基于視聽覺和運(yùn)動反饋的腦機(jī)接口結(jié)合經(jīng)顱直流電刺激對腦卒中患者上肢功能的效果

高玲， 褚鳳明， 賈凡， 陳杰， 張明,3

1.徐州醫(yī)科大學(xué)附屬徐州康復(fù)醫(yī)院，江蘇徐州市 221003；2.徐州醫(yī)科大學(xué)徐州臨床學(xué)院/徐州市中心醫(yī)院，江蘇徐州市 221009；3.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州市 221116

0 引言

腦卒中是我國成人首要的致死、致殘?jiān)?，具有高發(fā)病率、高致殘率、低治愈率等特點(diǎn)[1]。隨著人口老齡化加劇以及生活習(xí)慣、危險因素等的影響，腦卒中的疾病負(fù)擔(dān)正在逐年增加[2-3]。腦卒中患者常遺留諸多慢性功能障礙[4]，最常見的是上肢功能障礙，影響55%～75%患者的生活和工作[5-6]，治療周期長、預(yù)后較差[7]，目前的常規(guī)康復(fù)綜合使用多種康復(fù)手段，但仍有許多患者上肢功能恢復(fù)欠佳[8]。

腦機(jī)接口(brain-computer interface, BCI)技術(shù)是一種軟硬件相結(jié)合的通信系統(tǒng)技術(shù)，能夠?qū)⒋竽X運(yùn)動意圖信號通過計(jì)算機(jī)提取、解碼并輸出為控制外部設(shè)備的指令，驅(qū)動外部設(shè)備產(chǎn)生實(shí)際動作，實(shí)現(xiàn)大腦與外部環(huán)境的直接交互[9-10]。大腦的運(yùn)動意圖反映大腦的參與度，通過BCI 技術(shù)可以增加大腦參與度，進(jìn)而顯著增強(qiáng)運(yùn)動相關(guān)區(qū)域的腦區(qū)激活[11]，促進(jìn)皮質(zhì)重組，誘導(dǎo)大腦可塑性變化，有效促進(jìn)腦卒中患者上肢功能恢復(fù)[12]。然而，如何使腦卒中患者高效、穩(wěn)定地想象目標(biāo)任務(wù)；如何有效監(jiān)控虛擬任務(wù)的執(zhí)行情況；如何準(zhǔn)確捕獲、識別和解碼與任務(wù)相關(guān)的腦電信號，提高BCI 的信噪比；如何提高信號的傳輸速率；如何將腦電信號轉(zhuǎn)化為視覺、動作、聲音等，以達(dá)到多感官反饋增強(qiáng)BCI 的效果；如何解決BCI 的訓(xùn)練疲勞問題，保證有效的訓(xùn)練時間；如何提高BCI 的舒適度和患者的接受度等，仍然是BCI 領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)[13-14]。本研究采用一種基于視聽覺和運(yùn)動反饋的新型BCI 系統(tǒng)，能給患者提供多重感覺刺激，并提供實(shí)時反饋，反饋時間短，時間效率高；臨床使用方便，可以指導(dǎo)和監(jiān)測患者目標(biāo)任務(wù)想象；用戶友好，在訓(xùn)練過程中不易感到疲勞[15]。

經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)是一種非侵入性的中樞刺激技術(shù)，能以恒定、低強(qiáng)度的直流電(0.5～2.0 mA)刺激大腦半球，影響神經(jīng)細(xì)胞膜電位，進(jìn)而調(diào)節(jié)皮質(zhì)興奮性[16]，糾正腦卒中后大腦半球間的不平衡狀態(tài)[17]，增強(qiáng)神經(jīng)可塑性，有利于促進(jìn)腦卒中后上肢運(yùn)動功能的改善[18]。

目前BCI 和tDCS 均在臨床上得到了廣泛應(yīng)用[19]，但兩者結(jié)合使用的研究主要針對健康個體。本研究采用具有視聽覺和運(yùn)動反饋的新型BCI 系統(tǒng)，并將其與tDCS相結(jié)合，通過腦電圖客觀反映大腦活動[20]，觀察此方案對腦卒中患者上肢康復(fù)的效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2023年3月至10月，在徐州醫(yī)科大學(xué)附屬徐州康復(fù)醫(yī)院和徐州市中心醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科住院的腦卒中患者45例，均符合中國各類主要腦血管病診斷要點(diǎn)(2019)中腦卒中診斷標(biāo)準(zhǔn)[21]，并經(jīng)頭部CT 或MRI證實(shí)。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡18～75歲；②首次發(fā)生腦卒中；③單側(cè)發(fā)病，病程＜ 6 個月，情況穩(wěn)定；④上肢和手的Brunnstrom 分期均≤ Ⅳ期；⑤上肢屈肌張力改良Ashworth 分級≤ Ⅱ級；⑥簡易精神狀態(tài)檢查評分≥ 21分，意識清楚，依從性較好；⑦患者本人簽署知情同意書。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①進(jìn)展型卒中或蛛網(wǎng)膜下腔出血，病情不穩(wěn)定；②并發(fā)嚴(yán)重心臟病、高血壓等內(nèi)科疾病及認(rèn)知功能障礙；③并發(fā)嚴(yán)重肌張力障礙和/或不自主運(yùn)動；④植入或攜帶可能干擾BCI 的起搏器，顱內(nèi)或治療區(qū)域有金屬部件植入；⑤存在癲癇、腦腫瘤等；⑥依從性差不愿配合康復(fù)訓(xùn)練。

采用隨機(jī)數(shù)字表法，將患者分為BCI組、tDCS組和聯(lián)合組，每組各15 例。3 組基線資料無顯著性差異(P＞ 0.05)。見表1。

表1 3組基線資料比較Table 1 Comparison of baseline data among three groups

試驗(yàn)開始前，詳細(xì)告知所有患者本試驗(yàn)的內(nèi)容，包括可以獲得的治療利益和可能出現(xiàn)的不良反應(yīng)等，患者均自愿參與，并簽署知情同意書。

本研究由徐州市康復(fù)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審批通過(No.XK-LW-20230324-025)，并在醫(yī)學(xué)研究備案登記系統(tǒng)備案(No.MR-32-23-050520)，中國臨床試驗(yàn)注冊中心注冊(No.ChiCTR2300071658)。

1.2 方法

3 組均接受常規(guī)康復(fù)治療。在此基礎(chǔ)上，BCI 組增加BCI，tDCS 組增加tDCS 治療，聯(lián)合組先行tDCS治療，然后立即行BCI。每天1次，每周5 d，共4周。

1.2.1 常規(guī)康復(fù)

包括運(yùn)動療法(如主被動關(guān)節(jié)活動、Bobath 技術(shù)、平衡訓(xùn)練等)、作業(yè)療法(如滾筒、磨砂板、木釘板訓(xùn)練，以及日常生活活動訓(xùn)練等)、物理因子治療(如功能性電刺激等)。每次120 min。

1.2.2 BCI

在安靜的房間內(nèi)，由經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的治療師進(jìn)行。采用L-B300 腦電采集和康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)(浙江邁聯(lián)醫(yī)療科技有限公司)。患者舒適坐位，佩戴8導(dǎo)聯(lián)腦電帽，包括左右耳夾電極，電極放置符合10/20 國際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。患者雙側(cè)上肢固定在左右旋轉(zhuǎn)軸上，根據(jù)顯示屏上虛擬人物訓(xùn)練類型進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動表象(motor image, MI)訓(xùn)練，并遵循語音提示。顯示屏右側(cè)進(jìn)度條實(shí)時顯示患者運(yùn)動意圖的強(qiáng)度，當(dāng)運(yùn)動意圖達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的閾值時，屏幕上的虛擬人物開始移動，給予患者視覺反饋，同時左右旋轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動，驅(qū)動患者上肢移動，向患者提供運(yùn)動感知反饋，還有相應(yīng)的語音提示對患者進(jìn)行鼓勵。當(dāng)患者運(yùn)動意圖低于閾值時，虛擬人物停止運(yùn)動，轉(zhuǎn)軸停止轉(zhuǎn)動，并有語音提示患者集中注意力。每次20 min。

1.2.3 tDCS

在安靜的房間內(nèi)，由經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的治療師進(jìn)行。采用VC-8000D 經(jīng)顱電刺激儀(南京沃高醫(yī)療科技有限公司)。患者舒適坐位，全身放松，tDCS 電極放置根據(jù)10/20 國際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)確定，陽極置于患側(cè)初級運(yùn)動皮質(zhì)(M1區(qū))，陰極置于對側(cè)眼眶。刺激電極采用標(biāo)準(zhǔn)配置5 cm×5 cm 等滲鹽水海綿電極片，通過彈性扣件固定在患者頭部，陽極刺激，刺激強(qiáng)度2.0 mA。每次20 min。

以上訓(xùn)練遵循循序漸進(jìn)原則，根據(jù)患者功能水平逐漸調(diào)整訓(xùn)練難度，鼓勵患者積極主動參與，并注意觀察患者反應(yīng)，如有任何不適立即停止，并及時調(diào)整訓(xùn)練方案。

1.3 評定方法

由同一名不了解分組情況且經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的治療師完成。

1.3.1 Fugl-Meyer 評 定 量 表 上 肢 部 分(Fugl-Meyer Assessment-Upper Extremities, FMA-UE)

包括上肢的反射、協(xié)調(diào)性和分離運(yùn)動等，共33項(xiàng)，總分66分。評分越高，上肢功能越好。

1.3.2 上肢動作研究量表(Action Research Arm Test,ARAT)

包括抓、握、捏的能力和粗大動作完成情況，共19項(xiàng)，總分57分。評分越高，上肢功能越好。

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

包括修飾、穿衣、進(jìn)食等10 項(xiàng)日常生活基本活動，總分100分。評分越高，患者生活自理能力越好。

1.3.4 腦電圖

采用JY-2440 數(shù)字腦電地形圖儀(中國江蘇錦源醫(yī)療科技有限公司)。電極根據(jù)10/20 國際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行放置，以雙側(cè)耳夾電極作為參考電極。濾波范圍0～30 Hz，時間常數(shù)0.03 s，走速為30 mm/s。囑患者閉上眼睛保持清醒和放松狀態(tài)至少3 min。

采用MatLab 軟件中的EEGLAB 和定制代碼對采集到的腦電信號去除偽跡并進(jìn)行定量分析，導(dǎo)出每個電極的δ、θ、α 和β 頻段的平均功率，計(jì)算平均頭皮δ-α 比(delta-alpha ratio, DAR)和功率比指數(shù)(power ratio index, PRI)。比值越小，患者功能預(yù)后越好。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 22.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料均符合正態(tài)分布和方差齊性，以(±s)表示，組內(nèi)比較采用配對樣本t檢驗(yàn)，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD 檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料以頻數(shù)表示，采用χ2檢驗(yàn)。等級資料采用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)。顯著性水平α= 0.05。

2 結(jié)果

所有患者均完成試驗(yàn)，治療期間沒有發(fā)生不良反應(yīng)。

治療前，3 組FMA-UE、ARAT 和MBI 評分，以及DAR 和PRI 均無顯著性差異(P＞ 0.05)。治療后，3組各項(xiàng)評分均顯著增加(P＜ 0.001)，聯(lián)合組最高(P＜0.05)。見表2～表4。DAR、PRI 下降(P＜ 0.05)，聯(lián)合組最低(P＜ 0.05)。見表5～表6。

表2 3組治療前后FMA-UE評分比較Table 2 Comparison of FMA-UE score among three groups pre and post treatment

表3 3組治療前后ARAT評分比較Table 3 Comparison of ARAT score among three groups pre and post treatment

表5 3組治療前后DAR比較Table 5 Comparison of DAR among three groups pre and post treatment

表6 3組治療前后PRI比較Table 6 Comparison of PRI among three groups pre and post treatment

3 討論

腦卒中是全球性重大公共衛(wèi)生問題[22]。腦卒中可能直接影響運(yùn)動系統(tǒng)皮質(zhì)或皮質(zhì)下區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，損害連接關(guān)鍵區(qū)域的白質(zhì)纖維，嚴(yán)重干擾網(wǎng)絡(luò)內(nèi)平衡[23]；同時腦卒中可能改變經(jīng)胼胝體抑制，使患側(cè)半球的病理性抑制增強(qiáng)[24]。腦卒中后，大腦會自發(fā)產(chǎn)生可塑性改變，促進(jìn)皮質(zhì)功能和結(jié)構(gòu)重組，從而修復(fù)或代償受損的神經(jīng)功能[25-26]。采用特定手段促進(jìn)皮質(zhì)特定區(qū)域激活和有效連通性增加，增強(qiáng)大腦可塑性，對患者運(yùn)動功能恢復(fù)至關(guān)重要[27]。BCI和tDCS能直接刺激相關(guān)功能腦區(qū)，促進(jìn)運(yùn)動皮質(zhì)激活，調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)活動和可塑性，有利于腦卒中患者運(yùn)動功能和整體功能恢復(fù)[28-29]。

BCI 技術(shù)可以實(shí)時檢測大腦產(chǎn)生的活動信號，并將其轉(zhuǎn)換為有意義的輸出，以控制外部設(shè)備，使患者以不依賴于外周運(yùn)動控制的方式參與進(jìn)來，有效規(guī)避受損的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)[30]，為腦卒中患者的上肢康復(fù)提供了新的策略。產(chǎn)生腦電信號的方法有很多，其中MI 主動而直觀，MI-BCI 系統(tǒng)對用戶來說更為自然，能提供更好的控制感[31]。Liu 等[32]發(fā)現(xiàn)，MI-BCI 能改善患者上肢運(yùn)動功能，提高注意水平。劉明月等[33]發(fā)現(xiàn)，MI-BCI 能改善患者的手功能和日常生活活動能力，提升患手屈曲、伸展和拇指活動時肌肉運(yùn)動單位的募集和同步化放電水平。

本研究應(yīng)用基于視聽覺和運(yùn)動反饋的新型BCI 系統(tǒng)，要求患者根據(jù)視覺圖像和語音提示，集中注意力完成MI 任務(wù)。腦電信號經(jīng)腦電帽采集，解碼后通過藍(lán)牙裝置實(shí)時傳輸?shù)浇K端設(shè)備(轉(zhuǎn)軸和顯示屏)，以此控制運(yùn)動意圖達(dá)到閾值時轉(zhuǎn)軸驅(qū)動的上肢運(yùn)動和顯示屏上虛擬人物的運(yùn)動，給予患者視覺和運(yùn)動反饋，同時還有相應(yīng)的語音提示提供聽覺反饋。上述反饋信息刺激大腦繼續(xù)產(chǎn)生腦電信號，形成閉環(huán)學(xué)習(xí)通路?；颊哂?xùn)練4 周后，上肢功能和日常生活活動能力得到提升。患者通過在大腦中不斷模擬演練相關(guān)運(yùn)動動作，能夠在主觀意愿驅(qū)動下產(chǎn)生比被動訓(xùn)練更強(qiáng)的皮質(zhì)激活[34]，并引起患者M(jìn)1 區(qū)和運(yùn)動前區(qū)的活動從健側(cè)半球向患側(cè)半球轉(zhuǎn)移，使半球間激活重新平衡[35]，增強(qiáng)患側(cè)半球運(yùn)動區(qū)域間和兩半球間的功能連接[36]；系統(tǒng)完全由患者通過MI 產(chǎn)生的與運(yùn)動意圖相關(guān)的特征腦電信號作為指標(biāo)進(jìn)行驅(qū)動，有助于引導(dǎo)患者持續(xù)主動地給出向下運(yùn)動控制信號，并將控制信號準(zhǔn)確應(yīng)用到周圍神經(jīng)肌肉系統(tǒng)[15]；積極訓(xùn)練是達(dá)到預(yù)期康復(fù)效果的前提[37]，患者在完成MI 任務(wù)后，系統(tǒng)相應(yīng)給予反饋，有助于提高患者訓(xùn)練積極性，增強(qiáng)自信，并幫助患者及時調(diào)整訓(xùn)練狀態(tài)，提高治療效果；同步、精確的視覺、聽覺和運(yùn)動反饋能強(qiáng)化誘導(dǎo)神經(jīng)元同步性反復(fù)激活[33]，從而增加神經(jīng)元間的突觸強(qiáng)度，增強(qiáng)患者運(yùn)動學(xué)習(xí)和運(yùn)動恢復(fù)能力；反復(fù)多次訓(xùn)練可能通過以上反饋，實(shí)現(xiàn)大腦與肢體的雙向刺激[38]，建立自上而下又自下而上的運(yùn)動閉環(huán)，刺激損傷區(qū)域殘余神經(jīng)元重塑和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重組，從而提高控制運(yùn)動功能的神經(jīng)元的傳遞效率[39]，增強(qiáng)神經(jīng)可塑性，促進(jìn)基于Hebbian理論的運(yùn)動恢復(fù)[40]。

tDCS 作為一種非侵入性的中樞刺激技術(shù)，具有無創(chuàng)、無痛、操作簡單等優(yōu)勢，能夠通過在頭皮特定位置施加微弱直流電，調(diào)節(jié)皮質(zhì)興奮性，增加運(yùn)動相關(guān)區(qū)域的活動[41]。其中陽極刺激能使神經(jīng)細(xì)胞去極化，促進(jìn)患側(cè)皮質(zhì)興奮；陰極刺激則能使神經(jīng)細(xì)胞超極化，抑制健側(cè)皮質(zhì)興奮[42]，已廣泛應(yīng)用于腦卒中患者上肢功能康復(fù)。韓雪等[43]發(fā)現(xiàn)，陽極tDCS 能提高患者的上肢運(yùn)動功能，恢復(fù)感覺傳導(dǎo)通路。Bolognini等[44]發(fā)現(xiàn)，雙半球tDCS 能提高患者的握力和日常生活活動能力。本研究顯示，患者經(jīng)過陽極tDCS治療4周后，上肢功能和日常生活活動能力均得到改善。tDCS 通過引起細(xì)胞靜息膜電位的變化，調(diào)節(jié)大腦皮質(zhì)興奮性，陽極tDCS 可促進(jìn)患側(cè)神經(jīng)元興奮，糾正病理性抑制，重新恢復(fù)半球間平衡[45]；通過影響Na+-K+泵的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和局部跨膜離子濃度變化，促進(jìn)突觸功能重建[46]；通過誘導(dǎo)長時程增強(qiáng)和上調(diào)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子等相關(guān)蛋白含量，調(diào)控大腦神經(jīng)元活性，提高突觸功效，調(diào)節(jié)神經(jīng)可塑性[47-48]；通過神經(jīng)血管耦合等改善患側(cè)大腦血供，增加局部腦血流量，有助于減少炎癥和保護(hù)缺血區(qū)域的神經(jīng)元[49]；增加大腦患側(cè)半球運(yùn)動相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能連接，提高運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)的整體效率[50]，促進(jìn)神經(jīng)重組，有利于建立新的突觸連接和恢復(fù)受損的肢體運(yùn)動功能[19]。

對于大多數(shù)病情嚴(yán)重的腦卒中患者來說，單獨(dú)采用一種治療手段往往不能取得滿意效果，聯(lián)合運(yùn)用多種康復(fù)干預(yù)手段具有重要意義。本研究顯示，聯(lián)合采用基于視聽覺和運(yùn)動反饋的BCI和tDCS，提高腦卒中患者上肢功能的效果更佳。這可能是因?yàn)樵谶M(jìn)行BCI前行陽極tDCS 治療，預(yù)先激活患側(cè)半球，興奮患側(cè)運(yùn)動皮質(zhì)，BCI 時能更快激活[51]，有助于增強(qiáng)特征腦信號；患者在進(jìn)行MI 任務(wù)時更容易集中注意力，訓(xùn)練效率得到提高；tDCS 可以調(diào)節(jié)事件相關(guān)去同步強(qiáng)度，使得腦電圖能夠檢測到來自患側(cè)半球的穩(wěn)定信號，提高M(jìn)I 信號檢測的準(zhǔn)確性[52]，增強(qiáng)BCI 的效果；tDCS存在后續(xù)效應(yīng)[53]，能為BCI創(chuàng)造環(huán)境，有助于促進(jìn)運(yùn)動學(xué)習(xí)，提高BCI 誘導(dǎo)的運(yùn)動學(xué)習(xí)能力[54]；基于視聽覺和運(yùn)動反饋的BCI 不斷在患者大腦中形成運(yùn)動意向，并通過外周視聽覺和運(yùn)動感覺反饋給中樞，可強(qiáng)化正性反饋，加強(qiáng)正確的運(yùn)動模式[32]，促進(jìn)受損的神經(jīng)通路重建[55]，在tDCS 治療的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高治療效果；BCI 和tDCS 均能直接刺激中樞神經(jīng)系統(tǒng)，增強(qiáng)神經(jīng)可塑性，聯(lián)合應(yīng)用可能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，更大程度提高皮質(zhì)興奮性和神經(jīng)可塑性，從而進(jìn)一步改善上肢運(yùn)動功能。

腦卒中患者大腦代謝減少，高頻腦電波(α 波和β波)功率減弱，低頻腦電波(θ 波和δ 波)功率增加[56]。DAR 和PRI與腦卒中患者功能恢復(fù)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性[57]，其中DAR與美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表評分和改良Rankin 量表評分呈正相關(guān)[58]，與FMA 評分呈負(fù)相關(guān)[59]；PRI 與DAR 明顯相關(guān)，但對θ 和β 活動也很敏感[60]。本研究顯示，BCI和tDCS均可促進(jìn)患者大腦活動正?；?，進(jìn)而促進(jìn)運(yùn)動功能的恢復(fù)，聯(lián)合應(yīng)用效果更佳。

本研究為單中心試驗(yàn)，樣本量較小，干預(yù)時間較短。未來將進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，進(jìn)行長期隨訪，并探索應(yīng)用其他客觀指標(biāo)評價康復(fù)的有效性。

4 結(jié)論

基于視聽覺和運(yùn)動反饋的BCI 與tDCS 聯(lián)合應(yīng)用，不受患者殘余功能的限制，給上肢殘余功能較差或喪失的患者提供了積極參與康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)會。兩種中樞干預(yù)手段相結(jié)合，可能產(chǎn)生協(xié)同作用，能更大程度促進(jìn)腦卒中患者的上肢功能恢復(fù)。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。