腦機接口控制的功能性電刺激對腦卒中患者上肢功能障礙的康復效果

唐千乇，張通

1.首都醫(yī)科大學康復醫(yī)學院，北京市 100068；2.中國康復研究中心北京博愛醫(yī)院，北京市100068通訊作者：張通，E-mail：tom611@126.com

腦卒中遺留嚴重功能障礙，提高腦卒中患者患側(cè)肢體運動功能，尤其是改善上肢功能，促進患者生活質(zhì)量的提高，是康復治療研究和實踐的難點、重點。由于中樞運動神經(jīng)通路受損，患者相應的軀干、肢體運動能力下降或消失，嚴重影響日?；净顒印ＤX機接口(brain-computer interface,BCI)技術的推廣獲得了康復醫(yī)學界的重視，為運動障礙康復提供了新的思路。

運動想象[1]是在實際運動沒有發(fā)生的情況下，內(nèi)心排演、模擬特定動作，激活相應的運動神經(jīng)通路，從而提高癱瘓肢體運動功能。有研究表明[2]，運動想象可改善腦卒中后運動功能障礙、吞咽功能障礙等；但在實際應用中，運動想象難以被廣泛推廣，重要原因是想象過程難以被醫(yī)師或治療師監(jiān)督，缺乏直觀的方法用于判斷患者是否有效完成運動想象任務。腦機接口技術的出現(xiàn)彌補了這一技術空缺。目前認為，運動想象應是有針對性地從功能訓練活動中選擇出一些動作，結合計算機予以實施[2-3]。腦機接口[4]成功地為運動想象過程進行實時監(jiān)控、測量及反饋，近年來在腦卒中肢體運動功能康復中迅速發(fā)展[5-8]。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2019 年7 月至2020 年11 月期間，北京博愛醫(yī)院神經(jīng)康復科住院的發(fā)病3 個月內(nèi)的腦梗死并伴有上肢運動功能障礙的患者。

納入標準：①18～80 歲，男女不限，右利手；②診斷為腦梗死，首次發(fā)作，梗死灶在大腦左半球；③體征平穩(wěn)，病情穩(wěn)定，超過48 h 以上；④患側(cè)上肢和手的Brunnstrom 分期Ⅲ～Ⅳ期；⑤認知功能正常，簡易精神狀態(tài)檢查(Mini-Mental State Examination,MMSE)評分＞26分，視力正?；虺C正后正常；⑥同意并簽署參與本研究的知情同意書。

排除標準：①數(shù)次梗死、腦出血；②患側(cè)肌張力較高(改良Ashworth 分級＞2 級)或疼痛(視覺模擬量表＞4 分)；③腦卒中后抑郁(漢密爾頓抑郁量表＜7 分)；④嚴重注意、視覺及交流障礙或其他干擾研究目的的體征；⑤其他神經(jīng)、精神疾病、癲癇病史。

共納入34 例，其中男性23 例，女性11 例，采用隨機數(shù)字表法分為對照組(n=17)和試驗組(n=17)。兩組性別、年齡、病程和MMSE評分均無顯著性差異(P＞0.05)。見表1。

表1 兩組一般資料比較

本實驗經(jīng)中國康復研究中心醫(yī)學倫理委員會批準(No.2019-81-1)，患者知曉實驗的過程及研究意義。

1.2 方法

兩組均進行綜合治療，包括關節(jié)、肌肉訓練、神經(jīng)促進技術、日常生活動作訓練等。

對照組進行單純功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)。選取橈側(cè)腕長、短伸肌和尺側(cè)腕伸肌[9]作為刺激部位，評價患側(cè)上肢的肌張力和運動功能。刺激強度：頻率35 Hz，脈寬200 μs，電流強度8 mA，在0～100 mA 之間可調(diào)節(jié)，刺激持續(xù)5 s，休息10 s，參數(shù)的調(diào)節(jié)以出現(xiàn)目標動作為標準。

試驗組進行腦機接口控制的FES，步驟如下。①系統(tǒng)(腦電和FES)的佩戴和準備，同時由康復師對訓練流程和要點進行講解；②進行靜息態(tài)腦電采集5 min，其中睜眼3 min，閉眼2 min；③進行右側(cè)上肢運動想象訓練5 min，以第一人稱想象50 次；④進行運動想象-FES 反饋訓練20 min (50 次，分2 組，每組25 次，組間休息2 min；每個練習包含視聽覺引導2 s，想象5 s，F(xiàn)ES 刺激4 s 和聲音反饋，休息2 s；運動想象正確給予FES反饋，錯誤則無FES反饋)。

每次30 min，每個工作日1 次，每周5 次，持續(xù)4周。

1.3 評價指標

1.3.1 患側(cè)肘關節(jié)反應時間

反應時間通過Telemyo 2400T 表面肌電系統(tǒng)(美國Noraxon 公司)測量。將一次性電極置于肱三頭肌肌腹上，用酒精清潔皮膚。在反應時間評估中，受試者在刺激視覺信號發(fā)出前2～3 s 給予口頭提示“準備”。受試者被要求對視覺信號做出反應，盡可能快地伸展肘關節(jié)。通過用鋁板接觸前臂上的電極來打開和關閉信號。在主動伸肘開始時，電極與鋁板失去接觸，并記錄信號。肌電信號和肘關節(jié)伸展的開關信號在表面肌電系統(tǒng)顯示器上同步顯示，計算差值即為反應時間。每次測量進行3次，取平均值[10]。

1.3.2 肘關節(jié)位置覺誤差

在肘關節(jié)位置覺誤差測試中，使用BioVal 4.51 角度測量系統(tǒng)(法國RMInginerie公司)。固定臂和活動臂分別為肱骨和橈骨的縱軸，計算機記錄肘關節(jié)的伸展角度。受試者被要求閉上眼睛，檢查者先檢查患者的最大屈曲和伸展角度，在此范圍之內(nèi)，測試者將受試者的肘關節(jié)伸展成任意角度。然后，受試者的肘關節(jié)完全屈曲，并要求他們以與最初伸展時大致相同的角度伸展肘關節(jié)。記錄肘關節(jié)伸展角度的誤差。每次測量進行3次，取平均值[11]。

1.3.3 Fugl-Meyer 評定量表上肢部分(Fugl-Meyer Assessment-Upper Extremity,FMA-UE)

FMA-UE 分為4 個部分，包括近端肢體、腕、手和整體協(xié)調(diào)能力，共計33 小項(其中近端肢體18 項，腕5 項，手7 項，協(xié)調(diào)能力3 項)，每小項2 分，總分66分。

1.3.4 改良Barthel指數(shù)(modified Barthel Index,MBI)

MBI涉及10個部分，每個部分10分，共100分。

1.3.5 事件相關去同步化(event-related desynchronization,ERD)強度

對腦電信號進行記錄和分析。①去偽跡。去除腦電信號中的干擾電信號，如肌電、眼電和心電等。②濾波。用濾波器去除外界干擾噪聲來更好地觀察ERD強度，腦電信號濾波后頻率為8～30 Hz。③基線校準。將C3 導聯(lián)想象任務前2 s 靜息狀態(tài)下能量均值作為基礎值，運動想象期間4 s的能量均值減去基礎值[12]，使用Matlab軟件計算出ERD強度百分比[13]。

1.4 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 21.0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學分析。計量資料服從正態(tài)分布，以()表示，兩組比較采用二元方差分析；不服從正態(tài)分布的計量資料、等級資料采用非參數(shù)檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結果

治療后，兩組患側(cè)肘關節(jié)的反應時間、肘關節(jié)位置覺誤差、FMA-UE、MBI評分和ERD 強度均明顯改善(P＜0.01)，且試驗組均優(yōu)于對照組(P＜0.05)。見表2～表6。

表2 兩組治療前后患側(cè)肘關節(jié)反應時間比較(ms)

表3 兩組治療前后患側(cè)肘關節(jié)位置覺誤差比較(°)

表4 兩組治療前后FMA-UE評分比較

表5 兩組治療前后MBI評分比較

表6 兩組治療前后ERD強度比較(%)

3 討論

腦卒中后患側(cè)上肢功能障礙是較常見的癥狀。有研究表明[14]，運動想象療法與功能訓練相結合，可以增強患者對有意義活動的執(zhí)行能力，促進患側(cè)上肢功能的恢復。Ramos-Murguialday等[14]發(fā)現(xiàn)，慢性重度腦卒中患者(病程＞6 個月)接受腦機接口治療6 個月后手臂功能持續(xù)改善，且優(yōu)于運動療法治療；提示對于慢性重度腦卒中患者而言，腦機接口訓練能夠有效地促進與功能改善相關的皮質(zhì)重塑，誘發(fā)運動功能的持續(xù)恢復。Page 等[15]發(fā)現(xiàn)，對慢性腦卒中患者進行物理療法結合運動想象治療，可以改善腦卒中患者的患側(cè)上肢功能。劉小燮[16]對4 例慢性腦卒中患者研究發(fā)現(xiàn)，相較單純FES訓練，腦機接口-FES訓練能更好地促進大腦皮層以及皮層下神經(jīng)元重塑，更好地改善患者上肢功能，且效果保持時間更長。Cervera 等[17]的Meta分析表明，腦機接口訓練對腦卒中患者上肢功能的改善有中等或較大影響。

Alpha 波段的ERD 反映大腦皮層神經(jīng)元興奮性，因此本實驗通過研究ERD強度，來探究腦機接口控制的FES 對于腦卒中患者的上肢功能運動改善的腦部機制[18]。

電流能引起包括神經(jīng)元在內(nèi)的易興奮細胞的反應。FES 是利用低頻電刺激仍受神經(jīng)支配的癱瘓肌肉，引發(fā)相應肌肉收縮，并可產(chǎn)生功能性運動(站立、行走、抓取)[19]。FES 可以幫助腦卒中患者增加肌肉力量，改善肩關節(jié)半脫位(脫位)以及降低肌肉張力，從而增強癱瘓側(cè)肢體功能[20]，促進患者的生活自理，降低致殘率[21]。

腦機接口-FES治療形成了自中樞向外周的主動訓練模式和自外周向中樞的被動訓練模式。腦機接口治療是中樞干預治療，腦機接口治療可促進受損傷腦神經(jīng)代償或恢復，激活大腦的神經(jīng)可塑性[22-23]。從中樞向外周，患者能夠主動參與康復訓練，運用大腦較強的運動意圖來完成運動想象任務，使用腦機接口技術刺激相應的大腦皮層，促進中樞神經(jīng)系統(tǒng)重構，并通過脊髓和外周神經(jīng)向肢體發(fā)送控制肢體運動的信號。從外周向中樞，包括聽覺和觸覺兩種不同的反饋方式，患者可以根據(jù)反饋對運動想象進行有效的監(jiān)控、激勵和糾正。聽覺反饋是在患者完成腦機接口系統(tǒng)要求的運動想象任務后，系統(tǒng)給予相應的聲音反饋，用于激勵患者或者糾正患者錯誤的運動想象過程。觸覺反饋是在患者完成運動想象任務后，使用FES 刺激患者患側(cè)上肢，興奮外周神經(jīng)，加強肢體血液循環(huán)，改善營養(yǎng)供給。聽覺和觸覺反饋共同形成外周反饋，誘導機體和大腦形成閉合回路，促進“中樞-外周-中樞”刺激環(huán)路的形成[24]，增強患者上肢功能康復。這符合本實驗的研究結果，受試者經(jīng)過4 周治療后，試驗組無論是中樞神經(jīng)元的興奮性，還是外周肢體功能以及生活能力都有提高，并且優(yōu)于對照組。

注意力高度集中是腦機接口治療的顯著特征，不論FES 還是腦機接口均已被證實可促進中樞神經(jīng)系統(tǒng)重塑。將腦機接口和FES 技術進行整合形成一種新的康復訓練系統(tǒng)，既符合運動學習的原則，又可誘發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重塑；既可應用于具有較好運動功能的患者，又可實現(xiàn)對嚴重癱瘓患者的康復治療，擁有巨大潛力[25]。

本研究僅采用腦電來探究腦機接口治療腦部機制，由于腦脊液、顱骨以及腦皮層表面的復雜結構，對腦電圖的波形會有干擾，因此，ERD 并不是顯示腦部神經(jīng)元興奮性的一個十分完善的評價方法[26]，接下來可借助腦功能成像技術[16]，進一步對腦部機制探究。此外，還需要更大量的樣本驗證結論。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。