假体改变感觉模式对脑卒中偏瘫患者行走的短期影响

摘要

由神经或生理紊乱引起的感觉障碍妨碍动觉，使康复变得困难。为了克服这一问题，我们提出并开发了一种新型的生物反馈假体听觉的脚为了转换感觉模式，传感器假体将足底感觉转换为听觉反馈信号。本研究调查了听觉反馈假体对中风偏瘫患者行走的短期效果。为了评估效果，我们比较了足底感觉和听觉反馈的四种情况在有和没有听觉反馈信号的情况下，我们发现受影响侧在站立阶段的最大髋关节伸展角度和踝关节跖屈肌力矩存在显著差异。这些结果表明，我们的感觉假体可以提高中风患者的行走能力患有偏瘫，导致有效的短期康复。

1.介绍

康复包括物理治疗，能够通过日常干预的短期努力实现长期改善;它促进行动，提高功能能力，并改善生活质量。在物理治疗期间，动觉，即运动知觉我是移动的，即“运动-感觉回路”，在长期运动学习和短期运动生成中都起着至关重要的作用。因此，实现动觉对身体障碍和残疾的康复至关重要。然而，由神经或身体障碍引起的感觉障碍阻碍了动觉，使康复变得困难。

对于感觉障碍的康复，我们提出了一种新的生物反馈假肢[1.将虚弱或有缺陷的动觉反馈转化为另一种感觉形式。从系统工程的观点来看，人类的感觉障碍被认为是输入失败在一个系统中，导致整个系统的功能障碍；这种功能障碍可以通过修复或更换由另一个输入组件(图1.）.在这种情况下，增强动觉反馈或用另一种感觉方式替代可以对功能障碍进行干预，并使正在接受康复治疗的患者的运动感觉回路得以重建。

因此，本研究的目的是验证假体在改变感觉障碍患者的感觉模式方面的短期效果。我们特别关注的是一种听觉反馈假体，它在步行康复过程中改变了足底感觉[1.]，有以下四个原因:足底感觉，即压力中心在足底区域的运动轨迹和负荷的大小，是行走中必不可少的动觉[2.–7.];在中风偏瘫患者中，由于步态的改变，患足行走时COP轨迹的范围会缩小[8.];人类大脑中听觉信号的认知分辨所需的时间(约1毫秒)比视觉反馈信号的分辨所需的时间(约50-100毫秒)短;视觉反馈系统，例如显示视觉反馈信号的显示器，会限制受试者的姿势，导致康复空间和方法有限。

先前的研究提出了听觉反馈系统用于步行康复;宅一生(10)提出了Walk-Mate该系统利用了受试者和模拟在计算机系统上的智能体的脚步时间的“相互夹带”，显示患者和健康受试者的步态都恢复到稳定和自然的行走状态。Schauer和Mauritz [11]验证了中风患者步行康复过程中落地时听觉信号的时间效应。然而，以前没有研究集中于将脚部负荷的时空模式转换为听觉反馈信号。在这里，我们应用了我们的假体，叫做听觉的脚[1.]，将多点皮肤足底感觉转换为听觉反馈信号（图2.)、脑卒中偏瘫患者步行康复的研究，并论证了假体对干预的短期效果。

2.材料和方法

2．1．义肢转换感觉形态:听觉的脚

我们提出了一种传感器假肢，叫做听觉的脚[1.为苏醒康复转换感官模式。听觉足在行走时将皮肤的足底感觉转换为听觉反馈信号。整个系统由四个部分组成(图2(一个)):(i)压力传感器片(输入组件)、(ii)微型计算机(数据处理组件)、(iii)无线通信设备(数据传输组件)和(iv) PC(输出组件)。压力传感器表由许多压力传感器组成(例如，五个传感器;数字2.中下，Interlink Electronics: FSR402)。这种薄片结构使我们能够轻松地为个人修改传感器点的分布，并轻松地将薄片附着在物理或假肢足上，或将其插入鞋中。微型计算机(mbed NXP LPC1768)将压力传感器的模拟数据转换为数字数据，并通过串行通信发送到无线通信设备(Xbee, digital International: ZB RF模块)。利用Xbee，通过无线通信将微机中的数字数据传输到笔记本电脑中。在手提电脑内，处理软件[12]计算来自Xbee设备的数字数据，并分别通过扬声器和PC显示器将其转换为听觉和视觉输出。

在Processing软件中，我们设计了一个从足底感觉输出到听觉信号输出的转换协议，压力传感器的位置对应一个音乐音程(cf. Do, Mi, So, Do, Mi)，压力传感器值的大小对应音频音量。由此可见，听觉信号对应于在脚上加载的时空模式，如图所示2 (b)．

2．2．病人

我们招募了脑卒中患者(6名男性和1名女性)伴有偏瘫。平均年龄、身高和体重岁的时候,厘米,公斤,分别。入选标准如下:没有假肢行走的能力，理解物理治疗师指导的能力，以及由于缺血性或出血性原因首次中风的能力。偏瘫患者如有脑干或小脑损害、循环和呼吸状态异常、精神状态异常或更高程度的脑功能障碍，则排除。布伦斯特罗姆阶段和中风损害评估集(SIAS) [13]表中显示了患者的情况1.．患者在参与该研究前给予书面知情同意，该研究得到了日本东北大学医院当地伦理委员会的批准。

２．３．步态的评估

为了评估我们的假体对患者步态的影响，我们比较了四种情况，在脚跟和第五跖骨使用两个压力传感器(图)3.):(i)没有听觉反馈，但有义肢，称为“无”状态;(ii)仅来自鞋跟传感器的听觉反馈，称为“鞋跟”状态;(iii)仅来自第五跖骨传感器的听觉反馈，称为“第五”状态;(iv)来自脚后跟和第五跖骨传感器的听觉反馈，称为“全部”状态。评估是在这四种条件下随机进行的。所有患者都在同一天接受了每种听觉反馈条件的测试。

我们要求参与者步行7米，每一种情况进行2到8个试验，包括超过3个步行周期(从患足着地到下一次着地)。为了调查无意识的影响，我们没有指导病人，例如，“在探测的地方施加载荷。”在所有测量中，每个反射标记点的坐标均由MAC 3D系统(120 Hz) (Motion Analysis Corporation, Santa Rosa, CA, USA)测量。采用胶带将41个反光标记按解剖位置放置于12节段(见表)2.）.地面反作用力(GRF)数据以1200hz的采样率采集，使用4个90 cm × 60 cm的力板(Anima Corporation, Chofu-shi, Tokyo, Japan)。采用截断频率分别为20和200 Hz的双向四阶Butterworth低通滤波器对三维坐标和GRF数据进行平滑处理。基于Dumas等人提出的人体测量数据的十二段模型[14由脚、小腿、大腿、骨盆、胸部、上臂和前臂组成。采用关节坐标系计算下肢各关节的运动学数据[15］.此外，采用逆动力学方法估计下肢关节动力学[16］.偏瘫患者步态的代表性参数是从运动学和动力学数据中提取的，参考Kinsella和Moran之前的研究[17]使用MATLAB中的自定义软件（马萨诸塞州纳蒂克市MathWorks公司）计算参数。

2.4. 动态接头刚度

在本研究中，我们使用了动态关节刚度测量[9]，已被建议用于评估电阻人体行走时关节的动态刚度定义为其力矩变化的比率对应的关节角的变化，由下列公式描述: 我们选择踝关节的动态关节刚度，因为这种测量方法可以系统地评估使用我们的假体时踝关节功能对步行步态的贡献。评估关节刚度以证明步态恢复已在以前的研究中报道[18,19］.在站立阶段结束时刚度周期的增加意味着有效地推离地面，而在站立阶段开始时刚度周期的减少意味着步态中的减震。

2．5．统计分析

采用重复测量方差分析和Dunnett事后测试来揭示无(i)和有听觉反馈条件(ii) - (iv)之间的步态参数差异。A.以0.05的值作为统计学意义的标准。使用统计软件包(SPSS Ver.22, SPSS Inc.， Chicago, IL, USA)进行统计分析。

3.结果

３．１．对步态相关参数的影响

表中列出了四种情况下患侧的步态速度[cm/s]、步幅[cm]、步长[cm]、最大髋伸肌角度[degree]和最大踝关节跖屈肌力矩[Nm/kg]3.(7例)。结果是超过三个时期的平均值。在步态速度、步长和步长方面观察到差异，尽管这些差异不显著(n.s)。在(i)“没有”和(iv)“所有”情况下，站姿阶段患侧最大髋关节伸展角度有显著差异，如图所示4.．我们还发现，在(i)“无”和(iv)“全部”情况下，患侧最大足踝屈肌力矩有显著差异(图)5.）.

3.2.对严重感觉障碍患者的动态关节刚度和COP轨迹的影响

此外，我们对患者“E”的数据进行了深入分析，SIAS评分为Sensory Function Touch/Position = 0，如表所示1.. SIAS评分广泛应用于中风康复领域的残余功能评估。此外，之前的一项研究报告了感觉功能触摸/位置的中度类间可靠性，分数在0.47到0.84之间[13］.

数字6(一)显示了患者“E”在四种情况（i）-（iv）下行走时的动态关节刚度。结果表明，在（ii）“脚跟”和（iv）“所有”情况下，动态关节刚度在站立阶段开始时降低，而在（ii）“脚跟”（iii）“第五”情况下，刚度在后期站立阶段增加和（iv）“所有”情况。这些情况与正常受试者的情况相似[9］.数字6 (b)表示对受影响侧COP轨迹范围的影响。这些结果表明，(ii)和(iv)中COP的后位在站立阶段开始时向后移动，而(iii)和(iv)中的前位在站立阶段结束时向前移动。

4.讨论

4.1. 步态改变的机制

过去对人类和动物的研究表明，足部皮肤受体在步态控制中起着重要作用[2.,3.,20–29]和姿势[30,31］.在中风偏瘫患者中，由于步态的改变，患足行走时COP轨迹的范围变窄[8.］.在我们的假体中，我们在条件(ii)、(iii)和(iv)中使用了来自脚跟和/或第五跖骨传感器的听觉反馈。假体的效果总结如下:来自脚后跟传感器的听觉信号允许患者将其施加于脚后跟，来自第5跖骨传感器的听觉信号允许患者在站立阶段结束时产生有效的离地推离地面。第一种效应是由于在姿态阶段开始时动关节刚度降低，而第二种效应是由于在姿态阶段结束时刚度增加，如图所示6(一)．对于第一种效果，如前脚掌结冰的情况[5.]， COP在(ii)和(iv)条件下，站姿阶段开始时倾向于向后移动，如图所示6 (b). 这将导致有效的膝关节伸展，因为膝关节旋转中心位于COP的前面，这反过来会导致由于腓肠肌的激活，在站立阶段结束时硬度增加。这两种效应导致在有和无听觉反馈的试验中，最大踝-跖屈肌力矩存在显著差异，从而导致在站立阶段受影响侧的最大髋伸肌角度增加。

冰浸技术对足底感觉减退的影响[5.–7.提示足底感觉在步态改变中起着关键作用。减少足底感觉导致了压力分布的改变，由于更加谨慎地触地和蹬地，脚后跟和脚趾上的压力峰值显著降低[6.］.此外，由于同样的谨慎，站姿阶段结束时的髋部伸展角度显著降低[5.］.这些足底感觉减弱的结果证实了本研究的结果，其中增强足底感觉反馈的听觉反馈也增强了患侧的最大髋关节伸肌角。

4．2．与以前方法相比的可用性

最近，提出的步行康复系统或设备主要分为三类：步态恢复训练系统；主动补偿人体运动功能的辅助系统；被动支持人体运动能力的辅助设备。训练系统(瑞士Hocoma AG) [32]，Autoambulator(南方保健公司、英国)33),而触觉步行器(德国夫琅和费IPK) [34在第一类中，主要由重量支撑带、跑步机和步行辅助设备组成的安装系统。第二类中有代表性的装置是哈尔(混合辅助肢体)[35它可以通过机器人系统支持和改善人体运动功能。步态解（日本太平洋供应有限公司）[36,37]及ACSIVE（日本南部株式会社）[37]代表了这些设备的第三类。然而，过去很少有报告证实这种设备的短期和长期有效影响。与非侵入性康复方法一样，例如经颅磁刺激(TMS)或经颅直流电刺激(tDCS)，我们的假肢也提供了一种非传统的、非侵入性的步行康复方法。无线通信系统可以扩展应用范围到各种康复环境。在未来，我们希望这种智能、无线、便携和廉价的系统能够广泛应用于患者的日常康复。

4．3．限制及未来计划

目前的研究有几个局限性。首先，步态改变的机制仍然不清楚。我们专注于我们的假肢对患者步态的运动学和动力学影响，但我们没有考虑对肌肉激活模式的影响，这是由中枢神经系统(CNS)利用感觉信息协调的。最近，肌肉协同模式被认为是一种与病理条件相关的生物力学标记物[38,39]因此，在肌肉协同分析的基础上，通过对拟用假体的干预来评估步态可塑性是很重要的。神经机制和生物力学之间的关系似乎是人们普遍感兴趣的，也将在进一步的研究中进行研究。

我们在图中发现标准差有很大的变化4.．我们认为这种差异是由于脑卒中患者的剩余功能的差异造成的，例如感觉功能、触觉/体位的差异。尽管如此，我们使用anova和Dunnett事后测试发现，在控制和所有情况下，最大髋关节伸展角和足底屈肌力矩存在显著差异。这表明我们的假肢对中风患者行走的短期影响。此外，我们还证实了在感觉功能严重障碍的E患者中，假体的效果要大得多，即感觉功能触摸/位置SIAS评分= 0，如图所示6(一)和6 (b)．

我们没有研究由探测源位置引起的行走性能差异。北川等人[40]这表明，从靠近头部后部的区域发出的复杂听觉刺激可能会发生听觉-触觉相互作用的空间调制。因此，我们特别需要考虑听觉反馈源的位置。此外，还应讨论感官模式之间的耦合或冲突，例如视觉、前庭和体感信息，这将显著影响步态模式。

本研究中的所有受试者都能在没有任何帮助的情况下行走。我们的发现不能推广到使用拐杖和/或矫形器的偏瘫患者。

在目前的研究中，假体对脑卒中患者行走的短期效果得到了成功证实。康复是通过日常干预的短期效果来长期改善功能障碍。因此，我们的假体的长期效果将在未来被研究。最近的报告[41]关于一个有视觉和听觉信号的节律性运动学习任务，视觉反馈（FB）这组患者在练习后的表现依赖于FB，而听觉FB组在练习后无论有无FB，表现都一样好。这一发现表明，我们的听觉反馈假肢可能最终使患者在康复后对听觉FB的行走表现的依赖性降低。

大多数研究报道了由于衰老导致的足底感觉受损对步态可塑性的影响[42]或疾病，例如糖尿病[43–47]或先天性无汗性疼痛不敏感症(CIPA) [48,49］.随着年龄增长，触觉减退，四肢感觉功能受损，导致长者跌倒[42］.在糖尿病神经病变患者中，步态和姿势的控制受到显著影响[43］.有报道称糖尿病神经病变患者的垂直和水平地面反作用力峰值降低[44–46］.Boulton等人[47报道了早期糖尿病神经病变患者的足趾功能丧失导致负荷从足趾转移到跖骨头。Zhang等[49]报道，由于感觉障碍，年轻的CIPA患者比对照组行走更快，步幅更大，脚跟接触角速度更高。此外，有报道称在缺血阻塞中步态和姿势的改变[50,51］.总的来说，足底感觉影响感觉障碍、缺血阻塞以及冰浸患者的姿势和步态[5.–7.］.

我们的计划是为患有以下疾病的病人提供进一步的康复服务:48]、帕金森病(PD)及糖尿病神经病变[43–47］.此外，我们计划将该系统应用于健康受试者的假肢实验，进行初步研究。最后，我们将验证拟议的康复系统的长期效应，如上所述，导致身体表征的大脑可塑性[52］.

5.结论

目前的调查显示了拟假体对中风偏瘫患者行走的短期影响。有足底感觉听觉反馈和没有足底感觉听觉反馈时，最大髋伸肌角和最大踝关节足底屈肌力矩存在显著差异。

相互竞争的利益

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

这项工作得到了JSPS KAKENHI赠款的支持，以帮助创新领域的科学研究“理解大脑对身体表征的可塑性以促进其适应功能”（26120007和26120008）。

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