中风后上肢(UE)功能缺陷包括活动范围缩小、肌肉无力、音调低和震颤[ 1， 2]。这些运动限制可能会因影响注意力、处理速度、执行功能、记忆和语言等主要认知领域的缺陷而加剧。中风导致的认知障碍反过来会影响任务的重新获得和新学习。因此，运动和认知的联合缺陷对恢复速度有不利影响[ 3.]以及恢复日常生活活动的独立性[ 4]。脑卒中后的康复需要综合治疗，以运动UE功能为目标 以及认知功能。在许多医疗保健模式中，住院治疗是有限的，昂贵的，并且涉及多个专业人员。理想的训练选择是在单点护理中利用技术进行康复，以获得最佳效果并降低成本。

在治疗过程中，需要大量的以任务为导向的UE重复来诱导神经重新连接以恢复功能。大脑的可塑性在中风后的前6个月达到顶峰[ 5， 6]。高强度训练，即每分钟多次重复，本身是不够的。同样重要的是训练对个体缺陷差异的适应性，以改善结果并保持患者的动机。

越来越多地依赖于满足中风后康复需求的技术包括基于机器人和虚拟现实(VR)的培训系统[ 7]。这两种类型的系统都很受欢迎，因为它们确保了所需的强度、动机和定制。康复机器人可以诱导大量的重复动作，并作为运动指南来改善手臂在伸展运动中的运动控制[ 8]。机器人还可以帮助加强UE [ 9在自愿行动受到抵制的情况下。然而，缠绕在手臂上的机器人康复外骨骼带来了安全问题，因为驱动器位于训练的上肢附近[ 10]。因此，外骨骼需要持续的监督和熟练的提供者协助穿脱。机器人系统可以优化，以利用这些好处，减少技术监督，并避免在训练期间对UE造成不必要的压力。 10]。一个很有前途的替代方案是一个自动适应中风患者UE训练的机器人工作台。

与护理标准(SOC)相比，双边UE培训具有许多优势。SOC通常包括针对受影响的手臂和手的单侧训练。双侧训练的优点包括更多的神经重新布线，加强受影响较小的UE [ 11]，以及在综合康复过程中进行更高认知水平训练的能力[ 12]。然而，使用现有技术的双边机器人康复成本过高，而且需要空间，特别是在家庭和社区环境中[ 13]。康复领域需要被动和安全的技术(没有执行器作用于训练的肢体)，以便在一个单一的低成本和紧凑的系统上进行双边训练。

虚拟现实治疗游戏诱导大量的手臂重复，很有趣。基于游戏的中风运动疗法提供了更多的训练[ 14- 17]。由于电子游戏具有吸引人的性质，因此更容易减轻习得性的废弃和无聊，并诱导对中风后神经恢复有益的UE重复次数[ 18]。此外，基于游戏的治疗已广泛应用于中风康复，以提高患者的动力，增加运动强度，并提供了一种可量化的方法来衡量客观的特定阶段的结果[ 19]。治疗游戏可以与安全的机器人系统配合使用，以扩大两种形式的康复训练在一起使用时的好处。

这里报道的机器人系统的前身是BrightArm Duo机器人桌( 图1A).它使用一个低摩擦的电动工作台来帮助前臂伸展，通过将其远端向下倾斜来辅助支撑伸展，并通过将台面向上倾斜来抵抗伸展。手臂被放置在低摩擦的前臂支架上，支架上嵌入了红外发光二极管。手臂支架可以在康复台上滑动，并由一对头顶的红外摄像机跟踪。摄像机与一台运行桌面驱动器及其治疗游戏的PC进行通信。这些游戏呈现在患者面前的大屏幕上，可以在单侧或双侧康复期间玩( 图1一个)。

尽管取得了诸多进步，但BrightArm Duo也有缺点。这是一个具有复杂控制的大型系统，因为它有2个升降台和2个倾斜台驱动器。此外，前臂支撑的平底使得在支撑在桌子上时训练旋前和旋前是不切实际的。此外，不可能训练手指的伸展，这是抓取物体的关键，也是提高ADL独立性的关键。因此，BrightArm Duo并没有解决康复技术领域缺失的一个因素[ 11， 20.， 21]，即缺乏训练手指伸展、前臂旋前和旋后、手抓握、双侧运动和参与认知康复的综合系统。

我们的小说 BrightArm紧凑(BAC)系统解决了上述缺失的元素。系统的重新设计和严格的评估过程使我们能够嵌入新的和改进的功能。重力轴承的调制可以支持较弱的一面，使UE增强[ 20.， 21]。当与具有挑战性的治疗性游戏相结合时，桌子可以促进运动和认知的综合训练[ 22]。然而，对中风患者(最好是在中风后的早期阶段)进行BAC系统测试对于测量对功能的影响至关重要。初步评估的结果可以为更大规模的研究提供信息，并推动康复技术领域的发展。这就是这项研究背后的动机。

本文介绍了新一代BAC康复机器人工作台的首次临床研究。它包括2例在中风后早期亚急性期接受BAC系统培训的病例研究。

研究涉及以下问题:

首先介绍了机器人手术台及其综合治疗游戏的技术细节。随后描述招募程序、培训方案和结果措施，然后是具体病例的结果和评估 讨论和 结论部分。

BAC康复台采用流线型设计，使用单个线性致动器进行升降运动，第二个线性致动器用于工作台面倾斜。第一个线性驱动器将工作台调整到患者的高度，这样手臂就可以被支撑而没有肩部不适( 图1B).第二个致动器用于调整工作面倾斜角在20°上倾角和-15°下倾角之间。在这个设计中，0°对应一个水平的表。两个驱动器都被安置在一个中央柱子上，柱子上还支撑着一台播放治疗游戏的大型电视。由于其更紧凑的设计，BAC系统的总体占地面积比Duo前体小45%，同时仍然允许完全的双侧支撑臂伸展。

手臂可以从桌子上抬起，因为与其他康复机器人不同，它没有直接推动ue的执行器。额外的好处是增加了行动自由和提高了患者的安全性。BAC安全机制的另一个组成部分是位于工作面底面的红外照明条阵列。红外线感应条的设置是为了检测坐在椅子或轮椅上的病人的存在。靠近病人的膝盖也被检测到，在这种情况下，桌子的升降或倾斜运动暂时暂停。另一项安全措施是设计一种机制，用于检测桌子底部和轮椅轮子顶部之间即将发生的碰撞。这种碰撞可能发生在桌子向上倾斜的过程中，这取决于轮椅的高度和类型。最后，一对紧急电源关闭开关安装在中央塔组件的两侧。无论治疗师站在病人的哪一边，帮助进行右臂或左臂训练，都很容易到达开关的位置。

我们小组开发的一对BrightBrainer Grasp (BBG)治疗性游戏控制器促进了BAC机器人桌的康复[ 23]。如图所示 图1C, BBG使用HTC跟踪器(HTC Corp)测量6个自由度的手部运动。HTC跟踪器不应与VIVE控制器(HTC Corp)混淆，后者未与BAC系统一起使用。HTC追踪器的位置和方向在一对VIVE红外照明灯的帮助下实时测量 灯塔）.2个VIVE灯塔位于中央执行柱的两侧。

BBG控制器有一个橡胶梨和一个压力传感器来测量抓取强度，还有一个旋转的机械杠杆来测量手指的延伸。控制器的底面是弯曲的，允许支持的旋前和旋后，并覆盖在低摩擦材料，以促进支持的手臂到达。同样的弯曲外壳内装有电子设备和电池，以及一个无线发射器，用于与运行治疗游戏的PC进行双向通信。

治疗游戏控制器必须简单易用，以避免占用残疾人有限的资源，并避免增加治疗师和家庭的设置时间。此外，控制器的形状必须适应不同大小和功能级别的手。在BBG游戏控制器中，这些一般原理被应用于检测手指的伸展和抓取。机械杠杆的弯曲形状与患者手的外侧保持正接触，无论哪根手指向外推，都能检测到伸展。相反，无论哪个手指或手指在BBG橡胶梨周围弯曲，都能检测到抓握。有关BAC设计及其可用性评估研究的更多细节，请参见Burdea等人[ 24]，而在脑卒中后慢性期个体使用BBG的临床结果可以在Burdea等人的研究中找到[ 25]。

基线化过程能够适应特定患者的运动功能水平。基线将弱和强ue的不同运动功能映射到治疗游戏中左右角色的正常功能。抓握、手指伸展、手臂旋前、手臂旋后、垂直伸展和水平伸展的基线被捕获。一次记录一只手臂的垂直延伸和水平延伸基线，如先前描述的BrightArm Duo [ 20.]。为两个ue同时捕获其他基线，以减少整个系统设置时间。

在手指伸展基线期间，患者观看了一个场景，显示两个简化的控制器移动各自的机械杠杆作为响应。同时，用2根垂直的管子填充颜色，可视化对应手的伸角大小。抓取基线场景相似，垂直管中的颜色数量与每只手的抓取强度成正比。基线过程重复3次，减去残余力后计算净值。

基线随后被用于确定UE移动和游戏中控制的角色的移动之间的收益。受损的UE有限范围被映射到VR场景的全部范围。呈现功能齐全的虚拟角色是为了让玩家能够在游戏中获胜，从而减少玩家的抑郁情绪。 26]。只有一小部分的最大手指伸展范围和最大抓握力被用来控制游戏。在长时间的虚拟康复过程中，分数值的使用减少了疲劳和不适。基线被用来确定手的屈伸阈值。一旦超过了扩展方向的阈值，游戏软件就会命令手角色完全打开。同样，一旦超过了抓握力的阈值，手的化身就会被命令完全闭合。

以下是对BAC康复系统中使用的两个治疗游戏的描述。 金银岛（ 图2A)是一款训练UE耐力、协调性和短期视觉记忆的游戏。画中描绘了一个岛屿，在那里，人们从一个标有巨石的地方挖出了宝藏。患者需要使用抓握将铲子头像放入沙子中，或者使用扩展将铲子移动到其他位置。宝藏被赋予不同的黄金计数，最靠近巨石墙的宝藏(可视化的水平到达基线)含有更多的黄金。当所有宝藏被找到或指定时间结束时，游戏便会结束。在难度较低的地方，沙子上有标记，表明宝藏埋在哪里，天气也很平静。在更短的时间内(更快的动作)，玩家可以在更高难度(更多重复)下挖掘出更多宝藏，而且游戏中没有任何标记。在更高的层次，沙尘暴会覆盖一些已经发现的宝藏，因此需要记住它们的位置，并引发更多的UE运动来再次挖掘它们。

河内塔3D（ 图2B)主要用于训练执行功能。该游戏通过要求患者将直径不同的圆盘从3个极点中的1个重新堆叠到另一个，同时使用第三个极点作为路标来训练决策。BBG和BAC的游戏版本需要抓住一个磁盘，将磁盘置于一根杆子上，然后伸出手指将磁盘释放到杆子上。决策训练的规则是，不能把直径较大的圆盘放在较小的圆盘上，而且只能由颜色相同的手形人物来处理。较小的磁盘具有其中一个手角色的颜色(例如，红色)，而其他磁盘具有另一个手角色的颜色(例如，绿色)。目的是用最少的移动次数重新堆叠磁盘，这取决于游戏中的磁盘数量(例如，重新堆叠3个磁盘需要至少7次手臂伸展移动，7次抓握和7次手指伸展)。

本研究共使用了8种不同的游戏。每个游戏都有多达16个难度级别，以确保BAC训练期间的多样性和挑战性。当游戏在几个回合中重复时，它的实际难度会自动设置，基于特定患者过去在该游戏中的表现。如果患者连续2次未能完成游戏或得分较低，则在下次游戏中难度等级降低1级。相比之下，如果患者连续3次赢得游戏，那么该游戏的难度将在下一次游戏中增加1级。

2018年9月初，1台BAC系统被安置在PowerBack康复中心(美国新泽西州皮斯卡塔韦)，这是一家专门从事早期亚急性康复阶段的住院康复机构。住院康复主任(一名职业治疗师[OT])和另一名有执照的OT接受了使用BAC系统的培训。随后，本文中描述的2例在该机构接受SOC的患者进行了筛选，并均提供了参与本研究的知情同意。

病例1为右撇子非裔美国男性，83岁，左臂右额叶、右下丘脑和右小脑上脚出血性中风。中风发生在入组前7周。他表现为高血压、心房颤动和左侧视野割伤。病例1在入组时正在服用10种处方药(镁乳、赖诺普利、杜乐乐、多唑胺、别嘌呤醇、酒石酸布莫尼定、普伐他汀、爱利奎司、氟洛美、氨氯地平)。在监督下，他用一根单点手杖行走了70英尺。最初的Fugl-Meyer UE [ 27]的得分为45分(满分66分)，表明轻度损伤。他接受了12年的正规教育，母语是英语，是一名退休的卡车司机。

病例2是一名左撇子白人男性，66岁，在入组前3周发生右侧出血性中风(基底神经节梗死)后，左侧UE受到影响。他的运动功能比病例1高，最初的Fugl-Meyer UE评分为52分(满分66分)，表明轻度损伤。病例2有贫血、高血压，研究期间服用了6种药物(阿托伐他汀、钙、氰钴胺素、米多宁、聚乙二醇粉、叶酸)。他可以用一个滚动的助行器独立行走50英尺。案例2受过12年的正规教育，会说英语，他以前的职业是画家和园林设计师。

每个参与者都坐在BAC系统前，使腹部接触到桌子的内侧。接下来，桌子的高度被设置为确保手臂的舒适支撑运动，与最小的肩部不适。在检查生命体征和佩戴游戏控制器后，治疗师指导参与者进行水平和垂直手臂伸展，抓握，伸出手指，最后在旋前和旋后方向移动支撑手臂。该方案规定第1周培训为非手动(单方);因此，基线只捕获受影响的UE。在第2周和第3周，两个ue都进行了基线和训练。每次治疗中途都会自动暂停，让治疗师重新检查生命体征。在每次治疗结束时重复检查生命体征。如果参与者感到疲劳或疼痛，会议可以暂停以引入一段休息时间。

每个案例研究参与者每隔一天(包括周末)进行一次训练，在3周的实验训练中完成了12次训练。游戏持续时间逐渐延长，从第1周的15分钟锻炼到第2周的20分钟，再到第3周的30分钟游戏时间。在此期间，参与者在第1周玩4个不同的游戏，在第2周玩6个游戏，在第3周玩8个游戏。这些游戏序列可以根据需要重复，以完成一周规定的训练时间。游戏难度在第1周预设为最简单的关卡，并在第3周自动升级至最难的关卡。在第2周和第3周，双手演奏(使用双手)增加了需要手眼协调和分散注意力的身体和认知努力。

在每次会议期间，工程师使用TeamViewer [ 38]来远程访问系统。如果需要，远程访问允许工程师远程实时监控和协助实验过程。技术问题在咨询治疗师后得到解决，任何需要的软件更新都在一夜之间完成。

研究人员还分别访问了一个有密码保护的项目门户网站。存储在该门户网站上的信息被纵向绘制成图形，以便根据系统生成的变量和系统生成的康复会议报告更好地衡量参与者的进展。这些功能在任何时候都可用，无论康复会话是否正在进行中。

除BAC实验治疗外，2例患者在PowerBack康复中心住院接受了物理治疗、职业治疗和语言治疗。他们每周接受6-7次物理治疗，每次45 - 60分钟，6-7次职业治疗，每次45 - 60分钟，5次语言治疗，每次30分钟。

最初的人类参与者批准已收到西方机构审查委员会(议定书#20101313;现更名为WCG IRB)，参与者提供知情同意。

在3周的实验性BAC训练中，参与者的游戏表现进展情况见 表3．

运动损伤、功能和ADL独立性的变化见 表4,而 表5显示了参与者情绪和认知功能的变化。

12个实验阶段的主要游戏表现变量显示在 图4．2例患者在实验训练3周内的收缩压和舒张压变化情况用图表示 图5．

这里描述的BAC康复系统在紧凑性(占地面积更小)，游戏控制器的功能(增加了检测手指伸展以及手臂旋前和旋后的能力)以及更好的UE 3D运动跟踪方面都有所改进(在桌面上和桌面上跟踪，而不是只在桌面上跟踪)。根据主观评价结果，协助参与者的OTs对该技术感到满意(平均得分为3.89，标准差为0.62，满分为5分)，并在整个方案中成功地使用了该技术。这表明新系统易于学习，因为2个不同的OTs能够成功地使用它。

参与者没有退出或错过会议。尽管遇到了技术问题，但他们的总体评分是积极的(平均3.97，标准差0.03，满分5分)，因为这是BAC系统的第一次临床可行性试验。另一种可能的解释是参与者可能经历了疲惫。尽管基于游戏的训练强度(高达18-29次手臂重复和每分钟7-8次抓握)，并且参与者处于中风后的早期亚急性阶段，该系统仍获得了积极的评价。

在本研究中，两名参与者的抓握力(27%和16%)和三指捏握力(31%和17%)均较训练前和训练后有所提高。在中风后亚急性期，抓握力量的改善低于MCID，这可能是由于训练时间分散在手指屈伸和前臂旋转运动中，而不是只关注抓握。

通过比较，两名参与者的UE功能都有所改善，在所有四项功能结果(Fugl-Meyer评估、捷成手功能测试、Chedoke手臂和手活动量表以及UEFI)中都处于或高于MCID。协调运动的改善可以解释这些人的功能改善。

在情绪领域，结果是混合的，病例1的抑郁严重程度降低了(从最小到正常)，但病例2(在正常变异性范围内)的抑郁严重程度最低(在正常变异性范围内)。 表5）.在注意力的认知领域，通过NAB数字后向子测试，两名参与者的听觉工作记忆都有所改善。在言语记忆方面，两者的识别辨别分数(霍普金斯语言学习测试的一部分)都有所提高。然而，在执行功能领域，案例2在Trail Making Test B和NAB单词生成子测试中有了很大的提高，而案例1在这些测试中却有了负收益。下手功能、认知缺陷和抑郁的结合可能解释了病例1的总体收益较小。

2例未进行离职面谈，其主观评价表未提供对其经历的评价。然而，帮助两名参与者的治疗师在他们的BAC会议期间和他们的反馈表格上做了笔记。协助病例1的治疗师写道，在第1周，所有的动作都需要帮助:“患者在大多数时候需要口头提示来挤压/释放，有时需要提示来移动手臂的方向 ．在第二周，治疗师指出:“不同的卡片类别是一个很好的元素，”在第三周，可能是案例1显示出改善，治疗师建议:“拾取和放置需要障碍，以便在结构上举起物品。”在主观BAC评估中，这位治疗师写道:“考虑‘符号’来鼓励双手使用。(第3周)难度更大的Dum Circles。”

协助案例2的治疗师写道，在第一次治疗中，需要帮助的动作是向前伸展和抬起手臂: ”[案例2需要]当选择游戏时，语言/触觉提示能够提升UE…在塔游戏中伸出/抓住手的声音提示 ．在上周的治疗中，这位治疗师指出，“受试者喜欢同时使用双手进行拾取和放置，而不是单方面……”打鼓有困难 ．“这一观察结果为案例2的功能改善程度提供了线索。具体来说，能够同时移动手臂以达到目标，同时遵循两个理想的轨迹意味着能够分散注意力和改善运动控制。

本研究纳入的受试者数量有限(N=2)，结果不能一概而论。这是由于系统安装后，该机构的新入院人数暂时下降，再加上在另一家机构开始后续随机对照试验(RCT)的后勤工作。这些因素的组合限制了本文所述可行性研究的潜在候选者的数量。

BAC虚拟康复组件被添加到参与者作为中风亚急性期患者在住院康复机构接受的SOC康复中。在3周的参与过程中，参与者进行了12次虚拟康复治疗和4倍的SOC治疗(物理治疗、职业治疗和语言治疗)。因此，不可能判断VR干预、SOC或自然恢复是否对他们的运动和认知领域的改善负责。然而，与SOC相比，BAC在游戏玩法上的改进，以及更高的训练强度(每分钟重复次数)。

其他在临床使用的机器人康复台，如bi - mani - track (HASOMED)。它的形状与BAC康复台的中心切口相似，虽然桌子只是水平的，双手训练是旋前和手指的屈伸。虽然Bi-Manu-Track没有VR组件，但它的电动执行器允许对受损手臂进行主动和被动训练，而BAC康复台只允许主动UE训练。

康复机器人研究界的一个悬而未决的问题是，当结果和成本进行比较时，机器人康复是否优于同等剂量和强度的SOC。其中一项研究将Bi-Manu-Track作为随机对照试验的一部分，对50名首次中风后处于亚急性期的患者进行了研究[ 40]。实验组接受包括Bi-Manu-Track在内的几种电子设备30分钟的训练，外加30分钟的个体化手臂治疗，每周5天，持续4周。对照组的个体化手臂治疗时间和频率相匹配。研究人员报告说，在Fugl-Meyer评估的前后收益方面，两组之间没有差异，机器人辅助的团体治疗承担了个体化手臂治疗费用的一半。

另一个悬而未决的问题是基于游戏的训练是否 添加到脑卒中亚急性期患者的SOC UE康复比单独使用SOC效果更好。Wang等的一项随机对照试验[ 41研究涉及中风后平均7.5周的个体，他们被平均分配到实验组(n=13)和对照组(n=13)。每组每天接受45分钟的职业治疗，每周5天，持续4周。实验组接受 额外的在相同的时间内，每天玩45分钟的游戏，而对照组每天接受同样长度的第二次职业治疗。一旦4周的实验干预完成，所有参与者继续进行一次45分钟的标准职业治疗，每周5天，持续4周。使用Wolf运动功能测试进行前后结果比较[ 42]的质量得分较高，Wolf运动功能测试时间明显短于对照组。

在最近一项针对中风后急性期和早期亚急性期患者的研究中[ 43]，研究人员报告了一项随机对照试验，其中7名参与者接受了SOC(职业治疗、物理治疗和语言治疗)，外加8次(每次1小时)的UE VR和机器人培训。对照组由6名仅接受SOC康复的参与者组成。前后比较显示实验组在Fugl-Meyer评估和手腕活动范围上的收益明显大于对照组。这项研究支持了在SOC中加入机器人和VR康复对中风后早期患者有益的观点。虽然这里提出的BAC案例研究没有与单独的SOC进行比较，但实验训练仍然对2名参与者有益。

本文提出的可行性案例研究是新型BAC系统的首次临床试验。实验训练可以很容易地由住院康复机构的门诊医生对中风后亚急性期患者进行，并使2名参与者受益。为了更好地确定增加BAC训练对SOC的影响，我们对卒中后急性期和早期亚急性期的参与者进行了一项随机对照试验。目前正在对该随机对照试验的数据进行分析，结果将在其他地方公布。

总而言之，该研究通过说明中风患者能够通过综合康复系统进行训练，从而获得不同程度的运动缺陷严重程度的UE运动功能，从而为科学状态做出了贡献。该领域的另一个关键贡献是，综合系统训练在情绪和认知方面的有限收益，这表明有和没有SOC的训练方案需要重新检查。对基于技术的康复训练系统的反应者和无反应者需要根据缺陷的严重程度来确定。

另一个重要的发现是，参与者喜欢BAC系统，并会推荐给其他人，他们的总体体验评分为79%(3.95分)。考虑到该系统相对新颖，老年人使用高科技，这是值得注意的。这项研究支持了越来越多的证据，表明老年人接受先进的康复技术，只要这些技术使用起来很直观[ 44- 46]。