劉明月， 李哲， 曹永生， 郝道劍， 宋薛藝

鄭州大學(xué)第五附屬醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，河南鄭州市 450000

目的 觀察并探討基于運(yùn)動(dòng)表象的腦機(jī)接口(BCI)訓(xùn)練對(duì)亞急性期腦卒中偏癱患者手功能康復(fù)的療效。

方法 2020年6月至2021年12月，鄭州大學(xué)第五附屬醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科亞急性期腦卒中偏癱患者40例隨機(jī)數(shù)字表法分為對(duì)照組(n = 20)和試驗(yàn)組(n = 20)。兩組均予藥物治療和常規(guī)綜合康復(fù)，對(duì)照組采用手部康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練，試驗(yàn)組采用基于運(yùn)動(dòng)表象的BCI訓(xùn)練，共4周。治療前后，采用Fugl-Meyer評(píng)定量表上肢部分(FMA-UE)、改良Barthel指數(shù)、改良Ashworth量表進(jìn)行評(píng)定，表面肌電圖檢測(cè)患側(cè)指淺屈肌、指伸肌和拇短展肌在最大等長(zhǎng)收縮狀態(tài)下的積分肌電值(iEMG)。

結(jié)果 對(duì)照組脫落2例，試驗(yàn)組脫落1例。治療后，兩組各項(xiàng)指標(biāo)均改善(t ＞ 2.322, Z ＞ 2.631, P ＜ 0.05)；除FMAUE腕評(píng)分外，其他指標(biāo)試驗(yàn)組優(yōu)于對(duì)照組(t ＞ 2.227, Z ＞ 2.078, P ＜ 0.05)。

結(jié)論 基于運(yùn)動(dòng)表象的BCI訓(xùn)練能有效改善亞急性期腦卒中偏癱患者的手功能和日常生活活動(dòng)能力。

0 引言

腦卒中是一組突發(fā)性的急性腦血管疾病，具有高發(fā)病率、高致死率、高致殘率的特點(diǎn)[1]。我國(guó)每年新增200萬(wàn)腦卒中患者[2]，其中55%～75%的幸存者遺留肢體功能障礙，嚴(yán)重影響患者日常生活和社會(huì)工作[3]。在日常生活中，上肢功能約占全身功能的60%，手功能約占上肢功能的90%，但手的精細(xì)動(dòng)作多，較難達(dá)到理想康復(fù)效果[4]。

腦機(jī)接口(brain-computer interface, BCI)技術(shù)通過(guò)解碼大腦神經(jīng)活動(dòng)信息，連接外部組件，構(gòu)成具有通訊或反饋功能的環(huán)路系統(tǒng)[5]。在康復(fù)實(shí)踐中，它可對(duì)患者大腦活動(dòng)產(chǎn)生的電、磁、代謝等中樞信號(hào)進(jìn)行解譯，控制外部設(shè)備如計(jì)算機(jī)、機(jī)械手、功能性電刺激等產(chǎn)生同步化反饋，實(shí)現(xiàn)中樞與外周實(shí)時(shí)連接的閉環(huán)康復(fù)訓(xùn)練[6]。運(yùn)動(dòng)表象(motor imagery, MI)是BCI技術(shù)最常見(jiàn)的范式之一[7]，基于MI的BCI訓(xùn)練對(duì)腦卒中患者肢體的運(yùn)動(dòng)能力、肌張力、日常生活活動(dòng)能力有一定療效[8]，但相關(guān)研究多是針對(duì)慢性期患者[9-11]。腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能在卒中后1～6個(gè)月內(nèi)恢復(fù)最為顯著，此時(shí)期被稱(chēng)為亞急性期，康復(fù)干預(yù)更具有臨床意義[12]。僅有的幾項(xiàng)針對(duì)于亞急性期患者的BCI研究，對(duì)患者手功能影響多限于量表評(píng)估[13-14]。

本研究結(jié)合表面肌電圖(surface electromyography,sEMG)觀察基于MI的BCI訓(xùn)練對(duì)亞急性期腦卒中偏癱患者手功能和日常生活活動(dòng)能力的效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2020年6月至2021年12月鄭州大學(xué)第五附屬醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科收治的腦卒中患者40例。符合“中國(guó)各類(lèi)主要腦血管病診斷要點(diǎn)2019”腦卒中診斷標(biāo)準(zhǔn)[15]，并經(jīng)頭顱CT或MRI確診。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①首次發(fā)病，單側(cè)偏癱，病程1～6個(gè)月；②簡(jiǎn)易精神狀態(tài)檢查(Mini-mental State Examination, MMSE)評(píng)分≥ 21分[16]；③患側(cè)上肢和手Brunnstrom分期≥ Ⅱ期，改良Ashworth量表(modified Ashworth Scale, MAS)分級(jí)＜ Ⅲ級(jí)；④知情同意并簽署知情同意書(shū)。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①病情不穩(wěn)定或全身耐受力差；②顱骨嚴(yán)重缺陷，影響腦電帽佩戴；③存在明顯失語(yǔ)、聽(tīng)力障礙、視野受損；④患側(cè)上肢疼痛、嚴(yán)重畸形無(wú)法配合訓(xùn)練；⑤既往存在腦器質(zhì)性疾病；⑥存在原發(fā)或繼發(fā)性癲癇；⑦周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)疾??；⑧入組前患側(cè)上肢使用肉毒素注射治療；⑨正在接受其他中樞神經(jīng)調(diào)控訓(xùn)練。

脫落標(biāo)準(zhǔn)：①因個(gè)人原因主動(dòng)要求退出；②出現(xiàn)因訓(xùn)練導(dǎo)致的不良反應(yīng)；③未能完成試驗(yàn)規(guī)定的全部流程；④前3次BCI訓(xùn)練平均成功率低于50%[17]。

隨機(jī)數(shù)字表法將患者分為對(duì)照組(n = 20)和試驗(yàn)組(n = 20)。對(duì)照組因中途出院、主動(dòng)退出脫落2例，試驗(yàn)組因中途出院脫落1例。共37例患者完成研究。兩組性別、年齡、病程、偏癱側(cè)別、卒中類(lèi)型、MMSE評(píng)分無(wú)顯著性差異(P ＞ 0.05)。見(jiàn)表1。

表1 兩組一般資料比較

本研究經(jīng)鄭州大學(xué)第五附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(No. KY2020014)，所有患者均知曉試驗(yàn)內(nèi)容并簽署知情同意書(shū)。

1.2 訓(xùn)練方法

兩組予藥物治療和常規(guī)綜合康復(fù)訓(xùn)練，在此基礎(chǔ)上，對(duì)照組采用手部康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練，試驗(yàn)組采用基于MI的BCI訓(xùn)練。

1.2.1 藥物治療

患者根據(jù)病情接受相同的營(yíng)養(yǎng)神經(jīng)、改善循環(huán)等藥物治療；對(duì)基礎(chǔ)病予降壓、降糖、調(diào)脂、改善心肺功能等治療。

1.2.2 常規(guī)綜合康復(fù)訓(xùn)練

根據(jù)具體情況行腦卒中常規(guī)康復(fù)，包括運(yùn)動(dòng)治療、作業(yè)治療、中醫(yī)傳統(tǒng)治療等；其中針對(duì)手功能的綜合康復(fù)主要以手抓握、伸展、對(duì)指、對(duì)掌、側(cè)捏、指尖捏等動(dòng)作為主的被動(dòng)、助力、主動(dòng)運(yùn)動(dòng)以及肌肉力量、耐力的練習(xí)[18]。每天60 min，每周5 d，共4周。

1.2.3 手部康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練

采用與BCI外接設(shè)備具有相同活動(dòng)度的手部康復(fù)機(jī)器人，選擇被動(dòng)助力抓握-伸展模式。每天30 min，每周5 d，共4周。

1.2.4 基于MI的BCI訓(xùn)練

BCI訓(xùn)練系統(tǒng)(西安交通大學(xué)研發(fā))主要由腦電采集系統(tǒng)、手部康復(fù)機(jī)器人和配套訓(xùn)練軟件3部分組成。訓(xùn)練前向患者充分講解訓(xùn)練流程，囑患者在訓(xùn)練過(guò)程中避免主動(dòng)眨眼、咳嗽、咀嚼、頭部和身體移動(dòng)；協(xié)助患者取舒適坐位，距離提示屏幕50 cm左右；佩戴腦電帽和外部反饋設(shè)備；患者在視、聽(tīng)文字提示信息后完成MI任務(wù)，由腦電系統(tǒng)進(jìn)行判定，如超過(guò)設(shè)定的腦電強(qiáng)度變化閾值則計(jì)算機(jī)給予一次獎(jiǎng)勵(lì)性視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)反饋，手部康復(fù)機(jī)器人給予一次觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)覺(jué)反饋，失敗則不予反饋。每天30 min，每周5 d，共4周。

1.3 評(píng)定方法

治療前和治療4周后，由同一名培訓(xùn)合格的治療師進(jìn)行量表評(píng)定，電生理醫(yī)師進(jìn)行肌電數(shù)據(jù)采集。評(píng)定人員對(duì)患者分組情況不知情，且未參與患者的任何康復(fù)治療。

1.3.1 Fugl-Meyer評(píng)定量表上肢部分(Fugl-Meyer Assessment-Upper Extremities, FMA-UE)[19]

共33個(gè)小項(xiàng)，總分為66分，分?jǐn)?shù)越高表示上肢和手功能越好。

1.3.2 改 良 Barthel指 數(shù) (modified Barthel index,MBI)[20]

共10項(xiàng)，總分100分，分?jǐn)?shù)越高表示日常生活獨(dú)立能力越強(qiáng)。

1.3.3 MAS[21]

對(duì)指屈肌張力進(jìn)行評(píng)定，分為0、I、I+、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共6個(gè)等級(jí)，記為0、l、1.5、2、3、4分。分值越高表示肌張力越高。

1.3.4 sEMG

采用SA7550 FexComp型表面肌電儀(THOUGHT TECHNOLOGY公司)，BioNeuro Infiniti信號(hào)處理軟件進(jìn)行分析?；颊咦唬{(diào)整檢查桌面至合適位置，協(xié)助患者上肢平放胸前，掌心朝向內(nèi)側(cè)，肘關(guān)節(jié)屈曲90°，腕關(guān)節(jié)中立位，固定肘關(guān)節(jié)。75%酒精清潔檢查部位皮膚，涂抹導(dǎo)電膏，Ag/AgCl表面電極平行放置于前臂指淺屈肌(前臂掌面近橈側(cè)、肘橫紋與腕橫紋之間中點(diǎn))、指伸肌(前臂背面近橈側(cè)中、下1/3交點(diǎn))和拇短展肌(手掌大魚(yú)際偏外側(cè))處，電極間距2 cm[22]。囑患者最大力量握拳、伸展及拇指外展抗阻，使被檢肌肉處于最大等長(zhǎng)收縮狀態(tài)，并堅(jiān)持5 s。每一部位測(cè)試3次，間隔1 min，取均值。記錄肌電積分值(integrated electromyogram, iEMG)。iEMG越大，代表目標(biāo)肌肉運(yùn)動(dòng)單位募集數(shù)量越多，放電同步化程度越高[23]。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 26.0軟件對(duì)評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料經(jīng)Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗(yàn)，如符合正態(tài)分布，以(±s)表示，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，組內(nèi)比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)；非正態(tài)分布以M(QL,QH)表示，采用Wilconxon秩和檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料以頻數(shù)表示，采用χ2檢驗(yàn)。顯著性水平α = 0.05。

2 結(jié)果

治療前，兩組FMA-UE、MBI和MAS評(píng)分均無(wú)顯著性差異(P ＞ 0.05)。治療后，兩組評(píng)分均改善(P ＜0.05)；除FMA-UE腕評(píng)分外，試驗(yàn)組其他評(píng)分均優(yōu)于對(duì)照組(P ＜ 0.05)。見(jiàn)表2～表6。

表2 兩組治療前后FMA-UE總分比較

表6 兩組治療前后MAS評(píng)分比較

治療前，兩組各肌iEMG無(wú)顯著性差異(P ＞0.05)。治療后，兩組各肌iEMG明顯提高(P ＜ 0.01)；試驗(yàn)組高于對(duì)照組(P ＜ 0.05)。見(jiàn)表7～表9。

表7 兩組治療前后指淺屈肌iEMG比較 單位：μⅤ

表9 兩組治療前后拇短展肌iEMG比較 單位：μⅤ

表3 兩組治療前后FMA-UE腕評(píng)分比較

表4 兩組治療前后FMA-UE手評(píng)分比較

表5 兩組治療前后MBI評(píng)分比較

表8 兩組治療前后指伸肌iEMG比較 單位：μⅤ

3 討論

腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能障礙發(fā)病率高，治療效果差[24]。以神經(jīng)發(fā)育療法、強(qiáng)制性運(yùn)動(dòng)療法為代表的傳統(tǒng)康復(fù)治療技術(shù)，多以引導(dǎo)或被動(dòng)活動(dòng)肢體為主，缺少對(duì)患者受損中樞的主動(dòng)調(diào)控[10]。而常用的中樞干預(yù)方案如重復(fù)經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱直流電刺激、鏡像療法等[25-28]，又缺乏外周反饋[29]，且無(wú)法對(duì)患者的中樞變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。BCI訓(xùn)練中，患者通過(guò)任務(wù)提示，進(jìn)行患側(cè)中樞訓(xùn)練，腦電采集系統(tǒng)將患者訓(xùn)練過(guò)程中腦電信息傳入計(jì)算機(jī)，通過(guò)在線(xiàn)信號(hào)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者訓(xùn)練過(guò)程的可視化；計(jì)算機(jī)將所采集的腦電信息實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為外周反饋，實(shí)現(xiàn)中樞與外周實(shí)時(shí)連接的閉環(huán)手功能康復(fù)訓(xùn)練。

iEMG是sEMG信號(hào)經(jīng)整流濾波后，單位時(shí)間內(nèi)曲線(xiàn)下面積總和，其大小在一定程度上反映參與肌肉收縮的運(yùn)動(dòng)單位數(shù)量和每個(gè)運(yùn)動(dòng)單位的放電，主要用于分析單位時(shí)間內(nèi)肌肉的收縮特性[30]。本研究顯示，BCI訓(xùn)練可有效提升患者患手屈曲、伸展和拇指活動(dòng)時(shí)肌肉運(yùn)動(dòng)單位的募集與同步化放電[31]。FMA-UE和MAS作為半定量指標(biāo)，受主觀因素影響；而sEMG能客觀、定量評(píng)定神經(jīng)肌肉功能的恢復(fù)情況[32]。本研究結(jié)果經(jīng)量表和sEMG評(píng)定，結(jié)論一致。

早期綜合康復(fù)治療的介入[12]和手部康復(fù)機(jī)器人的仿生性重復(fù)、高強(qiáng)度功能性運(yùn)動(dòng)[33]，彌補(bǔ)了亞急性期患者患手抓握力和靈活度不足。進(jìn)行BCI訓(xùn)練時(shí)，患者精神高度集中并主動(dòng)完成MI任務(wù)，在主觀運(yùn)動(dòng)意圖驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生更精準(zhǔn)、更強(qiáng)烈的皮質(zhì)激活[34]，同步、精確的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和運(yùn)動(dòng)反饋能強(qiáng)化誘導(dǎo)神經(jīng)同步性反復(fù)激活[9]；同時(shí)患者肢體運(yùn)動(dòng)功能改善有利于促進(jìn)日常生活活動(dòng)能力提高[35]。

近年來(lái)，學(xué)者對(duì)基于MI的BCI訓(xùn)練改善腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能的中樞機(jī)制進(jìn)行了深入分析[36]。Mrachacz-Kersting等[37]發(fā)現(xiàn)，BCI訓(xùn)練后，患者運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位波幅增加，認(rèn)為訓(xùn)練可使皮質(zhì)脊髓束興奮性提高，進(jìn)而改善患者的運(yùn)動(dòng)功能。Biasiucci等[34]發(fā)現(xiàn)，BCI訓(xùn)練可引起運(yùn)動(dòng)前區(qū)和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃相關(guān)的皮質(zhì)激活，改善運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過(guò)程。吳瓊等[14]發(fā)現(xiàn)，錐體外系、聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì)、體感聯(lián)合皮質(zhì)的激活也可能與BCI訓(xùn)練引起的運(yùn)動(dòng)恢復(fù)相關(guān)。Remsik等[38]發(fā)現(xiàn)，BCI訓(xùn)練可引起皮質(zhì)下卒中患者初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)和運(yùn)動(dòng)前區(qū)的活動(dòng)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，從而促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。

本研究樣本量較小，觀察時(shí)間短，BCI訓(xùn)練改善腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能的中樞機(jī)制尚需多中心、大樣本隨機(jī)對(duì)照研究，并結(jié)合影像學(xué)、腦電等其他量化方法驗(yàn)證。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。