基于鏡像療法的腦機(jī)接口技術(shù)在腦卒中患者上肢功能康復(fù)中的應(yīng)用*

頓華帥,郭航天△,李洪艷,徐付國(guó),朱偉偉

(1.徐州市中心醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,江蘇徐州 221009;2.江蘇醫(yī)藥職業(yè)學(xué)院附屬徐州市康復(fù)醫(yī)院康復(fù)科,江蘇徐州 221010)

腦機(jī)接口(brain-computer interface,BCI)技術(shù)近年來(lái)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,作為新一代的人工智能技術(shù),它明顯優(yōu)于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等智能技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)智能技術(shù)相比,BIC技術(shù)直接作用于大腦獲取生物信號(hào),不依賴于周圍神經(jīng)、肌肉等正常傳導(dǎo)輸出通路,可以使神經(jīng)功能異常或肌肉部分正常的患者完成指定工作,并結(jié)合反饋訓(xùn)練促進(jìn)大腦的功能重組,這使得BCI在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注[2-3]。BCI可分為4個(gè)部分[4],分別是信號(hào)采集、信號(hào)處理、解碼翻譯和設(shè)備控制,其中信號(hào)采集和設(shè)備控制部分是BCI技術(shù)的關(guān)鍵。目前,信號(hào)采集的方式有兩種[5],一種是植入性BCI,該方法能有效記錄腦電活動(dòng),信號(hào)持續(xù)強(qiáng)、分辨率高,但手術(shù)植入風(fēng)險(xiǎn)大,容易繼發(fā)感染;另一種是非植入BCI,雖然降低了安全風(fēng)險(xiǎn),但分辨率低,抗干擾能力差,但近幾年隨著功能性磁共振成像技術(shù)、表面腦電圖等技術(shù)的發(fā)展,非植入BCI信號(hào)接收能力得到不斷提高[5],成為目前最常用的BCI信號(hào)采集方式。設(shè)備控制是指BCI中通過(guò)大腦皮質(zhì)激活發(fā)出信號(hào)傳遞給外部設(shè)備,進(jìn)而改善患者運(yùn)動(dòng)功能的環(huán)節(jié),它同時(shí)還承擔(dān)了患者接收視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)刺激后對(duì)大腦活動(dòng)反饋的作用,這種反饋會(huì)進(jìn)一步刺激大腦以糾正訓(xùn)練,使大腦皮層的刺激趨于正常狀態(tài),從而達(dá)到康復(fù)目的[6]。由此可知,大腦皮質(zhì)的激活是BCI技術(shù)的關(guān)鍵,它不僅影響了信號(hào)的獲取,也影響了康復(fù)動(dòng)作的反饋。因此,如何刺激大腦皮質(zhì)以增加信號(hào)強(qiáng)度是BCI應(yīng)用于臨床的關(guān)鍵。

鏡像療法最早由RAMACHANDRAN在1996年應(yīng)用于上肢截肢患者的幻肢痛,經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展,鏡像療法已經(jīng)被應(yīng)用于多種肢體功能障礙性疾病的康復(fù)治療中[7-8]。meta分析顯示,鏡像療法可在一定程度上改善患者的患側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)功能[9],是康復(fù)治療中有效的方法之一。另有研究顯示,接受鏡像治療的患者其大腦皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)處于活躍狀態(tài),這加強(qiáng)了BCI接收信號(hào)的能力[10]。本研究嘗試將鏡像治療和BCI技術(shù)相結(jié)合用于腦卒中患者的上肢康復(fù),取得了一定的效果,現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2021年1-10月在徐州市中心醫(yī)院康復(fù)科住院的腦卒中康復(fù)患者25例。納入標(biāo)準(zhǔn):(1)年齡18～80周歲;(2)符合腦卒中診斷標(biāo)準(zhǔn),首次發(fā)生腦出血和/或腦梗死,發(fā)病時(shí)間≤3個(gè)月,患者無(wú)認(rèn)知障礙和語(yǔ)言障礙,可以配合康復(fù)師完成治療,且既往未接受過(guò)鏡像治療;(3)患者存在不同程度的上肢功能障礙。排除標(biāo)準(zhǔn):(1)腦卒中病情不穩(wěn)定或經(jīng)醫(yī)生評(píng)估后不能完成治療的患者;(2)合并嚴(yán)重肝、腎衰竭的患者;(3)存在精神疾病無(wú)法在治療中配合醫(yī)生的患者。按照住院順序和隨機(jī)數(shù)字表將患者分為觀察組13例和對(duì)照組12例。觀察組采用基于鏡像療法的BCI技術(shù)進(jìn)行干預(yù),對(duì)照組采取常規(guī)的康復(fù)治療。在為期8周的康復(fù)過(guò)程中,觀察組共退出1例,對(duì)照組退出2例。因此,本研究共22例患者完成治療過(guò)程,其中觀察組12例,對(duì)照組10例。本研究經(jīng)徐州市康復(fù)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(XK-LW-20211027-002),所有患者均簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1治療方法

22例患者在住院后均進(jìn)行常規(guī)的腦卒中康復(fù)訓(xùn)練,在此基礎(chǔ)上,觀察組患者采用基于鏡像療法的BCI技術(shù)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。具體方法:(1)鏡像療法刺激患者大腦皮質(zhì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)信號(hào)。本階段讓患者熟練掌握鏡像治療的方法以刺激大腦皮質(zhì),患者將雙上肢置于雙腿,雙腿中央放置一面鏡子,鏡面對(duì)應(yīng)于患者的健側(cè)上肢,讓患者雙側(cè)上肢均進(jìn)行運(yùn)動(dòng),并使患者注意力關(guān)注鏡子內(nèi)的肢體運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)程度由簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐漸過(guò)渡,由一維、二維逐漸過(guò)渡到三維,運(yùn)動(dòng)時(shí)間從剛開(kāi)始的5～10 min/d,逐漸增加至20～30 min/d?；颊哏R像治療達(dá)到30 min/d后,進(jìn)入第2階段。(2)第2階段基于每例患者特有的腦電模型結(jié)合鏡像治療控制神經(jīng)肌肉電刺激?；颊咴谶M(jìn)行鏡像治療時(shí),治療師通過(guò)調(diào)整電流大小使刺激強(qiáng)度適應(yīng)患者狀態(tài),使神經(jīng)肌肉電刺激達(dá)到理想效果?；颊哌m應(yīng)電流后,采集患者的腦電信號(hào),制訂患者專用的康復(fù)模型,并初始記錄患者的準(zhǔn)確率,如果準(zhǔn)確率不佳,則返回上一階段重新調(diào)整電刺激大小。準(zhǔn)確率較高的患者進(jìn)入康復(fù)模型訓(xùn)練階段,并記錄準(zhǔn)確率,隨著患者功能的逐漸康復(fù),治療師在此階段應(yīng)時(shí)刻關(guān)注患者的準(zhǔn)確率,隨時(shí)調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練模型。

1.2.2效果評(píng)估

所有患者的治療時(shí)間持續(xù)8周,患者入組前和治療后的評(píng)估由同1名康復(fù)治療師完成。評(píng)估內(nèi)容共4個(gè)量表,分別是上肢Fugl-Meyer運(yùn)動(dòng)功能評(píng)定量表(Fugl-Meyer assessment,FMA)[11]、健康調(diào)查簡(jiǎn)表(short-form 36 health survey scale,SF-36)、蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表(Montreal cognitive assessment,MoCA)和改良Barthel指數(shù)。上肢FMA包括8個(gè)分項(xiàng),涵蓋了反射、屈肌協(xié)同、伸肌協(xié)同、腕關(guān)節(jié)穩(wěn)定、手的運(yùn)動(dòng)等。SF-36是評(píng)估患者生存質(zhì)量的重要量表,分值越高生存質(zhì)量越好。改良Barthel指數(shù)反映了患者的自理能力,分值越高自理能力越強(qiáng)。MoCA用于評(píng)估患者認(rèn)知能力,總分>26分提示患者認(rèn)知功能正常。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié) 果

2.1 兩組一般臨床特征

兩組患者性別、年齡、學(xué)歷和腦卒中病程等一般臨床特征比較,差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),見(jiàn)表1。

表1 兩組一般臨床特征比較

2.2 治療前后兩組主要觀察指標(biāo)比較

治療前,兩組上肢FMA、MoCA、SF-36評(píng)分及改良Barthel指數(shù)比較,差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。治療后,兩組上肢FMA評(píng)分均較治療前提高,且觀察組上肢FMA評(píng)分高于對(duì)照組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。治療后,兩組MoCA評(píng)分均較治療前提高,但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);觀察組治療后MoCA評(píng)分高于對(duì)照組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。治療后,觀察組改良Barthel指數(shù)較治療前提高,且觀察組改良Barthel指數(shù)高于對(duì)照組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。治療后,兩組SF-36評(píng)分均較治療前提高,且觀察組SF-36評(píng)分高于對(duì)照組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),見(jiàn)表2。

表2 兩組治療前后主要觀察指標(biāo)比較

3 討 論

流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)40歲以上人群的腦卒中患病率自2012年的1.89%上升至2016年的2.19%[12],由腦卒中引起的高致殘率和高死亡率造成我國(guó)人口學(xué)指標(biāo)如早死損傷壽命年和傷殘調(diào)整壽命年一直處于高位,這給社會(huì)醫(yī)療帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。此外,腦卒中患病群體因肢體功能障礙出現(xiàn)的生活質(zhì)量下降一直是康復(fù)醫(yī)學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一[13]。

上肢運(yùn)動(dòng)障礙是腦卒中后遺癥的常見(jiàn)癥狀,如不及時(shí)進(jìn)行康復(fù)治療,會(huì)嚴(yán)重影響患者的日?；顒?dòng),加重家庭和社會(huì)負(fù)擔(dān)。目前,治療腦卒中上肢功能障礙的康復(fù)療法有多種[14],但在臨床實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),大多數(shù)康復(fù)效果欠佳。近年來(lái),隨著新技術(shù)的不斷引入,新的康復(fù)療法也隨之誕生,其中以人工智能為主的BCI技術(shù)被寄予厚望,BCI技術(shù)不同于傳統(tǒng)的中樞神經(jīng)干預(yù),它首先利用外部設(shè)備測(cè)量中樞神經(jīng)系統(tǒng)的電信號(hào),然后通過(guò)動(dòng)作執(zhí)行反饋給中樞神經(jīng)系統(tǒng),經(jīng)過(guò)反復(fù)刺激后,大腦皮質(zhì)的激活狀態(tài)趨于正常,可提高大腦的可塑性[15-16]。本研究應(yīng)用鏡像療法聯(lián)合BCI技術(shù)對(duì)腦卒中上肢功能障礙患者進(jìn)行康復(fù)治療,結(jié)果顯示:觀察組患者上肢FMA評(píng)分在治療后明顯高于對(duì)照組,提示該療法能明顯提高患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能。這與國(guó)內(nèi)外的一些研究結(jié)果類似。如徐英等[17]開(kāi)展的研究顯示,BCI技術(shù)結(jié)合功能性電刺激能有效改善腦卒中患者的上肢功能和認(rèn)知功能,提高患者的生存質(zhì)量。李明芬等[18]也發(fā)現(xiàn),BCI電刺激能促進(jìn)腦卒中上肢功能障礙患者的功能恢復(fù),并闡明其治療機(jī)制可能是BCI激活了患側(cè)運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦區(qū)。國(guó)外相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn),BCI技術(shù)在治療腦卒中上肢功能障礙患者中的效果較好,應(yīng)用BCI技術(shù)治療后,患者的腦部結(jié)構(gòu)和神經(jīng)可塑性得到提高,如VRKUTI等[19]治療6例腦卒中患者,發(fā)現(xiàn)BCI技術(shù)使5例患者FMA功能得到明顯改善。以上結(jié)果體現(xiàn)了BCI技術(shù)的臨床治療理論是優(yōu)于傳統(tǒng)康復(fù)技術(shù)的。腦卒中康復(fù)治療的主要目的是改善患者的運(yùn)動(dòng)受限,傳統(tǒng)的電刺激等技術(shù)以低頻電療的方式刺激目標(biāo)肌肉群,使運(yùn)動(dòng)功能得到改善,但電刺激的前提是患者目標(biāo)肌肉群的神經(jīng)必須完整。而BCI技術(shù)繞過(guò)了受損神經(jīng),利用非肌肉通道使大腦信號(hào)和運(yùn)動(dòng)控制有機(jī)結(jié)合,且大腦神經(jīng)活動(dòng)通過(guò)BCI技術(shù)直接轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぽ敵?促進(jìn)了大腦與環(huán)境的交互,改善了大腦的神經(jīng)連接,使神經(jīng)元的功能性募集得以加強(qiáng),這對(duì)改善患者的神經(jīng)可塑性具有積極意義[20-22]。

本研究為了更好地獲取大腦信號(hào),將鏡像療法與BCI技術(shù)相結(jié)合,其主要原理是鏡像療法可以刺激腦卒中患者的中樞神經(jīng)[23],通過(guò)鏡子作為媒介向大腦提供感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)信號(hào),刺激患者腦區(qū)產(chǎn)生刺激信號(hào),這種信號(hào)相較于傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)想象訓(xùn)練更具感官性[24-25],這對(duì)提高大腦的可塑性具有重要的意義,且反復(fù)練習(xí)使患者的腦部結(jié)構(gòu)發(fā)生改善,有助于促進(jìn)患者上肢功能的康復(fù)。

在本研究的實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn),康復(fù)治療師的正確指導(dǎo)是基于鏡像療法的BCI技術(shù)的關(guān)鍵,康復(fù)治療師應(yīng)根據(jù)患者的病情、腦卒中部位、缺血(出血)面積等,為患者制訂個(gè)性化的康復(fù)方案。同時(shí),在治療過(guò)程中康復(fù)治療師還應(yīng)關(guān)注患者的心理變化[26]和治療依從性,因?yàn)榉潘傻男膽B(tài)、積極的態(tài)度也是患者康復(fù)的重要因素之一。在具體的實(shí)施過(guò)程中,康復(fù)治療師應(yīng)提醒患者加強(qiáng)對(duì)上肢的控制能力,如果治療效果不佳,康復(fù)治療師和患者應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)提供的反饋信息調(diào)整患者的控制方式?；颊叩目祻?fù)過(guò)程是一項(xiàng)系統(tǒng)的工作,康復(fù)治療師和患者應(yīng)該有足夠的耐心處理治療過(guò)程中出現(xiàn)的一系列問(wèn)題。需要說(shuō)明的是,由于基于鏡像療法的BCI技術(shù)仍屬于較新的治療方法,治療費(fèi)用較高且治療儀器有限,本研究樣本量較小,但通過(guò)本研究科室內(nèi)康復(fù)治療師掌握了實(shí)施BCI技術(shù)的關(guān)鍵步驟并進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié),為后續(xù)該技術(shù)的開(kāi)展提供了實(shí)踐依據(jù)。

綜上所述,與傳統(tǒng)的康復(fù)治療相比,基于鏡像療法的BCI技術(shù)能有效改善腦卒中上肢運(yùn)動(dòng)障礙患者的肢體功能,表明該治療方法對(duì)提高患者的生存質(zhì)量具有積極的意義。