后，判断手指处于伸展状态，接通位于手指中间位置的LED灯，使手指中间位置的LED灯亮，并停止乐音器发声。设备的工作流程如图 1所示。
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| 图 1 康复训练电子手套工作流程 |
| 图选项 |
根据设计机理，初步设计康复训练手套的外形图，如图 2所示。
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| 图 2 康复训练电子手套外形设计图 |
| 图选项 |
2 临床实验及其结果根据1节所述工作原理制作电子手套样品，并在中国康复研究中心儿童康复科进行临床实验。实验对象选取有脑梗死、脑瘤、脑出血、脑瘫等脑部损伤并伴有上肢运动功能损伤的患儿，年龄(9.5±4.3)岁，4名左侧上肢功能损伤患儿，6名右侧上肢功能损伤患儿。实验前，分别在手部放松状态与屈曲状态下，测量损伤侧大鱼际肌与拇长伸肌表面肌电信号。康复训练过程中，由同一训练医师监护，对10名患儿进行电子手套的康复训练：每周5天，每天1次，每次30 min，连续8周。戴电子手套的患儿康复训练情况如图 3所示。
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| 图 3 戴电子手套的患儿在康复训练 |
| 图选项 |
训练8周后，在患儿手指放松状态与屈曲状态下分别测量其手部表面肌电信号，对康复训练前与康复训练后测得的表面肌电信号进行时域与频域分析。时域中肌电信号的均方根值(root mean square，RMS)反映表面肌电信号幅值的变化特征，平均幅值(mean amplitude，MAV)反映肌肉电信号的强度。频域分析中肌电信号的中位频率(median frequency，MDF)与平均频率(mean frequency，MEF)反映肌肉的疲劳程度[11-12]。本文作者选择实验前后表面肌电信号时域中的RMS与MAV对放松状态下的肌张力进行评价，选择频域中的MDF与MEF对手指屈曲状态最大自主收缩时的肌肉疲劳情况进行分析。
将康复训练前后患儿患侧手指的大鱼际肌与拇长伸肌RMS、MAV、MDF、MEF数据进行提取与对比分析，具体结果如表 1和2所示。Δ表示训练后与训练前的相差百分比。
表 1 大鱼际肌、拇长伸肌训练前后RMS、MAV值
| 编 号 | 大鱼际肌 | 拇长伸肌 | ||||||||||
| RMS/mV | Δ/% | MAV/mV | Δ/% | RMS/mV | Δ/% | MAV/mV | Δ/% | |||||
| 训练前 | 训练后 | 训练前 | 训练后 | 训练前 | 训练后 | 训练前 | 训练后 | |||||
| 1 | 6.55 | 2.51 | -62 | 5.26 | 2.66 | -49 | 3.55 | 1.63 | -54 | 2.84 | 5.11 | 79 |
| 2 | 4.59 | 15.29 | 233 | 3.60 | 10.87 | 201 | 10.48 | 3.89 | -62 | 8.00 | 3.09 | -61 |
| 3 | 2.18 | 1.96 | -10 | 1.68 | 1.56 | -7 | 2.39 | 7.82 | 227 | 1.87 | 4.98 | 166 |
| 4 | 3.55 | 3.30 | 7 | 4.59 | 2.93 | -36 | 2.25 | 2.13 | -5 | 1.77 | 1.70 | -4 |
| 5 | 6.36 | 2.87 | -54 | 2.57 | 2.48 | -3 | 3.37 | 2.23 | -33 | 1.66 | 2.35 | 41 |
| 6 | 4.20 | 2.46 | -41 | 3.35 | 1.88 | -43 | 2.78 | 3.12 | 12 | 2.18 | 2.05 | -5 |
| 7 | 4.20 | 3.77 | 0 | 3.35 | 3.03 | -11 | 2.78 | 2.95 | 27 | 2.18 | 2.17 | 17 |
| 8 | 8.36 | 30.42 | 263 | 10.68 | 8.26 | -22 | 7.15 | 4.95 | -30 | 5.13 | 2.78 | -45 |
| 9 | 7.69 | 6.02 | -21 | 5.90 | 3.79 | -35 | 8.64 | 3.77 | -56 | 5.16 | 2.17 | -57 |
| 10 | 38.81 | 2.19 | -94 | 23.93 | 23.78 | -1 | 4.51 | 4.38 | -3 | 3.30 | 5.30 | 60 |
表选项
表 2 大鱼际肌、拇长伸肌训练前后MDF、MEF值
| 编 号 | 大鱼际肌 | 拇长伸肌 | ||||||||||
| MDF/Hz | Δ/% | MEF/Hz | Δ/% | MDF/Hz | Δ/% | MEF/Hz | Δ/% | |||||
| 训练前 | 训练后 | 训练前 | 训练后 | 训练前 | 训练后 | 训练前 | 训练后 | |||||
| 1 | 155.74 | 163.32 | 5 | 167.12 | 175.59 | 5 | 122.74 | 137.74 | 12 | 150.57 | 154.54 | 3 |
| 2 | 168.74 | 205.84 | 22 | 178.46 | 211.70 | 19 | 138.21 | 124.79 | -10 | 154.07 | 144.52 | -6 |
| 3 | 200.63 | 199.63 | 0 | 210.8 | 212.66 | 1 | 142.37 | 195.79 | 38 | 159.57 | 212.95 | 33 |
| 4 | 137.73 | 146.89 | 7 | 157.55 | 160.89 | 2 | 143.38 | 120.26 | -16 | 169.53 | 147.58 | -13 |
| 5 | 116.05 | 136.14 | 17 | 178.70 | 142.65 | -20 | 126.58 | 135.22 | -72 | 148.11 | 65.08 | -56 |
| 6 | 179.71 | 223.26 | 24 | 188.44 | 231.66 | 23 | 70.53 | 203.84 | 189 | 114.80 | 220.18 | 92 |
| 7 | 141.37 | 106.53 | -25 | 157.58 | 118.87 | -25 | 160.26 | 29.43 | -82 | 171.55 | 48.27 | -72 |
| 8 | 140.58 | 159.16 | 13 | 156.15 | 173.42 | 11 | 38.58 | 50.26 | 30 | 80.74 | 86.34 | 7 |
| 9 | 141.26 | 135.53 | -4 | 157.27 | 147.35 | -6 | 113.53 | 150.79 | 33 | 123.60 | 164.60 | 33 |
| 10 | 119.47 | 116.05 | -3 | 127.83 | 133.42 | 4 | 114.26 | 112.05 | -2 | 131.23 | 129.80 | -1 |
表选项
表 1和2表明，在训练8周后，患儿手部放松状态下，患儿大鱼际肌表面肌电信号的RMS与MAV减小：8名患儿大鱼际肌表面肌电信号RMS减小，9名患儿大鱼际肌表面肌电信号MAV减小。患儿拇长伸肌表面肌电信号的RMS与MAV减小：7名患儿拇长伸肌表面肌电信号RMS减小，6名患儿拇长伸肌表面肌电信号MAV减小。大鱼际肌与拇长伸肌肌电信号的RMS与MAV减小，说明大鱼际肌与拇长伸肌的肌张力下降，手部僵直状态改善。
对比康复训练前后肌肉的疲劳情况可以发现，患儿大鱼际肌与拇长伸肌的MDF与MEF都有增大趋势。表面肌电信号MDF、MEF的增加表明肌肉产生疲劳的频率增加，肌肉耐疲劳能力提高。
3 讨论实验中，LED光信号刺激与音乐刺激，作为感觉神经刺激输入患儿感觉神经区，感觉运动皮层与主要运动皮层同时受到刺激，一方面可以增加患儿康复训练积极性，另一方面，这种同时多种神经刺激有利于运动神经修复。
在训练前，脑部损伤患儿运动功能受损，自然放松状态下，持续的运动神经信号导致患儿大鱼际肌运动控制神经持续兴奋，肌肉产生高的肌张力，手指表现出僵直。康复训练过程中，外界的光信号构成的视觉刺激与音乐刺激通过传入神经到达大脑感觉运动区，感觉神经区与运动神经区相互影响，修正错乱的运动神经信号，改善肌肉僵直情况。感觉神经的刺激增强了患儿康复训练积极性，而主动参与康复训练，进一步增强了运动神经的再学习，使得运动受损神经在一定程度上得到修复，对手部肌肉的控制能力提高。
大脑运动皮层产生运动电信号，经传出神经通路传导至肌纤维，作用于肌纤维，产生肌肉收缩，从而产生运动。肌纤维由快肌纤维与慢肌纤维构成。在肌肉受到刺激后，快肌纤维占肌肉活跃的主导地位，承担动作完成的任务。随着时间的延长，快肌纤维占主导地位转变为慢肌纤维占主导地位，从而引起肌肉的表面肌电信号MDF与MEF发生变化。
随着康复训练的进行，患儿积极主动用患侧手进行活动，患侧肌肉活动增加，使先前因弃用而萎缩的肌肉肌纤维得到一定程度的恢复。在相同时间内进行等张收缩时，快肌纤维得到恢复，快肌纤维作用时间加长，肌肉的中位频率较训练前会有所升高。这与实验中患儿患侧肌肉的MDF训练后升高现象相符。
4 结论本文就目前针对患儿手指屈曲伸展康复训练设备缺乏问题，设计了一种基于患儿对光电信号以及声音信号反应灵敏等心理特点的手指康复训练电子手套。通过手套中的弯曲传感器对手指运动状态进行检测，判断手指的屈曲伸展状态。将手指屈曲伸展状态的变化作为LED光信号发生器与乐音器发生器的触发信号，触发LED灯闪烁以及乐音器的起停。临床实验发现，利用此电子手套进行患儿康复训练，能够改善患儿手指大鱼际肌与拇长伸肌的表面肌张力情况，降低手部松弛状态下大鱼际肌与拇长伸肌的表面肌张力，并提高患儿手指大鱼际肌与拇长伸肌的耐疲劳能力。本文设计的电子康复训练手套对患儿的手指屈曲伸张康复训练具有明显的效果，可推广到更多手功能损伤患儿，帮助他们更好地进行康复训练。
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