孔翎宇，楊 涵，楊建偉，俞 超，王金武*，高漢義

（1.濰坊醫(yī)學院康復醫(yī)學院，山東濰坊， 261053；2.上海交通大學生物醫(yī)學工程學院，上海， 200011；3.上海市骨科內(nèi)植物重點實驗室，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院骨科，上海， 200011；4.濰坊醫(yī)學院附屬醫(yī)院康復醫(yī)學科，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］。痙攣會增加上肢畸形的發(fā)病率，影響患者下肢運動功能、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 康復指南（2015年版）強調(diào)，選擇適當?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、建立正常的運動、防止畸形進一步加重和提高患兒的日常生活能力會起到重要作用［5］。

1 痙攣型CP 兒童上肢矯形器的設計理念

痙攣型CP 兒童上肢畸形由肌骨畸形與動作畸形兩部分組成，肌骨畸形的出現(xiàn)與上運動神經(jīng)元非進行性損傷引發(fā)的牽張反射亢進密切相關(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 患兒上肢運動呈非對稱性，伴有聯(lián)合反應與共同運動，一般6 個月后顯現(xiàn)癥狀，1 歲后有明顯差別，手部靈活性與握力會隨患兒發(fā)育改善，但上肢整體的運動模式無法在短時間內(nèi)自行調(diào)整，最終拖延精細運動出現(xiàn)時間與上肢發(fā)育速度，產(chǎn)生動作畸形［7～9］。CP 患兒上肢矯形器的設計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)鍵點進行針對性控制，從而降低患兒上肢張力，引導正確的運動模式。

2 痙攣型CP 兒童上肢矯形器分型與評價

2.1 腕手矯形器

腕關(guān)節(jié)過度屈伸會嚴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)活動的基礎上，將患手固定于功能位并控制拇指運動，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］。工作機制上，WHO 主要利用生物力學效應，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)佩戴后肢體活動范圍，可將WHO 分為靜態(tài)與動態(tài)兩類，靜態(tài)WHO 設計應用較為簡單便捷，主要用于解決肌骨攣縮畸形，利用低溫熱塑板根據(jù)患者上肢畸形情況進行個性化設計，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 個月后患兒肢體ROM 與完成目標任務的能力均有提高。但靜態(tài)WHO 的缺點十分明顯，短時間應用并不能立刻提高手指抓握與完成其他功能性任務的能力，患兒需在靜止狀態(tài)下長時間佩戴才能實現(xiàn)上肢功能恢復，因此多在夜間睡眠時進行使用，具有較大的局限性［6，15］。

動態(tài)WHO 兼顧支持力與靈活性，在保證患者隨意運動時穩(wěn)定性的基礎上適當減輕對腕關(guān)節(jié)施加的固定壓力，手指上方與腕部固定點間增設聯(lián)動裝置以允許手指完成部分活動。Burtner 等［16］令CP 患兒佩戴動態(tài)或靜態(tài)WHO 后依次從釘板中取下9 個直徑1 英寸，長3 英寸的圓釘，分數(shù)以取下9 個圓釘?shù)乃钑r間為準，并結(jié)合運動時的肌電圖（electromyogram,EMG）表現(xiàn)進行綜合對比。結(jié)果顯示CP 患兒使用動態(tài)WHO 時握力與靈活性有明顯提升，可獨立完成一些簡單的功能性活動；使用靜態(tài)WHO 時腕部與前臂肌群EMG 激活程度明顯下降，長時間使用可能引發(fā)前臂肌群萎縮，此外肩胛肌群代償性募集更為明顯，提示運動模式異常程度加重。因此從功能恢復的角度來看動態(tài)WHO 的使用限制相對較少，對CP 患兒有更大價值，但受制于較為落后的設計方式與治療理念，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)進行設計的軟質(zhì)支具，穿戴時覆蓋面積較大可涵蓋多個關(guān)節(jié)。SG 工作機制是生理和生物力學效應的結(jié)合，軀體緊密貼合的壓力區(qū)域可增加本體感覺輸入，同時壓力大小與壓力施加時間呈動態(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，因此又被稱作“動力彈性纖維”。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，實驗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，上肢功能性活動能力得到改善。

動力彈性纖維在實際應用時也存在一定問題，彈性回縮力會導致患兒完成一些日常動作如下蹲、彎腰時出現(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行個體化調(diào)整，Elliott 等［20］設計的SG 從手腕延伸覆蓋至腋窩，針對性干預CP 患兒上肢。8 名CP 患兒接受為期3 個月治療，每天6 h，每周5 d，治療后患兒的運動模式得到糾正，不隨意運動所占時間比有顯著改善。

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)時間段進行穿戴，在此期間相對靈活的完成日常任務。但SG 對制成材料有嚴格要求，目前尚無相關(guān)研究證明其他材質(zhì)可替代動力彈性纖維，對其未來發(fā)展有一定局限。此外SG 也缺乏對患兒動作的正確引導，治療效果尤其是對精細動作的改善仍待進一步觀察。

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)鍵時刻，傳統(tǒng)矯形器多從生物力學層面解決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 患兒的運動功能康復具備運動學習特點，正確的動作訓練實現(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性訓練，而是基于個人病情精準設定的訓練任務，即結(jié)構(gòu)化訓練［22］。外骨骼矯形器（exoskeletal orthosis,EO）又稱外骨骼機器人，在控制模塊內(nèi)預先進行運動學分析和運動軌跡規(guī)劃仿真后，生成的訓練模式可引導中樞神經(jīng)損傷患者的上肢按正確順序完成功能性任務［23］。EO 的應用能更好的引導動作重建，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)果分析前臂運動的正常軌跡，幫助患者完成肘關(guān)節(jié)屈伸運動；Holley等［25］模塊化設計的EO 可先行分析患兒上肢運動受限程度，輔助患兒依次完成腕關(guān)節(jié)屈伸與前臂旋前旋后任務。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，訓練的目標動作較為有限。

便攜式EO 體積精簡易在院外開展治療，Bützer等［26］設計的便攜式EO 由手部模塊與設備控制模塊兩部分構(gòu)成，手部模塊可基于預定程序?qū)δ粗高\動進行重點控制，完成功能性任務時可配合其余四指屈曲完成抓握等動作，指尖力量可達到5 N，使患兒完成端起500 ml 水杯等日常動作，對建立正確的上肢運動模式，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 應用于下肢時可將骨盆作為運動的近端固定點，承載運動負荷與設備重量。雖然便攜式EO 也可選擇上中段胸椎作為負重點，但患兒脊柱尚未發(fā)育成熟強度較低，長期佩戴可能引發(fā)胸曲加大、心肺功能發(fā)育障礙等負面問題，而設備高昂的成本也是限制其實際應用的重要原因。

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 打印矯形器可同時改善患兒手腕部運動時的靈活性與穩(wěn)定性，對控制神經(jīng)損傷引發(fā)的肢體運動障礙有著特殊幫助［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 打印機制造矯形器，在通常狀態(tài)下CP 患兒完成目標動作的時間為295.2 s，佩戴矯形器后時間為237.2 s，證明患者上肢不隨意運動得到有效控制，其中完成精細運動耗費的時間縮短了69.3 s、舉起物體的維持時間增加了8.9 s，提示動作精準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，可減少因設計誤差導致的皮膚磨損，提供更舒適合身的外觀設計，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)地較低溫熱塑板材柔軟利于患兒長時間穿戴。近年來有學者提出，運動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備，根據(jù)上肢功能進行針對性調(diào)整。有學者在矯形器內(nèi)部加裝肌電信號控制儀，利用捕獲的肌電信號作為控制裝置的輸入依據(jù)，增強中樞神經(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 缺少客觀設計指標

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。CP 患兒上肢矯形器設計時需確定明確的治療目標［15］，并將客觀監(jiān)測結(jié)果納入?yún)⒖紭藴?。運動分析系統(tǒng)可收集患兒完成上肢前伸、側(cè)伸、手指對嘴等動作時各關(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動功能及生物力學表現(xiàn)進行評估，相較于EMG 測試更加全面?；谥w運動角速度研發(fā)的三軸加速度計使用較為便捷，可佩戴于身體各個部位并準確記錄干預效果［32］，Beani 等［33］將三軸加速度計Actigraph?GT3X+固定在CP 患兒手腕處，結(jié)合患兒完成書寫、繪圖等任務時的表現(xiàn)分析上肢活動特點，對患手功能進行定量評估。這些數(shù)據(jù)能幫助研究人員分析矯形器的設計缺陷并做出對應調(diào)整，實現(xiàn)改善患兒生活自理能力的最終目標。

3.2 日常穿戴時間不足

患者出院后棄用矯形器或穿戴時間不足是導致治療中斷、療效無法得以維持的主要原因，治療人員應對出院后患兒的矯形器佩戴時間進行科學評估，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間的參考。此外定期復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過多時間。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)部置入傳感設備，通過app 匯總患者的每日使用情況，幫助治療人員實時掌握矯形器使用情況并預測最終治療結(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周期有著很大幫助，但國內(nèi)治療人員與家長在康復干預時仍將提高CP 患兒軀體轉(zhuǎn)移能力作為首選目標，使得下肢矯形器的普及率遠高于上肢矯形器，而設計理念的落后與規(guī)范化引導的缺失也令上肢矯形器的實際治療效果遠不如預期。近年來電子設備與人工智能的應用為新型矯形器的創(chuàng)新設計提供了更多參考，結(jié)合患兒上肢解剖特點與運動模式設計的上肢矯形器將為患兒提供更加精準的個體化訓練，通過3D打印結(jié)合肌電刺激的個性化智能云康復上肢矯形器是未來的主要發(fā)展趨勢。