脑机接口康复训练系统治疗缺血性脑卒中恢复期上肢功能障碍的临床研究

向宪文 朱家莹 孙远标 孙凤友 刘西建

【摘要】 目的：觀察脑机接口康复训练系统和常规康复训练对缺血性脑卒中恢复期上肢功能障碍的治疗效果，探寻缺血性脑卒中恢复期上肢功能障碍的有效治疗措施。方法：选取2018年1月-2019年6月来自泰安市中医医院脑病康复科门诊和住院部的94例患者，将患者按随机数字表法分为接口组和对照组，每组47例。接口组采用脑机接口康复训练系统和常规康复训练治疗，对照组采用常规康复训练治疗。用简化的上肢评价量表（fugl-meyer assessment，FMA）、改良Barthel指数（modified Barthel index，MBI）、徒手肌检查法（manual muscle testing，MMT）和经颅多普勒（transcranial doppler，TCD）对治疗前后的情况进行评分和临床疗效评定。结果：接口组总有效率为93.6%，高于对照组的72.3%，差异有统计学意义（P<0.05）;治疗后，两组的FMA、MBI、MMT、TCD均优于治疗前，且接口组均优于对照组，差异均有统计学意义（P<0.05）。结论：脑机接口康复训练系统能有效治疗缺血性脑卒中恢复期上肢功能障碍，显著改善患者的上肢功能。

【关键词】 脑机接口康复训练系统 缺血性脑卒中恢复期 上肢功能障碍

[Abstract] Objective： To observe the therapeutic effect of brain computer interface rehabilitation training system and routine rehabilitation training on upper limb dysfunction in the recovery period of ischemic stroke， and to explore the effective treatment measures of upper limb dysfunction in the recovery period of ischemic stroke. Method： A total of 94 patients from outpatient and inpatient departments of encephalopathy rehabilitation department of Taian Traditional Chinese Medicine Hospital from January 2018 to June 2019 were selected， they were divided into interface group and control group according to random number table method， 47 patients in each group. The interface group was treated with brain computer interface rehabilitation training system and routine rehabilitation training， while the control group was treated with routine rehabilitation training. The observation results before and after treatment were scored and the clinical effect was evaluated with the simplified upper extremity assessment （FMA）， modified Barthel index （MBI）， manual muscle testing （MMT） and transcranial Doppler （TCD）. Result： The total effective rate of the interface group was 93.6%， higher than 72.3% of the control group， the difference was statistically significant （P<0.05）. After treatment， FMA， MBI， MMT and TCD of the two groups were all better than those before treatment， and the interface group were all better than those of the control group， with statistically significant differences （P<0.05）. Conclusion： Brain computer interface rehabilitation training system can effectively treat the upper limb dysfunction in the recovery period of ischemic stroke， significantly improve the upper limb function of patients.

[Key words] Brain computer interface rehabilitation training system Recovery period of ischemic stroke Upper limb dysfunction

First-authors address： Taian Traditional Chinese Medicine Hospital， Taian 271000， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2020.20.040

脑卒中以其高致残率已经跃居严重威胁人类生命健康的主要疾病，发病率越来越高，且呈年轻化趋势[1]。有学者统计缺血性脑卒中（ischemic stroke）占所有脑卒中的20%～40%[2]。在缺血性脑卒中后的诸多功能障碍中，上肢功能障碍最多见，是造成患者生活不能自理的主要原因之一。如何使患者的上肢功能尽快恢复或者尽可能减少残疾，是当前医学界的研究热点。随着人工智能在医学领域的应用越来越多，新方法层出不穷。1973年Jacquces Vidal首次提出脑机接口（brain-computer interface，BCI）的概念[3]，国内外众多专家学者纷纷投入到BCI的研究中，对临床应用型BCI技术报道越来越多。现在许多的康复机构中主要用BCI来治疗脑卒中患者的肢体功能障碍。本研究通过大量的临床实践，观察脑机接口康复训练系统和常规康复训练对缺血性脑卒中恢复期上肢功能障碍的疗效差异，探寻出治疗缺血性脑卒中恢复期上肢功能障碍新的有效治疗措施，为临床治疗此类疾病探索新的有益的方案，现将研究结果报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2018年1月-2019年6月来自泰安市中医医院脑病康复科门诊和住院部的94例患者。诊断标准：参照《中国急性缺血性脑卒中诊治指南2014》（中华医学会神经病学分会脑血管病学组制定）;有责任病灶的神经功能缺损;有部分或全面的神经功能缺失表现;颅脑CT或MRI排除脑出血和其他病变，有责任缺血病灶。疾病分期：急性期，发病2周以内;恢复期，发病2周～6个月;后遗症期：发病6个月以上。（1）纳入标准：①符合上述诊断标准伴有上肢功能障碍且属于责任病灶者;②患者初次发病且为缺血性脑卒中恢复期;③年龄18～70岁，经简易精神状态检查表（minimum mental state examination，MMSE）评分≥27分无认知功能障碍者;④临床试验之前未接受过正规的运动想象治疗;⑤经颅多普勒检查血管狭窄<30%或无明显狭窄者。（2）排除标准：①未脱离危險，生命体征尚不稳定者;②有恶性肿瘤、严重心肝肺肾及内分泌、造血、免疫系统等严重原发性疾病者;③近期有患侧上肢骨折、严重关节炎、关节置换术等影响上肢功能者;④精神疾病或经MMSE检测评分≤26分有认知功能障碍者;⑤患者或家属不能签署知情同意书，无法配合坚持治疗者。自愿加入本试验，本人或家属签订知情同意书并能够坚持接受治疗及检查者。按随机数字表法，将患者分为脑机接口康复训练系统治疗组（简称接口组）和常规康复训练对照组（简称对照组），每组47例。该研究已经医院伦理学委员会审查批准。

1.2 研究方法

1.2.1 接口组 所有入组患者均参照《中国急性缺血性脑卒中诊治指南2014》给予一般对症支持治疗，稳定血压、降脂降糖、抗血小板等处理。在此基础上予以：（1）脑机接口康复训练系统（山东海天智能工程有限公司，LSR-AⅡ型）治疗。本系统由主机、脑电控制器、电刺激线、软件四部分组成。患者坐位，开始治疗时，患者先进行“放松”和“想象”训练，软件系统设定模拟日常生活或医生提前设定好的康复训练动作，虚拟现实场景引导患者进行重复的运动想象，通过非侵入式的脑电采集装置采集患者脑电信号，转化成患者的运动意念，驱动电刺激仪刺激瘫痪上肢外侧后（腕背横纹上5 cm处），腕关节背屈，五指呈伸展状态，协助患者完成康复训练动作，整个过程有专业康复治疗师和一名患者家属陪伴完成。以上治疗1次/d，45 min/次，2周为一疗程，疗程间休息3 d，连续3个疗程。（2）常规康复训练：运动疗法，包括上肢关节主被动牵伸运动训练，PNF训练，翻身、起立坐位平衡训练;作业疗法，上肢的常规作业训练;日常生活能力训练，包括上肢抬举转移、内收外展、手抓握、投送训练。常规康复训练1次/d，45 min/次，2周为一疗程，疗程间休息3 d，连续3个疗程。

1.2.2 对照组 一般对症支持治疗同接口组，给予常规康复训练，训练的内容、次数、时间、疗程同接口组。

1.3 观察指标与评价标准 治疗前和治疗3个疗程后进行如下测评，（1）运动功能：上肢运动功能用简化的Fugl-Meyer评定法（fugl-meyer assessment，FMA）中的上肢评价量表评价。量表中涉及的上肢部分共计有33项，单项得分0～2分，总分0～66分，分数越高表示上肢运动功能越好。（2）改良Barthel指数（modified Barthel index，MBI），共有10个项目，每个项目根据患者的依赖程度分为5级，每个单项0～2分。共100分，得分越高，表示患者的日常生活活动能力越好。（3）肌力：采取徒手肌检查法（manual muscle testing，MMT）测评两组患者的上肢肌力情况。本方法分成0～5级6个层次，0级完全瘫痪，5级正常。0级得分为0分，5级得分为5分，其余每个层级得分范围为0～5分，总分0～25分，得分高者说明肌力好。（4）经颅多普勒检查（transcranial doppler，TCD）检查：分别对患者大脑前、大脑中、大脑后、颈内动脉终末段进行检查（双侧颞窗），经枕窗检查基底动脉及椎动脉。观察血流速度，记录收缩期血流速度峰值（Vs）、舒张末期血流速度（Vd）、阻力指数（RI）、搏动指数（PI）。Vs、Vd数值增高说明脑部供血增加，RI、PI数值下降说明血管阻力减小。（5）临床疗效标准：参考全国第四届脑血管病学术会议制定的脑卒中患者神经功能缺损评分标准进行疗效判定。基本痊愈：功能缺损评分减少91%～100%，病残程度0级;显著进步：功能缺损评分减少46%～90%，病残程度1、2级;进步：功能缺损评分减少18%～45%，病残程度3、4级;无变化：功能缺损评分减少17%，病症无改善，病残程度5级。恶化（包括死亡）：功能缺损评分较治疗前增多，病残程度6级。经治疗有进步者均认定为有效，无变化及恶化者认定为无效[4]。总有效=基本痊愈+显著进步+进步。

1.4 统计学处理 采用SPSS 22.0统计学软件处理所得数据，计数资料以率（%）表示，比较采用字2检验;计量资料以（x±s）表示，组间比较采用t检验，组内比较采用配对t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组一般资料比较 接口组男22例，女25例;年龄36～70岁，平均（58.6±2.7）岁;病程15～37 d，平均（18.2±1.7）d。对照组中男26例，女21例;年龄38～69岁，平均（60.2±1.9）岁;病程16～41 d，平均（19.2±2.1）d。两组患者一般资料比较，差异均无统计学意义（P>0.05），具有可比性。

2.2 两组患者治疗前后患侧FMA评分比较 治疗前，两组FMA评分比较，差异无统计学意义（P>0.05）;治疗后，两组FMA评分均较治疗前提高，且接口组治疗后FMA评分显著高于对照组，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表1。

2.3 两组患者治疗前后MBI评分比较 治疗前，两组MBI评分比较，差异无统计学意义（P>0.05）;治疗后，两组MBI评分均较治疗前升高，且接口组治疗后MBI评分明显高于对照组，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表2。

2.4 两组患者治疗前后患侧MMT评分比较 治疗前，两组MMT评分比较，差异无统计学意义（P>0.05）;治疗后，两组MMT评分均较治疗前提高且，接口组MMT评分高于对照组，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表3。

2.5 两组患者治疗前后经颅多普勒检查Vs、Vd、RI、PI比较 治疗前，两组Vs、Vd、RI、PI比较，差异均无统计学意义（P>0.05）;两组患者治疗后的Vs、Vd数值均较治疗前增高，且接口组均高于对照组;两组患者治疗后的RI、PI数值均低于治疗前，且接口组均低于对照组，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表4。

2.6 两组患者临床疗效比较 接口组总有效率为93.6%（44/47），高于对照组的72.3%（34/47），差异有统计学意义（P<0.05），见表5。

3 讨论

缺血性脑卒中后的上肢功能障碍治疗难度较大，直接影响患者的整体康复过程，如果患者能恢复部分或全部的上肢功能，生活品质就会明显提升，对患者有重要的现实意义。目前国内医疗界治疗本病急性期多溶栓、抗凝、抗血小板和脑神经保护剂等措施[5-6]。在恢复期多配合康复治疗，主要采取运动疗法、作业疗法、理疗等康复措施，也有学者研究中医综合治疗方案对缺血性脑卒中有一定优势，配合针刺、推拿、中药等方法[7]。

随着人工智能技术的不断成熟，在医学领域应用也越来越广泛。人类大脑是经过几百万年的自然选择和不断进化形成的，结构功能极其复杂。人类的大脑具有可塑性[8]，在近几十年神经康复医学实践中已经得到证实，许多脑损伤患者通过康复治疗和运动再学习可以使丧失的功能重新恢复。大脑基本的功能是通过神经反射来完成的，反射弧的完整性确保了大脑作为人体中枢和指挥系统的地位。信息的反馈和功能的再學习可以让神经反射更加灵敏继而使脑功能强大。脑机接口（BCI）根据这一原理利用人工智能设备操控脑电信息的外周成分，代替人类部分神经功能，使中枢神经系统与外周神经系统之间形成“闭环通路”并保证其完整性[9]。这种人工重建的“闭环通路”来替代损伤的大脑完成其中枢指挥的功能。脑机接口是借助人工智能设备使人类大脑与外界进行信息交流沟通的一种特殊方式，它不同于通过人类神经、血管、肌肉等传统的信息交换渠道，而是通过采集分析人类发出脑电信号，将人的运动等意志转换成电子信号，使人类直接通过脑电信号与外界进行实时互动的一种人工智能设备。脑机接口康复训练系统正是基于以上原理对脑损伤后留有功能障碍的患者进行康复的一种先进的治疗方法。脑机接口康复训练系统的实现主要有四个步骤[10]，分别为采集信号、信息解码处理、再编码、反馈，通过这四个部分将人与外界相连接，绕过脑部损伤的区域，进行信息交互沟通。通过脑电信号和外周设备之间的不断互通和反馈，使受损伤的脑部区域可以经过不断的人工智能信号的传输刺激来重新或部分恢复大脑的功能。特别是在脑部损伤不太严重的患者中作用更加明显，在患者大脑功能重塑、恢复功能方面发挥积极的治疗作用。李明芬等[11]研究认为，上肢运动功能的恢复与大脑事件相关同步去同步现象（ERD）认知时间的降低和ERD认知强度的增强密切相关，证明良好的运动想象在脑机接口康复训练系统改善脑卒中患者上肢运动功能中的重要作用。Ang等[12]研究也认为基于运动想象的BCI康复训练系统可有效改善脑卒中患者的上肢功能，方文垚等[13]应用BCI技术治疗40例脑卒中患者，可以提高其下肢功能障碍提高日常生活活动能力，证实对脑卒中患者肢体功能障碍有明显治疗作用。BCI康复训练系统近几年在脑卒中患者的功能恢复中逐渐受到重视，对其治疗机制的研究也逐步深化。

目前来说最具挑战性的还是对脑电信号的特征性识别和提取[14]，例如在不同的BCI中，时域特征、频率特征、视空间特征的脑电信号识别和提取有较大差别，这一部分的处理是BCI康复训练系统能否产生临床疗效的关键，同时也对脑机接口康复训练系统提出了更高的要求。脑电信号的收集现在多采用非植入式，避免了对患者的二次伤害，但是也带来了诸多的医学理论问题[15]。例如由于采集信息的“读脑”进而导致“控脑”，涉及患者的隐私泄露，长期应用是否会带来依赖以及长期“读脑”一旦设备出现问题是否会对患者造成伤害等问题。在治疗中应本着知情同意、自主、隐私保护等原则，发挥其治疗疾病的最大作用，避免和克服不良影响。脑机接口技术可以让猴子在1 min内敲打出“To be or not to be. That is the question”莎翁的经典台词[10];一名巴西瘫痪少年在2014年足球世界杯开幕式上，借助脑控外骨骼，代替球员完成开球[16]。在可以想象和预见的未来，随着人工智能的不断发展并广泛应用于临床，脑机接口康复训练系统会发挥越来越重要的作用。

综上所述，通过进行临床实践观察，对比常规康复训练疗法，脑机接口康复训练系统可以更好地改善缺血性脑卒中恢复期上肢功能障碍，能有效促进上肢功能的恢复，为临床治疗此类疾病提供有益参考。

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（收稿日期：2019-11-14） （本文编辑：张爽）