综述：脑卒中后上肢运动障碍的闭环康复：从自然运动到神经元微流体 ics

本文聚焦脑卒中后上肢运动障碍的康复问题，提出闭环康复策略（P-UMR），整合机器人、运动感知等多领域技术，促进神经重塑。同时探讨了当前挑战及未来方向，有望为脑卒中康复带来新突破，推动该领域从经验走向精准医疗。

　　

一、引言

脑卒中是一种极具破坏性的疾病，常导致死亡或永久性残疾，约 80% 的患者会出现上肢运动障碍后遗症，且约 50% 的患者在发病四年后仍存在活动问题。尽管在脑卒中的预防、发病机制、治疗和康复等方面已取得进展，但由于各研究子领域相互孤立，进展较为缓慢。整合这些子领域对推进脑卒中康复至关重要，例如神经再生和脑可塑性的突破推动了机器人辅助系统的发展，运动传感与神经电子学的融合有望实现实时调整康复方案。本文提出一种创新的闭环康复策略，旨在整合多个子领域，改善脑卒中后上肢运动康复效果。

二、脑卒中后的大脑

1. 脑卒中的发生机制：脑卒中是由于脑血管突然破裂或堵塞，导致脑部血液供应中断，进而使脑细胞缺氧、缺乏营养，最终造成细胞死亡和脑功能受损。缺血性脑卒中可分为核心区（不可逆损伤的梗死灶）和半暗带区（血流减少较少的区域，占总病变体积的一半）。脑卒中治疗的首要目标是快速恢复脑血流，这是后续神经保护和康复的前提，而恢复过程中神经细胞的可塑性起着关键作用。
2. 大脑成像方式：神经成像对于了解脑卒中后的大脑至关重要，目前主要的神经成像方法基于磁共振技术。其中，磁共振成像（MRI）和功能磁共振成像（fMRI）能生成高分辨率的内部结构图像，fMRI 在功能脑成像和研究方面更具优势，它通过测量血氧水平依赖信号的变化来反映神经活动。此外，MRI 衍生技术如静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）、扩散加权成像（DWI）和扩散张量成像（DTI）等也是重要的研究工具。然而，MRI 及其衍生技术在及时诊断方面存在局限性，便携性成为未来研究的重点。
3. 神经元的特征反应：脑卒中后神经细胞会经历一系列反应，如氧化应激、炎症反应、兴奋性毒性、神经递质紊乱，最终导致细胞损伤（凋亡、坏死、自噬等）。这些反应伴随着神经细胞形态、产物和细胞外物质的变化。例如，细胞能量供应不足会破坏细胞内离子平衡，导致神经元细胞体积增大和膜变形；凋亡是神经元细胞损伤的典型现象，Ca2+在其中起关键作用；细胞自噬是分解和回收细胞器及细胞质大分子的过程，缺血缺氧会诱导神经元细胞发生自噬；铁死亡是一种新发现的非凋亡性细胞死亡形式，会导致神经元细胞线粒体萎缩等变化。
4. 神经可塑性：神经可塑性是神经系统对环境变化、技能获取和病理状况进行结构和功能适应的固有能力，是脑卒中后功能恢复的关键机制。尽管在神经可塑性研究方面取得了一些进展，但将实验结果转化为有效的临床干预仍面临诸多挑战，如动物模型与人体的差异、患者个体差异大以及研究技术的局限性等。

三、上肢康复机器人（ULrr）

上肢康复机器人在促进脑卒中后运动恢复和神经可塑性方面发挥着重要作用。它集成了仿生机械结构、驱动系统、多模态传感器等多种技术组件，可分为末端驱动和外骨骼两种类型，外骨骼型在恢复自然运动和适应生理特征方面表现更优。根据驱动形式，ULrr 又可细分为电机驱动、气动驱动和弹性驱动，每种类型在临床应用中都有其独特的优缺点。多项研究表明，ULrr 与运动学习、视觉反馈等相结合，能显著提高脑卒中患者上肢的 Fugl-Meyer 评分、日常生活能力和运动功能，增加感觉运动皮层的激活，减少半球间抑制。

四、上肢运动传感与测量

1. 上肢运动传感：上肢运动传感是闭环康复策略的关键组成部分，涉及监测上肢运动的位置、速度、加速度、表面肌电图（sEMG）和脑电图（EEG）等。常用的运动传感技术包括光学运动捕捉系统、惯性测量单元（IMU）、深度相机、sEMG 和 EEG 等，它们各自具有优缺点。例如，光学运动捕捉系统精度高，但价格昂贵且适用环境有限；IMU 轻便、便携，但运动数据范围有限；深度相机部署方便、成本低，能捕捉丰富运动数据；sEMG 可实时获取肌肉激活数据，但对电极放置敏感；EEG 能追踪神经可塑性和运动意图，但空间分辨率低且易受干扰。近年来，生物电子学的发展推动了基于 EEG 和 sEMG 的运动传感技术的进步，新型传感器不断涌现，提高了监测和分析肌肉活动的能力。
2. 上肢运动测量指标：上肢运动测量指标用于定量评估运动，包括量表、运动学指标、基于信号的指标和基于模型的指标等。传统的量表评估具有主观性，无法参与自动化过程。运动学指标能敏感地量化上肢运动质量，国际生物力学学会（ISB）为其提供了统一标准。基于信号的指标主要通过 sEMG 和 EEG 进行定量分析、评级和模式识别，肌肉协同理论（MST）在其中得到了广泛应用，机器学习也被用于上肢运动模式识别。基于模型的指标通过对上肢进行参数化和数学建模，实现对上肢运动的精确量化，但由于上肢运动的复杂性，相关研究相对较少。

五、神经元微流体 ics 和电子学

1. 电神经刺激的临床意义：电刺激是康复医学中的常规治疗方法，在脑卒中后上肢运动障碍的康复中具有重要意义，主要分为功能性电刺激（FES）和神经电刺激。神经电刺激能促进神经可塑性和增强神经连接，其中迷走神经刺激（VNS）和经颅电刺激（TES）在改善脑卒中患者上肢运动功能方面表现出良好的效果，相关研究证实了它们的治疗潜力和神经机制。
2. 神经元微流体 ics（NMs）：神经元微流体 ics 是微流体 ics 在神经科学研究中的应用，通过设计和制造具有微尺度通道和 chambers 的设备，模拟大脑的结构和功能复杂性。NMs 主要有 2D 和 3D 两种结构配置，能实现对神经元的监测、操纵和相互作用，与电刺激相结合，可用于模拟脑卒中损伤和测试治疗干预措施。在生理建模方面，通过控制结构、微环境和生物材料，可开发具有不同功能的 NMs；在体外脑卒中建模中，NMs 能精确复制脑卒中后的生理条件，研究神经损伤和修复机制；在电路设计方面，NMs 的电生理学研究包括细胞外测量和记录以及对神经细胞的电刺激，相关技术不断发展，为神经科学研究提供了有力工具。

六、展望与未来方向

1. 闭环康复策略：本文提出的闭环康复策略（P-UMR）整合了机器人、运动感知、测量指标、神经元微流体 ics 和神经电子学等多个领域，通过精确分析和解码自然上肢运动，实现康复干预的动态监测和优化。该策略以大脑成像和神经细胞为基础，各子领域相互协作，有望提高康复效果。
2. 未来挑战与方向：未来，需要开发快速、精确和小型化的诊断工具，用于实时监测脑卒中影响的脑区；优化 ULrr 系统，使其更轻便、模块化和开源；提高运动传感技术的准确性和标准化；推进神经元微流体 ics 和神经电子芯片的发展，更好地模拟脑卒中微环境；加强跨学科合作，加速实验成果向临床应用的转化。通过这些努力，有望实现更精准、个性化的脑卒中康复治疗，提高患者的生活质量。