脑机接口控制的功能性电刺激对脑卒中患者上肢功能障碍的康复效果

唐千乇，张通

1.首都医科大学康复医学院，北京市 100068；2.中国康复研究中心北京博爱医院，北京市100068通讯作者：张通，E-mail：tom611@126.com

脑卒中遗留严重功能障碍，提高脑卒中患者患侧肢体运动功能，尤其是改善上肢功能，促进患者生活质量的提高，是康复治疗研究和实践的难点、重点。由于中枢运动神经通路受损，患者相应的躯干、肢体运动能力下降或消失，严重影响日常基本活动。脑机接口(brain-computer interface,BCI)技术的推广获得了康复医学界的重视，为运动障碍康复提供了新的思路。

运动想象[1]是在实际运动没有发生的情况下，内心排演、模拟特定动作，激活相应的运动神经通路，从而提高瘫痪肢体运动功能。有研究表明[2]，运动想象可改善脑卒中后运动功能障碍、吞咽功能障碍等；但在实际应用中，运动想象难以被广泛推广，重要原因是想象过程难以被医师或治疗师监督，缺乏直观的方法用于判断患者是否有效完成运动想象任务。脑机接口技术的出现弥补了这一技术空缺。目前认为，运动想象应是有针对性地从功能训练活动中选择出一些动作，结合计算机予以实施[2-3]。脑机接口[4]成功地为运动想象过程进行实时监控、测量及反馈，近年来在脑卒中肢体运动功能康复中迅速发展[5-8]。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2019 年7 月至2020 年11 月期间，北京博爱医院神经康复科住院的发病3 个月内的脑梗死并伴有上肢运动功能障碍的患者。

纳入标准：①18～80 岁，男女不限，右利手；②诊断为脑梗死，首次发作，梗死灶在大脑左半球；③体征平稳，病情稳定，超过48 h 以上；④患侧上肢和手的Brunnstrom 分期Ⅲ～Ⅳ期；⑤认知功能正常，简易精神状态检查(Mini-Mental State Examination,MMSE)评分＞26分，视力正常或矫正后正常；⑥同意并签署参与本研究的知情同意书。

排除标准：①数次梗死、脑出血；②患侧肌张力较高(改良Ashworth 分级＞2 级)或疼痛(视觉模拟量表＞4 分)；③脑卒中后抑郁(汉密尔顿抑郁量表＜7 分)；④严重注意、视觉及交流障碍或其他干扰研究目的的体征；⑤其他神经、精神疾病、癫痫病史。

共纳入34 例，其中男性23 例，女性11 例，采用随机数字表法分为对照组(n=17)和试验组(n=17)。两组性别、年龄、病程和MMSE评分均无显著性差异(P＞0.05)。见表1。

表1 两组一般资料比较

本实验经中国康复研究中心医学伦理委员会批准(No.2019-81-1)，患者知晓实验的过程及研究意义。

1.2 方法

两组均进行综合治疗，包括关节、肌肉训练、神经促进技术、日常生活动作训练等。

对照组进行单纯功能性电刺激(functional electrical stimulation,FES)。选取桡侧腕长、短伸肌和尺侧腕伸肌[9]作为刺激部位，评价患侧上肢的肌张力和运动功能。刺激强度：频率35 Hz，脉宽200 μs，电流强度8 mA，在0～100 mA 之间可调节，刺激持续5 s，休息10 s，参数的调节以出现目标动作为标准。

试验组进行脑机接口控制的FES，步骤如下。①系统(脑电和FES)的佩戴和准备，同时由康复师对训练流程和要点进行讲解；②进行静息态脑电采集5 min，其中睁眼3 min，闭眼2 min；③进行右侧上肢运动想象训练5 min，以第一人称想象50 次；④进行运动想象-FES 反馈训练20 min (50 次，分2 组，每组25 次，组间休息2 min；每个练习包含视听觉引导2 s，想象5 s，FES 刺激4 s 和声音反馈，休息2 s；运动想象正确给予FES反馈，错误则无FES反馈)。

每次30 min，每个工作日1 次，每周5 次，持续4周。

1.3 评价指标

1.3.1 患侧肘关节反应时间

反应时间通过Telemyo 2400T 表面肌电系统(美国Noraxon 公司)测量。将一次性电极置于肱三头肌肌腹上，用酒精清洁皮肤。在反应时间评估中，受试者在刺激视觉信号发出前2～3 s 给予口头提示“准备”。受试者被要求对视觉信号做出反应，尽可能快地伸展肘关节。通过用铝板接触前臂上的电极来打开和关闭信号。在主动伸肘开始时，电极与铝板失去接触，并记录信号。肌电信号和肘关节伸展的开关信号在表面肌电系统显示器上同步显示，计算差值即为反应时间。每次测量进行3次，取平均值[10]。

1.3.2 肘关节位置觉误差

在肘关节位置觉误差测试中，使用BioVal 4.51 角度测量系统(法国RMInginerie公司)。固定臂和活动臂分别为肱骨和桡骨的纵轴，计算机记录肘关节的伸展角度。受试者被要求闭上眼睛，检查者先检查患者的最大屈曲和伸展角度，在此范围之内，测试者将受试者的肘关节伸展成任意角度。然后，受试者的肘关节完全屈曲，并要求他们以与最初伸展时大致相同的角度伸展肘关节。记录肘关节伸展角度的误差。每次测量进行3次，取平均值[11]。

1.3.3 Fugl-Meyer 评定量表上肢部分(Fugl-Meyer Assessment-Upper Extremity,FMA-UE)

FMA-UE 分为4 个部分，包括近端肢体、腕、手和整体协调能力，共计33 小项(其中近端肢体18 项，腕5 项，手7 项，协调能力3 项)，每小项2 分，总分66分。

1.3.4 改良Barthel指数(modified Barthel Index,MBI)

MBI涉及10个部分，每个部分10分，共100分。

1.3.5 事件相关去同步化(event-related desynchronization,ERD)强度

对脑电信号进行记录和分析。①去伪迹。去除脑电信号中的干扰电信号，如肌电、眼电和心电等。②滤波。用滤波器去除外界干扰噪声来更好地观察ERD强度，脑电信号滤波后频率为8～30 Hz。③基线校准。将C3 导联想象任务前2 s 静息状态下能量均值作为基础值，运动想象期间4 s的能量均值减去基础值[12]，使用Matlab软件计算出ERD强度百分比[13]。

1.4 统计学分析

采用SPSS 21.0 统计软件进行统计学分析。计量资料服从正态分布，以()表示，两组比较采用二元方差分析；不服从正态分布的计量资料、等级资料采用非参数检验。显著性水平α=0.05。

2 结果

治疗后，两组患侧肘关节的反应时间、肘关节位置觉误差、FMA-UE、MBI评分和ERD 强度均明显改善(P＜0.01)，且试验组均优于对照组(P＜0.05)。见表2～表6。

表2 两组治疗前后患侧肘关节反应时间比较(ms)

表3 两组治疗前后患侧肘关节位置觉误差比较(°)

表4 两组治疗前后FMA-UE评分比较

表5 两组治疗前后MBI评分比较

表6 两组治疗前后ERD强度比较(%)

3 讨论

脑卒中后患侧上肢功能障碍是较常见的症状。有研究表明[14]，运动想象疗法与功能训练相结合，可以增强患者对有意义活动的执行能力，促进患侧上肢功能的恢复。Ramos-Murguialday等[14]发现，慢性重度脑卒中患者(病程＞6 个月)接受脑机接口治疗6 个月后手臂功能持续改善，且优于运动疗法治疗；提示对于慢性重度脑卒中患者而言，脑机接口训练能够有效地促进与功能改善相关的皮质重塑，诱发运动功能的持续恢复。Page 等[15]发现，对慢性脑卒中患者进行物理疗法结合运动想象治疗，可以改善脑卒中患者的患侧上肢功能。刘小燮[16]对4 例慢性脑卒中患者研究发现，相较单纯FES训练，脑机接口-FES训练能更好地促进大脑皮层以及皮层下神经元重塑，更好地改善患者上肢功能，且效果保持时间更长。Cervera 等[17]的Meta分析表明，脑机接口训练对脑卒中患者上肢功能的改善有中等或较大影响。

Alpha 波段的ERD 反映大脑皮层神经元兴奋性，因此本实验通过研究ERD强度，来探究脑机接口控制的FES 对于脑卒中患者的上肢功能运动改善的脑部机制[18]。

电流能引起包括神经元在内的易兴奋细胞的反应。FES 是利用低频电刺激仍受神经支配的瘫痪肌肉，引发相应肌肉收缩，并可产生功能性运动(站立、行走、抓取)[19]。FES 可以帮助脑卒中患者增加肌肉力量，改善肩关节半脱位(脱位)以及降低肌肉张力，从而增强瘫痪侧肢体功能[20]，促进患者的生活自理，降低致残率[21]。

脑机接口-FES治疗形成了自中枢向外周的主动训练模式和自外周向中枢的被动训练模式。脑机接口治疗是中枢干预治疗，脑机接口治疗可促进受损伤脑神经代偿或恢复，激活大脑的神经可塑性[22-23]。从中枢向外周，患者能够主动参与康复训练，运用大脑较强的运动意图来完成运动想象任务，使用脑机接口技术刺激相应的大脑皮层，促进中枢神经系统重构，并通过脊髓和外周神经向肢体发送控制肢体运动的信号。从外周向中枢，包括听觉和触觉两种不同的反馈方式，患者可以根据反馈对运动想象进行有效的监控、激励和纠正。听觉反馈是在患者完成脑机接口系统要求的运动想象任务后，系统给予相应的声音反馈，用于激励患者或者纠正患者错误的运动想象过程。触觉反馈是在患者完成运动想象任务后，使用FES 刺激患者患侧上肢，兴奋外周神经，加强肢体血液循环，改善营养供给。听觉和触觉反馈共同形成外周反馈，诱导机体和大脑形成闭合回路，促进“中枢-外周-中枢”刺激环路的形成[24]，增强患者上肢功能康复。这符合本实验的研究结果，受试者经过4 周治疗后，试验组无论是中枢神经元的兴奋性，还是外周肢体功能以及生活能力都有提高，并且优于对照组。

注意力高度集中是脑机接口治疗的显著特征，不论FES 还是脑机接口均已被证实可促进中枢神经系统重塑。将脑机接口和FES 技术进行整合形成一种新的康复训练系统，既符合运动学习的原则，又可诱发中枢神经系统的重塑；既可应用于具有较好运动功能的患者，又可实现对严重瘫痪患者的康复治疗，拥有巨大潜力[25]。

本研究仅采用脑电来探究脑机接口治疗脑部机制，由于脑脊液、颅骨以及脑皮层表面的复杂结构，对脑电图的波形会有干扰，因此，ERD 并不是显示脑部神经元兴奋性的一个十分完善的评价方法[26]，接下来可借助脑功能成像技术[16]，进一步对脑部机制探究。此外，还需要更大量的样本验证结论。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。