痙攣型腦癱兒童上肢矯形器的研究進(jìn)展△

孔翎宇，楊 涵，楊建偉，俞 超，王金武*，高漢義

（1.濰坊醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)院，山東濰坊， 261053；2.上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海， 200011；3.上海市骨科內(nèi)植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科，上海， 200011；4.濰坊醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，山東濰坊， 261000）

腦性癱瘓（cerebral palsy, CP）是胎兒神經(jīng)發(fā)育缺陷與非進(jìn)行性腦損傷引發(fā)的疾病，患病率約為千分之二，是兒童軀體功能損害的最常見原因［1，2］。多數(shù)患兒因腦室周圍白質(zhì)軟化而伴有痙攣綜合征，臨床表現(xiàn)為痙攣型CP，4 歲左右肌張力便有明顯增加［3］。痙攣會(huì)增加上肢畸形的發(fā)病率，影響患者下肢運(yùn)動(dòng)功能、軀干控制力與生活自理能力［4］。近年來痙攣型CP 患兒死亡率逐漸降低，中國CP 康復(fù)指南（2015年版）強(qiáng)調(diào)，選擇適當(dāng)?shù)妮o助器具和矯形器對于提高和保持治療效果、矯正異常姿勢、建立正常的運(yùn)動(dòng)、防止畸形進(jìn)一步加重和提高患兒的日常生活能力會(huì)起到重要作用［5］。

1 痙攣型CP 兒童上肢矯形器的設(shè)計(jì)理念

痙攣型CP 兒童上肢畸形由肌骨畸形與動(dòng)作畸形兩部分組成，肌骨畸形的出現(xiàn)與上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元非進(jìn)行性損傷引發(fā)的牽張反射亢進(jìn)密切相關(guān)，肌張力上升誘發(fā)的緊張性收縮使肌肉縱向生長受限與關(guān)節(jié)囊攣縮，上肢長時(shí)間維持肩胛帶內(nèi)收、腕關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)屈曲攣縮、拇內(nèi)收肌攣縮，手指“天鵝頸”畸形的狀態(tài)［6］。此外CP 患兒上肢運(yùn)動(dòng)呈非對稱性，伴有聯(lián)合反應(yīng)與共同運(yùn)動(dòng)，一般6 個(gè)月后顯現(xiàn)癥狀，1 歲后有明顯差別，手部靈活性與握力會(huì)隨患兒發(fā)育改善，但上肢整體的運(yùn)動(dòng)模式無法在短時(shí)間內(nèi)自行調(diào)整，最終拖延精細(xì)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)時(shí)間與上肢發(fā)育速度，產(chǎn)生動(dòng)作畸形［7～9］。CP 患兒上肢矯形器的設(shè)計(jì)理念便是基于上述臨床表現(xiàn)，從糾正肢體位置與激活本體感覺兩個(gè)層面開展治療［10，11］，并依據(jù)神經(jīng)發(fā)育療法（neurodevelop?mental treatments,NDT）對拇指、肩胛骨等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行針對性控制，從而降低患兒上肢張力，引導(dǎo)正確的運(yùn)動(dòng)模式。

2 痙攣型CP 兒童上肢矯形器分型與評價(jià)

2.1 腕手矯形器

腕關(guān)節(jié)過度屈伸會(huì)嚴(yán)重影響手部握力與靈活性，腕手矯形器（wrist hand orthosis, WHO）在限制腕關(guān)節(jié)活動(dòng)的基礎(chǔ)上，將患手固定于功能位并控制拇指運(yùn)動(dòng)，以此防止攣縮和屈曲畸形的發(fā)生，是目前臨床治療痙攣型CP 患兒最常使用的上肢輔具［12，13］。工作機(jī)制上，WHO 主要利用生物力學(xué)效應(yīng)，通過持續(xù)縱向牽拉力降低患兒上肢的肌肉僵硬程度與關(guān)節(jié)攣縮程度。根據(jù)佩戴后肢體活動(dòng)范圍，可將WHO 分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩類，靜態(tài)WHO 設(shè)計(jì)應(yīng)用較為簡單便捷，主要用于解決肌骨攣縮畸形，利用低溫?zé)崴馨甯鶕?jù)患者上肢畸形情況進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，李小朋［14］將患兒腕關(guān)節(jié)限制于功能位，拇指腕掌關(guān)節(jié)固定于60°，使第1 掌骨、拇指保持充分伸展，每日連續(xù)佩戴8～10 h，4 個(gè)月后患兒肢體ROM 與完成目標(biāo)任務(wù)的能力均有提高。但靜態(tài)WHO 的缺點(diǎn)十分明顯，短時(shí)間應(yīng)用并不能立刻提高手指抓握與完成其他功能性任務(wù)的能力，患兒需在靜止?fàn)顟B(tài)下長時(shí)間佩戴才能實(shí)現(xiàn)上肢功能恢復(fù)，因此多在夜間睡眠時(shí)進(jìn)行使用，具有較大的局限性［6，15］。

動(dòng)態(tài)WHO 兼顧支持力與靈活性，在保證患者隨意運(yùn)動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上適當(dāng)減輕對腕關(guān)節(jié)施加的固定壓力，手指上方與腕部固定點(diǎn)間增設(shè)聯(lián)動(dòng)裝置以允許手指完成部分活動(dòng)。Burtner 等［16］令CP 患兒佩戴動(dòng)態(tài)或靜態(tài)WHO 后依次從釘板中取下9 個(gè)直徑1 英寸，長3 英寸的圓釘，分?jǐn)?shù)以取下9 個(gè)圓釘?shù)乃钑r(shí)間為準(zhǔn)，并結(jié)合運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌電圖（electromyogram,EMG）表現(xiàn)進(jìn)行綜合對比。結(jié)果顯示CP 患兒使用動(dòng)態(tài)WHO 時(shí)握力與靈活性有明顯提升，可獨(dú)立完成一些簡單的功能性活動(dòng)；使用靜態(tài)WHO 時(shí)腕部與前臂肌群EMG 激活程度明顯下降，長時(shí)間使用可能引發(fā)前臂肌群萎縮，此外肩胛肌群代償性募集更為明顯，提示運(yùn)動(dòng)模式異常程度加重。因此從功能恢復(fù)的角度來看動(dòng)態(tài)WHO 的使用限制相對較少，對CP 患兒有更大價(jià)值，但受制于較為落后的設(shè)計(jì)方式與治療理念，長期治療作用非常有限。

2.2 矯形服裝

矯形服裝又稱夾板服裝（splinting garment,SG），是一種依據(jù)患者軀體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的軟質(zhì)支具，穿戴時(shí)覆蓋面積較大可涵蓋多個(gè)關(guān)節(jié)。SG 工作機(jī)制是生理和生物力學(xué)效應(yīng)的結(jié)合，軀體緊密貼合的壓力區(qū)域可增加本體感覺輸入，同時(shí)壓力大小與壓力施加時(shí)間呈動(dòng)態(tài)變化，避免高壓持續(xù)作用于患者皮膚所引發(fā)的局部組織循環(huán)障礙［17，18］。萊卡（Lycra）材料即氨綸纖維是SG 的常用材料，具有重量輕和彈性回縮力高的特點(diǎn)，因此又被稱作“動(dòng)力彈性纖維”。Giray 等［19］研制的SG 覆蓋于軀體近端關(guān)節(jié)以增加肩胛帶穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)組患兒每天分別穿戴2 h 與6 h，出院后患兒每天佩戴1 h。治療人員使用方塊轉(zhuǎn)移測試（box and block test,BBT）對患兒手部靈巧度進(jìn)行評估，結(jié)果證明穿戴SG 后，患兒的BBT 得分的提升幅度得到明顯增加，上肢功能性活動(dòng)能力得到改善。

動(dòng)力彈性纖維在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也存在一定問題，彈性回縮力會(huì)導(dǎo)致患兒完成一些日常動(dòng)作如下蹲、彎腰時(shí)出現(xiàn)不適感，因此SG 覆蓋面積需結(jié)合患者上肢畸形累及的范圍進(jìn)行個(gè)體化調(diào)整，Elliott 等［20］設(shè)計(jì)的SG 從手腕延伸覆蓋至腋窩，針對性干預(yù)CP 患兒上肢。8 名CP 患兒接受為期3 個(gè)月治療，每天6 h，每周5 d，治療后患兒的運(yùn)動(dòng)模式得到糾正，不隨意運(yùn)動(dòng)所占時(shí)間比有顯著改善。

總體來看，SG 相較于WHO 矯形器使用更為便捷，患兒可在一天的多數(shù)時(shí)間段進(jìn)行穿戴，在此期間相對靈活的完成日常任務(wù)。但SG 對制成材料有嚴(yán)格要求，目前尚無相關(guān)研究證明其他材質(zhì)可替代動(dòng)力彈性纖維，對其未來發(fā)展有一定局限。此外SG 也缺乏對患兒動(dòng)作的正確引導(dǎo)，治療效果尤其是對精細(xì)動(dòng)作的改善仍待進(jìn)一步觀察。

2.3 外骨骼矯形器

CP 患兒發(fā)病年齡較小，仍處于神經(jīng)發(fā)育重建的關(guān)鍵時(shí)刻，傳統(tǒng)矯形器多從生物力學(xué)層面解決CP 患兒的肢體問題，未對這一問題給予足夠關(guān)注。Kreb等［21］指出CP 患兒的運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)具備運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)特點(diǎn)，正確的動(dòng)作訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)的感覺輸入對神經(jīng)元重建有重要意義。因此CP 患兒最佳治療并非大劑量重復(fù)性訓(xùn)練，而是基于個(gè)人病情精準(zhǔn)設(shè)定的訓(xùn)練任務(wù)，即結(jié)構(gòu)化訓(xùn)練［22］。外骨骼矯形器（exoskeletal orthosis,EO）又稱外骨骼機(jī)器人，在控制模塊內(nèi)預(yù)先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃仿真后，生成的訓(xùn)練模式可引導(dǎo)中樞神經(jīng)損傷患者的上肢按正確順序完成功能性任務(wù)［23］。EO 的應(yīng)用能更好的引導(dǎo)動(dòng)作重建，Shimizu等［24］研制的上肢單關(guān)節(jié)混合輔助器（hybrid assistive limb,HAL）通過表面肌電分析結(jié)果分析前臂運(yùn)動(dòng)的正常軌跡，幫助患者完成肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)；Holley等［25］模塊化設(shè)計(jì)的EO 可先行分析患兒上肢運(yùn)動(dòng)受限程度，輔助患兒依次完成腕關(guān)節(jié)屈伸與前臂旋前旋后任務(wù)。但固定式外骨骼矯形器體積龐大，只能讓患兒在特定環(huán)境內(nèi)接受治療，訓(xùn)練的目標(biāo)動(dòng)作較為有限。

便攜式EO 體積精簡易在院外開展治療，Bützer等［26］設(shè)計(jì)的便攜式EO 由手部模塊與設(shè)備控制模塊兩部分構(gòu)成，手部模塊可基于預(yù)定程序?qū)δ粗高\(yùn)動(dòng)進(jìn)行重點(diǎn)控制，完成功能性任務(wù)時(shí)可配合其余四指屈曲完成抓握等動(dòng)作，指尖力量可達(dá)到5 N，使患兒完成端起500 ml 水杯等日常動(dòng)作，對建立正確的上肢運(yùn)動(dòng)模式，提高生活自理能力有極大幫助。

目前便攜式上肢EO 仍有諸多技術(shù)問題亟待解決，便攜式EO 應(yīng)用于下肢時(shí)可將骨盆作為運(yùn)動(dòng)的近端固定點(diǎn)，承載運(yùn)動(dòng)負(fù)荷與設(shè)備重量。雖然便攜式EO 也可選擇上中段胸椎作為負(fù)重點(diǎn)，但患兒脊柱尚未發(fā)育成熟強(qiáng)度較低，長期佩戴可能引發(fā)胸曲加大、心肺功能發(fā)育障礙等負(fù)面問題，而設(shè)備高昂的成本也是限制其實(shí)際應(yīng)用的重要原因。

2.4 3D 打印矯形器

3D 打印矯形器是指部分或全部由3D 打印技術(shù)制作，用于改變神經(jīng)肌肉和骨骼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的體外輔助器具［27］。3D 打印矯形器可同時(shí)改善患兒手腕部運(yùn)動(dòng)時(shí)的靈活性與穩(wěn)定性，對控制神經(jīng)損傷引發(fā)的肢體運(yùn)動(dòng)障礙有著特殊幫助［28，29］。Schmitz 等［30］通過3D 掃描獲取上肢結(jié)構(gòu)，使用MeshMixer3.5 建模、PETG 板材和熔融沉積成型3D 打印機(jī)制造矯形器，在通常狀態(tài)下CP 患兒完成目標(biāo)動(dòng)作的時(shí)間為295.2 s，佩戴矯形器后時(shí)間為237.2 s，證明患者上肢不隨意運(yùn)動(dòng)得到有效控制，其中完成精細(xì)運(yùn)動(dòng)耗費(fèi)的時(shí)間縮短了69.3 s、舉起物體的維持時(shí)間增加了8.9 s，提示動(dòng)作精準(zhǔn)度與上肢肌力的改善。

相較于傳統(tǒng)一體成型的傳統(tǒng)CP 上肢矯形器，3D打印矯形器通過材料逐層打印生成，對材料的力學(xué)特性如彈性、塑性等要求較少，矯形器的貼合程度與覆蓋面積更符合定制化需求，可減少因設(shè)計(jì)誤差導(dǎo)致的皮膚磨損，提供更舒適合身的外觀設(shè)計(jì)，保證患兒的接納程度。以PETG 板材為例，其耐久性高，定型后不易發(fā)生形變?nèi)睋p，且具備耐水性與抗沖擊性，表面質(zhì)地較低溫?zé)崴馨宀娜彳浝诨純洪L時(shí)間穿戴。近年來有學(xué)者提出，運(yùn)動(dòng)高分子纖維制作可用于痙攣型CP 患兒矯形器制作，類似材質(zhì)的出現(xiàn)可為痙攣型CP患兒的3D 打印矯形器的制作提供更多潛力［14］。

3D 打印矯形器具備較高的拓展功能，可結(jié)合患者肢體情況添加額外的治療設(shè)備，根據(jù)上肢功能進(jìn)行針對性調(diào)整。有學(xué)者在矯形器內(nèi)部加裝肌電信號(hào)控制儀，利用捕獲的肌電信號(hào)作為控制裝置的輸入依據(jù)，增強(qiáng)中樞神經(jīng)損傷后上肢功能障礙患者的肌腱力量，提供足夠的抓握功能［31］。這種具備EO 功能的3D 打印矯形器是未來CP 患兒上肢矯形器發(fā)展的重要方向，可為患兒提供更加經(jīng)濟(jì)有效的治療手段。

3 痙攣型CP 兒童上肢矯形器的不足與對策

3.1 缺少客觀設(shè)計(jì)指標(biāo)

目前CP 患兒矯形器多依賴手工制備，對肢體狀態(tài)與治療效果的評估高度依賴檢查人員主觀經(jīng)驗(yàn)。CP 患兒上肢矯形器設(shè)計(jì)時(shí)需確定明確的治療目標(biāo)［15］，并將客觀監(jiān)測結(jié)果納入?yún)⒖紭?biāo)準(zhǔn)。運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)可收集患兒完成上肢前伸、側(cè)伸、手指對嘴等動(dòng)作時(shí)各關(guān)節(jié)的變化角度與肌肉激活程度［20］，對CP 患兒穿戴矯形器后的運(yùn)動(dòng)功能及生物力學(xué)表現(xiàn)進(jìn)行評估，相較于EMG 測試更加全面?；谥w運(yùn)動(dòng)角速度研發(fā)的三軸加速度計(jì)使用較為便捷，可佩戴于身體各個(gè)部位并準(zhǔn)確記錄干預(yù)效果［32］，Beani 等［33］將三軸加速度計(jì)Actigraph?GT3X+固定在CP 患兒手腕處，結(jié)合患兒完成書寫、繪圖等任務(wù)時(shí)的表現(xiàn)分析上肢活動(dòng)特點(diǎn)，對患手功能進(jìn)行定量評估。這些數(shù)據(jù)能幫助研究人員分析矯形器的設(shè)計(jì)缺陷并做出對應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)改善患兒生活自理能力的最終目標(biāo)。

3.2 日常穿戴時(shí)間不足

患者出院后棄用矯形器或穿戴時(shí)間不足是導(dǎo)致治療中斷、療效無法得以維持的主要原因，治療人員應(yīng)對出院后患兒的矯形器佩戴時(shí)間進(jìn)行科學(xué)評估，Cal?iskan 等［34］根據(jù)CP 患兒心率確定矯形器使用所造成的能量消耗，得出的能量消耗指數(shù)（energy expendi?ture index, EEI）可作為矯形器佩戴時(shí)間的參考。此外定期復(fù)診可對矯形器行評估調(diào)整，有助于保證患者滿意度與依從性［19］，但這一過程需要耗費(fèi)過多時(shí)間。近年來互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展帶來了更多可能，Imms 等［35］在CP 患兒上肢矯形器內(nèi)部置入傳感設(shè)備，通過app 匯總患者的每日使用情況，幫助治療人員實(shí)時(shí)掌握矯形器使用情況并預(yù)測最終治療結(jié)果，可有效提高治療效果。

4 總 結(jié)

綜上所述，痙攣型CP 患兒上肢矯形器對縮短康復(fù)周期有著很大幫助，但國內(nèi)治療人員與家長在康復(fù)干預(yù)時(shí)仍將提高CP 患兒軀體轉(zhuǎn)移能力作為首選目標(biāo)，使得下肢矯形器的普及率遠(yuǎn)高于上肢矯形器，而設(shè)計(jì)理念的落后與規(guī)范化引導(dǎo)的缺失也令上肢矯形器的實(shí)際治療效果遠(yuǎn)不如預(yù)期。近年來電子設(shè)備與人工智能的應(yīng)用為新型矯形器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了更多參考，結(jié)合患兒上肢解剖特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)模式設(shè)計(jì)的上肢矯形器將為患兒提供更加精準(zhǔn)的個(gè)體化訓(xùn)練，通過3D打印結(jié)合肌電刺激的個(gè)性化智能云康復(fù)上肢矯形器是未來的主要發(fā)展趨勢。