JNER:可穿戴式振动刺激用于慢性中风上肢康复:使用VTS手套的临床可行性试验

2021-09-15 MedSci原创 MedSci原创

大多数商用上肢假肢不能为截肢者提供感觉反馈。来自假肢假体的感觉对功能任务的运动非常重要。周围神经界面方法,如犹他电极阵列(USEAs),cuff电极,横向束内多通道电极,平面界面神经电极,以及纵向束内

每年有超过1500万人中风,成为美国和全世界致残的主要原因之一。上肢残疾发生在约50%的病例中。目前治疗中风后上肢功能障碍的方法侧重于使用肢体的活动。躯体感觉刺激可能是一种有效和易获得的康复方式。躯体感觉输入也与CNS损伤后的感觉运动恢复有关。传入输入对肢体的使用也是不可或缺的。触觉和本体感觉是运动表现的因素,被认为与运动皮层回路共同激活。

传入电刺激已被研究作为向中风幸存者的残疾肢体提供感觉输入的一种手段,初步证据表明触觉、运动功能和大脑活动发生了变化。但是,机械、振动刺激可在不放置电极或电刺激凝胶的情况下进行。传入电刺激通常针对皮肤中的皮肤感觉受体;而振动触觉刺激可以激活肌肉传入纤维和皮肤感觉受体而不引起运动。振动旋转刺激与其他方法相结合,如机器人操作或音乐练习练习,用于康复,并应用于手臂,以提高原位灵活性。在全身振动(WBV)和局部肌肉/肌腱振动的实验室研究中,已发现痉挛改善和显著的神经肌肉变化。

尽管有令人鼓舞的数据,振动旋转刺激在临床外并未广泛使用。本文设计了一种轻巧、无线、可穿戴的设备,将振动感应刺激应用于手部。可穿戴设备与身体紧密结合,因此允许在日常生活背景下长时间进行刺激。该装置被用于一项针对患有上肢感觉运动障碍的慢性中风幸存者的对照可行性试验。本文发表在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》。

这项研究是一项双盲、随机对照研究。合格的参与者被随机分配到振动刺激手套(VTS)和假对照手套(对照)条件下。所有人都被要求在受影响的手上戴上该装置,为期八周,每天三小时。该研究包括16名患有上肢缺陷的慢性中风幸存者(年龄28-68岁;中风后1-13年;8例VTS/8例对照)。该研究包括八周的日常生活中使用刺激或假装置。参与者每天戴手套,每周与盲法研究管理人员会面,测量感觉运动功能。参与者被要求在醒着的时候每天戴上打开的设备三个小时。每周需要使用21小时。参与者在日常活动中外出或在家中佩戴该设备。

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振动刺激手套

设计了一种可穿戴的计算手套,在参与者的日常生活中为其提供振动旋转刺激。它可以带回家并在诊所外使用。可穿戴设备(“VTS手套”)设计成本低、重量轻、可移动。该装置是一种五指手套,每个背指骨上都装有振动电机。该设备的核心是一块电路板和微控制器,当开关“打开”时,它以预先编程的顺序激活这些电机。陀螺仪将运动数据和使用数据记录到microSD卡上。这种手套是可充电的,电池寿命长,可以在两次充电之间进行4小时的无线刺激。

使用了两个刺激序列,每一个都基于钢琴曲的手指模式。歌曲模式为伪随机刺激提供了一个框架,并提供了以后将刺激与音乐练习结合起来进行轻松治疗的选项。每个歌曲模式(欢乐颂和生日快乐颂)都以一个简短的顺序延伸,以平衡所有手指的刺激。在每次重复中,模式快速播放一次(250毫秒振动,每次刺激之间暂停100毫秒),缓慢播放一次(700毫秒振动,100毫秒暂停)。选择这些歌曲是因为它们具有可识别的单手旋律,带有5-7个音符,可以在键盘上弹奏,几乎不用手移动。刺激模式每周切换一次,在两首“歌曲”之间交替切换。

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受试者情况

接受振动触动刺激的参与者在测量方面表现出显著变化,而对照组没有。在整个研究期间,可穿戴设备成功地提供了移动刺激,所有参与者都能够遵守日常佩戴协议。SWME测量值的变化表明,参与者的触觉感知有所改善。结果表明,改善趋势是渐进的。一名参与者报告说,在关节过度伸展的情况下,感觉恢复了。VTS条件下的一些参与者观察到,受影响的手更加张开和灵活。这些观察结果与修正的Ashworth量表测量值的变化一致。在实验条件下,除一人外,所有人的MAS( Modified Ashworth Scale)值均降低。两种情况下的参与者都必须经常伸展受影响的手以戴上设备,伸展可能与MAS的变化有关。然而,对照组的参与者(他们也每天伸展到戴上设备)没有显示出MAS值的显著变化,这表明刺激而不是伸展与这些变化相关。紧张和痉挛缺乏有效或持久的治疗选择,但40-50%的上肢残疾中风幸存者可能会受到影响。

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在基线检查和研究结束之间,上半身四个位置的自愿性运动角度增加

自愿性运动范围的变化可能部分是由于非自愿性刺激的降低。一些参与者的活动范围大幅度增加,第八周时手指伸展和弯曲接近正常。其他参与者的自主活动范围没有变化。进一步的研究可以提供一些细节,比如初始运动能力,使用该设备预测结果。手臂近端关节(如肘部)运动范围的改善可归因于肢体使用和注意力的增加或到达这些近端区域的传入输入。实验条件下的参与者在每周工作表上报告了新的能力,包括帮助做饭、清洁他们的爱好设备、戴上冬季手套和握住伴侣的手。他们还报告了手的新触觉感知,包括感觉振动、拉伸时的过度伸展。

总之,应用于残疾肢体的振动触觉刺激可能会影响触觉、痉挛以及自主运动范围。该项技术具有较大的临床应用前景!

Seim, C.E., Wolf, S.L. & Starner, T.E. Wearable vibrotactile stimulation for upper extremity rehabilitation in chronic stroke: clinical feasibility trial using the VTS GloveJ NeuroEngineering Rehabil 18, 14 (2021). https://doi.org/10.1186/s12984-021-00813-7

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