基于腦機接口的電刺激訓(xùn)練對腦卒中患者上肢功能障礙康復(fù)的臨床研究

汪麗麗，張 穎，王春方，孫長城，李 萌，劉曉艷

腦卒中是全球第二大致死病因，也是致殘的主要原因之一[1]。據(jù)統(tǒng)計，中國每年新增腦卒中患者約240余萬，現(xiàn)有腦卒中幸存者1 100多萬，其中約80%為缺血性腦卒中患者[2]。大部分腦卒中患者（約80%）存在著不同程度的上肢功能障礙，常表現(xiàn)為上肢及手的肌張力異?；蚣o力、運動控制受損等，大大降低了患者日常生活的獨立性，也給患者家庭和社會帶來了巨大的經(jīng)濟負擔(dān)[3，4]?？祻?fù)治療可以有效地降低致殘率，幫助患者恢復(fù)機體殘存的功能[5]。目前，臨床上常用的物理治療、強制性運動療法等康復(fù)治療技術(shù)可以幫助患者恢復(fù)肢體功能，但大多治療要求患側(cè)肢體保留一些殘留的運動功能。然而，約20%～30%腦卒中患者因為嚴重的肢體運動功能障礙而不符合強制性運動療法或其他的康復(fù)策略[1]。對于這類患者來說，尋找新的、有效的康復(fù)療法是臨床上的首要任務(wù)。

基于腦機接口（brain-computer interface，BCI）的電刺激訓(xùn)練是一種中樞神經(jīng)干預(yù)新方法，通過設(shè)備收集患者運動想象任務(wù)下的大腦信號，并將其進行處理轉(zhuǎn)換成計算機指令，給予癱瘓肢體相應(yīng)的電刺激治療，建立起“中樞-外周-中樞”的閉環(huán)式康復(fù)訓(xùn)練模式，通過促進中樞重塑和外周控制，進而促進運動功能的恢復(fù)[6，7]。對于一些嚴重的肢體運動功能障礙患者來說，這是一項可以主動參與的治療方法，但在臨床上應(yīng)用較少且對患者肢體和大腦產(chǎn)生的康復(fù)效應(yīng)尚在探索。因此，筆者研究旨在探究基于BCI的電刺激訓(xùn)練結(jié)合常規(guī)康復(fù)治療對腦卒中患者上肢功能障礙的臨床療效，并基于腦電生理觀察治療前后患者腦電信號的變化，為治療和評估腦卒中后上肢功能障礙拓展新思路。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選擇2019年11月至2021年2月在天津市人民醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科進行康復(fù)治療的缺血性腦卒中上肢功能障礙患者40例，其中男性21例，女性19例；年齡61～78歲，平均年齡68.15歲（標準差5.32歲）；體質(zhì)量指數(shù)20.06～28.94 kg/m2，平均體質(zhì)量指數(shù)23.73 kg/m2（標準差2.53 kg/m2）；病程0.2～3.0個月，平均病程1.49個月（標準差0.82個月）；糖尿病13例；偏癱左側(cè)24例，右側(cè)16例。全部患者均符合《中國急性缺血性腦卒中診治指南》中缺血性腦卒中的診斷標準[8]，并經(jīng)頭顱CT或MRI檢查確診。

選擇標準：①首次發(fā)病，病程≤3.0個月；②年齡60～80歲，性別不限；③無顯著認知障礙，簡易精神狀態(tài)檢查評分≥21分；④上肢肌力≤2級，存在有嚴重的上肢運動功能障礙；⑤上肢和手Brunnstrom≤3期；⑥所有患者均簽署治療知情同意書。

排除標準：①嚴重認知功能障礙或精神疾病等原因?qū)е聼o法理解研究者指令，無法配合研究的患者；②有癲癇病史患者；③患有其他影響功能恢復(fù)的肌肉骨骼和神經(jīng)性疾病者；④嚴重心、肝、腎功能不全者。

選擇患者采用隨機數(shù)字法分為研究組（n=20）和對照組（n=20）。研究組男性9例，女性11例；年齡61～78歲，平均年齡69.05歲（標準差5.79歲）；體質(zhì)量指數(shù)20.06～28.94 kg/m2，平均體質(zhì)量指數(shù)23.84 kg/m2（標準差2.76 kg/m2）；病程0.2～3.0個月，平均病程1.40個月（標準差0.86個月）；糖尿病6例；偏癱左側(cè)13例，右側(cè)7例。對照組男性12例，女性8例；年齡61～78歲，平均年齡67.25歲（標準差4.78歲）；體質(zhì)量指數(shù)20.53～28.41 kg/m2，平均體質(zhì)量指數(shù)23.61 kg/m2（標準差2.30 kg/m2）；病程0.5～3.0個月，平均病程1.57個月（標準差0.77個月）；糖尿病7例；偏癱左側(cè)11例，右側(cè)9例。

兩組患者性別、糖尿病、偏癱側(cè)、年齡、病程、體質(zhì)量指數(shù)比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（χ2=0.902、0.114、0.417，F(xiàn)=1.099、1.042、0.609，P＞0.05）。

1.2 方法

1.2.1 治療方法

對照組：接受常規(guī)康復(fù)治療。①運動療法：翻身坐起訓(xùn)練、步行功能訓(xùn)練、各關(guān)節(jié)功能訓(xùn)練等，每次訓(xùn)練40 min。②作業(yè)療法：手功能訓(xùn)練、認知功能訓(xùn)練和日常生活活動訓(xùn)練（如吃飯、行走、穿衣、上下樓梯等），以提高患者獨立生活能力，每次訓(xùn)練30 min。1次/天，5天/周，持續(xù)4周。

研究組：在常規(guī)康復(fù)治療的基礎(chǔ)上加上基于BCI的電刺激訓(xùn)練。采用LSR-AII型BCI康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)（山東海天智能工程有限公司，中國）?；贐CI的電刺激訓(xùn)練包括離線訓(xùn)練（分類模型建立階段）和在線訓(xùn)練階段。治療前，對患者進行適應(yīng)性訓(xùn)練，離線采集患者運動想象任務(wù)下的腦電數(shù)據(jù)，同時對其進行預(yù)處理、特征提取及特征識別，之后得到患者運動想象的離線分類模型。治療時（在線訓(xùn)練），患者取坐位，戴上腦電帽，將電極片貼到患者腕背伸肌群?；颊吒鶕?jù)計算機屏幕的虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）動畫及語音提示下進行相應(yīng)的運動想象任務(wù)（主要是進行患側(cè)腕關(guān)節(jié)的屈伸運動想象訓(xùn)練）。采集并分析在線訓(xùn)練階段中患者運動想象任務(wù)下的腦電數(shù)據(jù)，并將其分析得到的特征送到離線分類器中得到識別結(jié)果，根據(jù)運動想象正確程度決定是否轉(zhuǎn)化為控制指令驅(qū)動功能性電刺激，若運動想象正確程度達到預(yù)先設(shè)置的觸發(fā)數(shù)值后，便會給予電刺激反饋于腕背伸肌群，幫助癱瘓肢體完成腕背伸動作，共治療20 min。1次/天，5天/周，持續(xù)4周。

1.2.2 腦電信息采集與處理

采用Neuroscan64導(dǎo)聯(lián)腦電放大器（Neuroscan公司，美國），1 000 Hz采樣率，電極按照國際標準導(dǎo)聯(lián)10～20電極系統(tǒng)位置安放62導(dǎo)聯(lián)，阻抗降至10 kΩ以下。在患者全身放松、清醒、安靜、閉眼狀態(tài)下采集腦電信號，記錄20 min。首先采用帶通濾波和獨立成分分析（independent component analysis，ICA）處理去除眼電、心電等干擾信號，之后利用快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）方法提取腦電信號的α波（8～13 Hz）絕對功率值，觀察治療前后大腦各導(dǎo)聯(lián)α波絕對功率值的變化。

1.2.3 判定標準及觀察指標

治療前及治療4周后，對兩組患者進行以下評估。①Fugl-Meyer評定量表上肢部分（Fugl-Meyer assessment-upper extremity，F(xiàn)MA-UE）評分：各單項無動作為0分，部分完成為1分，完成為2分。共33項，滿分66分。②Wolf運動功能評價量表（Wolf motor function test，WMFT）評分：共包含15項任務(wù)，每一項按照0（不能完成）～5（正常完成）分6個等級，滿分75分。分值越高，上肢功能越好。③上肢動作研究量表（action research arm test，ARAT）評分：共包括抓、握、捏和粗大動作4部分評定內(nèi)容，總分57分。分值越高，上肢功能越好。④改良Barthel指數(shù)（modified Barthel index，MBI）評分：共10項，包括進食、洗澡、穿衣、如廁、大小便、轉(zhuǎn)移等內(nèi)容，總分100分。得分越高，日常生活活動能力越好。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 23.0版統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。計量資料用均數(shù)±標準差表示，組內(nèi)均數(shù)比較采用配對樣本t檢驗，組間均數(shù)比較采用獨立樣本t檢驗；計數(shù)資料比較采用χ2檢驗，以例（%）表示。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組治療前后FMA-UE評分和WMFT評分比較

治療后，兩組FMA-UE評分和WMFT評分均較治療前顯著提高（P＜0.01），且研究組高于對照組（P＜0.05）。見表1。

表1 兩組治療前后FMA-UE和WMFT評分比較Tab.1 Comparison of FMA-UE and WMFT scores before and after treatment between 2 groups

2.2 兩組治療前后ARAT評分和MBI評分比較

治療后，兩組ARAT評分和MBI評分均顯著提高（P＜0.01）；研究組ARAT評分明顯高于對照組（P＜0.01），而MBI評分兩組差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。見表2。

表2 兩組治療前后ARAT評分和MBI評分比較Tab.2 Comparison of ARAT and MBI scores before and after treatment between 2 groups

2.3 兩組治療前后腦電α波絕對功率值比較

治療后，組間比較，研究組FP1、FP2、AF4、C1、C3、CZ、C4、P3、CP1、CP2、CP3導(dǎo)聯(lián)α波絕對功率值較對照組均顯著提高（P＜0.05）。組內(nèi)比較，研究組FP1、FP2、AF4、C1、C3、CZ、C4、P3、CP1、CP2、CP3導(dǎo) 聯(lián)α波絕對功率值較治療前均顯著提高（P＜0.01），而對照組各導(dǎo)聯(lián)α波絕對功率值未見明顯變化（P＞0.05）。見表3。

表3 兩組治療前后腦電α波絕對功率值比較 μV2Tab.3 Comparison of absolute power values of EEG alpha waves before and after treatment between 2 groupsμV2

3 討論

腦卒中后上肢運動功能障礙很常見，運動功能的恢復(fù)對患者來說至關(guān)重要。除了自發(fā)恢復(fù)外，癱瘓肢體的運動功能恢復(fù)在很大程度上依賴于結(jié)構(gòu)和功能水平上的神經(jīng)可塑性。研究證明，腦卒中后康復(fù)訓(xùn)練可以加強現(xiàn)有神經(jīng)通路中神經(jīng)元之間的連接，促進結(jié)構(gòu)和功能的可塑性[9,10]。因此，臨床上常采用各種康復(fù)手段促進患者受損神經(jīng)功能改善，其中功能性電刺激治療作為腦卒中患者常用的一種康復(fù)治療方法，通過被動刺激癱瘓肢體，促進周圍神經(jīng)肌肉的收縮與張力提高，從而促進癱瘓肢體功能的恢復(fù)。但是針對肢體的被動刺激，使患者無法主動參與其中，會影響患者治療的積極性，而且不能對患者大腦中樞進行直接的干預(yù)治療。而基于BCI的電刺激訓(xùn)練是一個“中樞-外周-中樞”的閉合訓(xùn)練模式，在治療中需要患者完成主動的運動想象任務(wù)，并且可以根據(jù)患者運動想象的正確程度給予相應(yīng)的電刺激反饋，使患肢產(chǎn)生實際的運動，從而強化感覺-運動回路，促進中樞重塑和外周控制，進而促進運動功能的恢復(fù)。同時，訓(xùn)練過程中反復(fù)的成功獎勵會激發(fā)患者的動機，調(diào)動患者治療的積極性，從而增強康復(fù)治療的效果。因此，相對于普通電刺激，基于BCI的電刺激訓(xùn)練既可提高患者的參與程度，又可對患者進行從中樞神經(jīng)到外周肌肉的閉環(huán)康復(fù)，具有較強的康復(fù)優(yōu)勢。

筆者研究結(jié)果顯示，治療4周后，兩組患者FMA-UE評分、WMFT評分、ARAT評分及MBI評分均顯著提高，且研究組評分改變較對照組更加顯著，提示基于BCI的電刺激訓(xùn)練可以促進腦卒中患者上肢功能的恢復(fù)?？赡艿脑蛉缦?。①基于BCI的電刺激訓(xùn)練結(jié)合了運動想象和電刺激，形成“中樞-外周-中樞”的一個閉合訓(xùn)練模式。訓(xùn)練時患者在虛擬環(huán)境中，通過語音、動作進行功能性交互訓(xùn)練，增加了康復(fù)訓(xùn)練的樂趣，提高了患者主動參與訓(xùn)練的意識，有利于提升康復(fù)治療的效果。②訓(xùn)練中需要患者完成相應(yīng)的運動想象任務(wù)，激活了相關(guān)的運動皮層，促進了大腦的功能重塑。③功能性電刺激對患側(cè)癱瘓肢體進行刺激后，促進了周圍神經(jīng)肌肉的收縮，提高了肌肉的張力，促進了血液循環(huán)，有助于運動功能的恢復(fù)。國外學(xué)者Tabernig CB等[11]對8例重度、慢性腦卒中患者進行了5周的腦機接口-功能電刺激（brain computer interface-functional electrical stimulation，BCI-FES）訓(xùn)練，每周4次，每次60 min。結(jié)果顯示，8例患者的FMA-UE評分較治療前均明顯提高，改良Ashworth痙孿量表評分、視覺模擬量表評分顯著下降，且肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)主動屈曲活動度明顯增加，提示BCI-FES治療對腦卒中患者的神經(jīng)康復(fù)有一定的促進作用，與筆者研究結(jié)果有較好的一致性。除了可以改善腦卒中患者的肢體功能障礙外，Chung EJ等[12]發(fā)現(xiàn)BCI-FES訓(xùn)練可以促進腦卒中患者大腦的腦區(qū)激活，提高患者的注意力。吳瓊等[13]對14例伴有中重度上肢功能障礙的亞急性期腦卒中患者進行了BCI綜合康復(fù)訓(xùn)練，治療4周后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MA-UE評分、ARAT評分、WMFT評分較治療前明顯提高，顳、額、枕、頂葉多個腦區(qū)間功能連接增強。以上研究結(jié)果提示BCI治療可以有效地改善卒中后上肢功能障礙，對大腦功能有一定的調(diào)節(jié)作用。

除了使用量表對腦卒中患者肢體功能的評估外，腦電圖（electroencephalogram，EEG）因為其對腦組織缺血的檢測的敏感性、無創(chuàng)性、實時性等優(yōu)點，在臨床上常作為腦卒中患者診斷和評估的手段[14]。腦卒中患者通常會出現(xiàn)異常的θ、δ波大幅增加和α波活性降低，而且EEG異常程度越大，患者預(yù)后越差[15，16]。李新宇等[17]對16例腦梗死急性期患者的腦電信號進行功率譜分析，發(fā)現(xiàn)患者出現(xiàn)單側(cè)α波頻段功率值降低，θ波和δ波頻段功率值增高。王曉梅等[18]發(fā)現(xiàn)美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表 （National Institute of Health Stroke Scale，NIHSS）評分和δ/α功率比值（delta/alpha power ratio，DAR）呈正相關(guān)，DAR越大，相應(yīng)患者的神經(jīng)功能預(yù)后越差。Dubovik S等[19]觀察到缺血性腦卒中患者受損傷的大腦區(qū)域和大腦其他部分之間的α波段振蕩的同步性下降，而且這種下降與患者的認知和運動功能具有相關(guān)性。以上研究提示，腦卒中患者的預(yù)后與α波有一定的關(guān)聯(lián)，α波絕對功率值的增加對于腦卒中患者大腦功能狀態(tài)的改善有益。筆者研究對患者靜息狀態(tài)下的腦電信號進行功率譜分析發(fā)現(xiàn)，治療4周后，研究組額葉前運動區(qū)、初級運動區(qū)、后頂葉區(qū)α波絕對功率值較治療前明顯提高，對照組各導(dǎo)聯(lián)α波絕對功率值未見明顯變化，提示基于BCI的電刺激訓(xùn)練對腦卒中患者運動相關(guān)功能腦區(qū)有激活作用，可以改善大腦的功能狀態(tài)。王美豪等[20]研究發(fā)現(xiàn)，大腦初級運動區(qū)主要與運動執(zhí)行相關(guān)，而前運動皮層、后頂葉皮層主要與運動準備有關(guān)。筆者研究α波絕對功率值升高所涉及腦區(qū)與此研究結(jié)果相一致，提示基于BCI的電刺激訓(xùn)練可能是通過調(diào)節(jié)大腦α波絕對功率值從而進一步改善患者的上肢功能障礙，α波絕對功率值與肢體運動功能有一定的相關(guān)性，有望成為腦卒中患者上肢功能的客觀評價指標，值得進一步研究。

綜上所述，基于BCI的電刺激訓(xùn)練聯(lián)合常規(guī)康復(fù)可有效改善缺血性腦卒中后上肢功能障礙，提高患者日常生活活動能力，大腦電信號有相應(yīng)改變，值得在臨床中推廣應(yīng)用。未來將增加研究時間和研究對象，并對出院后的患者進行回訪，以便進一步了解其長期治療效果。