经颅直流电刺激同步肢体功能性电刺激对脑外伤患者运动功能和平衡功能的影响

2022-03-16陈汉波丁丽娟郑文华贺灵慧李梦云燕铁斌

康复学报 2022年1期

关键词：变化率前庭组间

吕晓，陈汉波，丁丽娟，陈星，郑文华，魏妮，贺灵慧，李梦云，刘晨，燕铁斌，4*

1 广东三九脑科医院，广东广州 510510；

2 中山大学孙逸仙纪念医院，广东广州 510120；

3 郴州市第一人民医院，湖南郴州 423000；

4 广东省康复与养老工程技术研究中心，广东广州 510120

创伤性颅脑损伤（traumatic brain injury，TBI），又称脑外伤，是全球公共卫生问题，也是人类致残的主要原因之一［1］。脑外伤后的平衡功能和步行功能密切相关［2］，有文献表明Berg 平衡量表可用于入院时预测脑卒中患者步行改善程度［3］。脑外伤后的平衡功能对于预防跌倒，提高患者生活质量均有重要意义，但目前缺乏有效的康复手段。功能性电刺激（functional electrical stimulation，FES）是通过对完整外周运动神经施加电流从而使瘫痪肌肉收缩，产生功能性动作［4］。该技术已在临床广泛使用，对脑卒中、颅脑外伤、脊髓损伤等多种原因导致的上肢、下肢和盆底肌瘫痪都有治疗作用［5-6］。我们既往应用的基于正常行走模式的下肢多通道功能性电刺激对脑卒中患者的步行功能有明显改善作用［7-8］，临床上此技术已推广应用于多种病因导致的下肢步行功能障碍患者。经颅直流电刺激（transcranial di⁃rect current stimulation，tDCS）是一种非侵入性的，调节大脑皮层兴奋性和突触可塑性的新兴技术［9］，阳极刺激可兴奋皮层，阴极刺激可抑制皮层兴奋性。在电流刺激结束后作用可持续数分钟［10］。我们既往的研究证明功能性电刺激对脑损伤后的步行功能有明显治疗作用［11］，但目前同步应用调控中枢皮层兴奋性的神经调控技术治疗能否提高疗效，改善平衡功能尚未见相关报道。本研究联合应用经颅直流电刺激和功能性电刺激2 种治疗技术，观察其对脑外伤患者平衡功能的改善作用。

1 临床资料

1.1 病例选择标准

1.1.1 纳入标准 ①入院诊断为脑外伤的患者。②单侧肢体偏瘫，患侧下肢Brunnstrom 分期为Ⅲ～Ⅳ期；③病程为3～6个月；④年龄18～65岁；⑤站立平衡≥1 级，步行功能Holden 分级≥2 级（可监护下平地行走20 min）；⑥无失语、无感觉障碍、无严重认知功能障碍，简易智力测试量表AMT≥7 分［12］；⑦无严重的心、肺、肝、肾等相关疾病；⑧患者同意并签署知情同意书。

1.1.2 排除标准 ①头部或患侧下肢有皮肤破损或感染影响贴电极者；②踝跖屈肌群肌张力MAS≥3 级；③影响步行能力的其他神经肌肉和骨关节疾病。

1.2 一般资料

本研究为前瞻性随机对照研究，选取2018 年7 月—2020 年1 月在广东三九脑科医院康复医学科住院的颅脑损伤患者。该研究已获得广东三九脑科医院医学伦理委员会审查批件［批件号：2018（5）］，并已在中国临床试验注册中心注册认证（注册号：ChiCTR1800018925）。研究期间，共筛选脑外伤患者189 例，符合入组标准87 例，去掉符合排除标准者25 例，纳入分组病例62 例，其中6 例因未完成疗程而剔除，共56 例患者纳入统计，其中男42 例，女14 例。按照信封法分为同步组、FES 组和tDCS 组，其中同步组21 例，FES 组20 例和tDCS 组15 例。病程、简易认知功能评定（mini-mental state examina⁃tion，MMSE）不符合正态分布，进行对数转换后进行单因素方差分析；性别、偏瘫侧、文化程度进行χ2检验，3组间一般资料比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。见表1。

表1 3组一般资料比较［n（%），（±s）］Table 1 Comparison of general data in three groups［n（%），（±s）］

组别同步组FES组tDCS组χ2/F值P值例数21 20 15性别男15（71.43）15（75.00）12（80.00）0.349 0.840女右6（28.57）5（25.00）3（20.00）年龄/岁49.01±13.22 45.85±12.64 51.80±10.86 1.000 0.375偏瘫侧左10（47.62）6（30.00）5（33.33）1.509 0.472 11（52.38）14（70.00）10（66.67）组别同步组FES组tDCS组χ2/F值P值例数21 20 15病程/月2.69±2.10 2.48±1.41 1.63±1.26 1.865 0.165文化程度小学及以下7（33.33）6（30.00）6（40.00）1.896 0.755中学13（61.90）11（55.00）7（46.67）大专及以上1（4.76）3（15.00）2（13.33）MMSE/分22.62±8.89 19.25±10.87 19.00±8.90 0.861 0.429

2 方法

2.1 治疗方法

3 组均给予药物治疗和常规康复治疗，在此基础上，同步组给予头部tDCS 治疗同步下肢FES 治疗；FES 组给予头部安慰tDCS 治疗同步下肢FES 治疗；tDCS组给予头部tDCS治疗同步下肢安慰FES治疗。3组均治疗20 min/次，1次/d，连续治疗12 d。

2.1.1 tDCS治疗采用美国Soterix公司生产的1×1 tDCS 治疗仪，2个电极片大小均为5 cm×7 cm，将电极片在0.9%生理盐水中充分浸泡以后，阳极置于脑初级运动皮层的偏瘫下肢代表区（M1区），阴极置于对侧眼眶上缘。电流强度为2 mA。安慰刺激时电极片放置位置相同，采用设备自带的伪刺激功能。

2.1.2 FES治疗在正常行走状态下进行FES治疗。采用四通道FES 仪（广州凡科公司生产，易善行，型号：P2-9632），刺激电极分别置于偏瘫侧下肢胫前肌、股四头肌、腓肠肌及股二头肌运动点部位。股四头肌、股二头肌2 组肌群运动点采用6 cm×9 cm电极片；腓肠肌和胫前肌运动点采用3 cm×5 cm 电极片。FES治疗参数为双向对称方波，频率30 Hz，脉宽200 ms，电流强度以患者耐受为度。安慰治疗时电极放置位置与电刺激组相同，但治疗期间电刺激仪开机而无电流输出。

2.1.3 同步治疗方法 ①所有患者均先按照tDCS操作标准固定好tDCS电极，确定导电指示灯正常显示，设置好刺激时间和刺激强度；②按FES 操作顺序和肌肉位置，贴好8 块刺激电极，调好刺激参数；③同步组同时启动tDCS 治疗仪和FES 治疗仪，然后再调节FES 刺激电流至耐受强度（tDCS 安慰治疗先选择安慰模式再启动刺激，FES 安慰治疗将电流调至最小）；④启动这2 部治疗仪后，立刻进行平地行走（即tDCS治疗、FES治疗、行走训练同时进行）。

2.2 评定方法

①下肢Fugl-Meyer 运动功能评分（Fugl-Meyer assessment of lower extremity，FMA-LE）；②Berg平衡量表（Berg balance scale，BBS）；③动态平衡测试仪采用挪威Natus 公司生产的Neurocom Balance Man⁃ager System 系统（见图1）。其中FMA-LE 和BBS 于治疗前、治疗第6天和治疗第12天进行3次评定，动态平衡测试于治疗前后进行2次评定。所有评估均由第三方评估者完成，所有评估者均经过专门培训，且评估者不知道患者的分组及治疗方法。FMA-LE 的评估参见文献［13］，BBS 的评估参见文献［14］。动态平衡功能评定包括感觉统合测试含本体感觉、视觉、前庭觉、视觉依赖及综合测试，运动控制及综合测试，分别描述如下。

图1 Neurocom动态平衡系统Figure 1 Neurocom balance manager system

2.2.1 感觉统合测试（sensory integration test，SOT）

在平台不动状态下，①状态1：睁眼站立，测定视觉、前庭觉和本体觉3种感受器同时维持平衡的能力。②状态2：闭目站立，除去视觉，依靠本体和前庭系统维持平衡能力。③状态3：视景晃动，随重心偏移情况的晃动，不正确的视信息下，人依赖于前庭和本体维持平衡能力。在平台移动情况下：①状态4：睁眼站立，平台随重心晃动移动，依赖视觉和前庭觉系统维持平衡的能力。②状态5：闭眼站立，平台随重心晃动而移动，依赖前庭觉系统维持平衡。③状态6：视景和平台都随重心晃动而移动，依赖正确的前庭觉系统信息来维持平衡。

根据以上6 种状态可计算各感受器的平衡得分：①本体感觉（somatosensory cues，SOM）：SOM 值等于状态2/状态1，代表患者运用本体感觉保持平衡的程度。②视觉（visual cues，VIS）：VIS 值等于状态4/状态1，代表患者运用视觉保持平衡的程度。③前庭觉（vestibular cues，VEST）：VEST 值等于状态5/状态1，代表患者运用前庭觉保持平衡的程度。④视觉依赖（visual dependence preference，PREF）：PREF值等于（状态3＋状态6）/（状态2＋状态5），代表患者在冲突的视觉干扰环境下忽略错误视觉信息的能力。⑤感觉统合测试综合（sensory organization test composite，SOTC）：为所有得分的加权平均分值，由计算机系统自动计算所得，代表每个人的感觉统合综合能力。

2.2.2 运动控制测试（motion control test，MCT）评估患者在其支持表面突然位移时产生有效的运动反应的能力，操作方法为人站立在平台上，强压力传感平衡板突然向前和向后方向移动，其运动幅度根据以患者的身高自动调整，共测试3次，一般速度分别为：基础阈值，2.8 deg/sec；中等程度，6.0 deg/sec；饱和速度，8.0 deg/sec。

2.2.3 运动控制测试综合（motion control test com⁃posite，MCTC）运动控制测试的综合得分。

2.3 统计学方法

采用SPSS 21.0软件进行数据统计分析，用Sha⁃piro-Wilk法对计量资料行正态性检验，符合正态分布计量资料用（±s）表示，不符合正态分布计量资料用中位数（四分位数）描述，分类资料用例数和百分数（%）表示。计量资料组间比较，采用方差F检验，不满足条件的则用非参数秩和检验。组内治疗前后比较用配对样本t检验，不满足条件的则用非参数秩和检验。计数资料组间比较，采用χ2检验。计量资料重复测量资料：因量表各指标部分数据不符合正态分布，故我们将BBS、FMA-LE 指标用取自然对数形式进行转换后行重复测量方差分析，两两比较采用LSD-t检验。以α＝0.05 作为组间比较的检验水准。

3 结果

3.1 3组FMA-LE指标比较

见表2～4。3 组组内不同时间点两两比较，差异无统计学意义（P＞0.05），此处结论与重复测量结果相违背，以表3 重复测量结果为准；表3 中3 组的FMA-LE均随时间变化呈显著升高趋势（F＝28.424，P＜0.001），差异有统计学意义，但各组间比较差异无统计学意义（F＝0.453，P＝0.638）；相同时间点比较，其变化率差异无统计学意义（P＞0.05）。

表2 3组治疗不同时间点的FMA-LE指标比较（±s）Table 2 Comparison of FMA-LE in three groups before and after different time treatment（±s）

组别同步组FES组tDCS组F值P值例数21 20 15治疗前19.62±4.92 21.05±6.86 20.00±8.65 0.241 0.787治疗第6天20.91±5.58 23.15±7.36 21.27±9.11 0.542 0.585治疗第12天21.91±5.57 23.55±7.38 21.87±8.85 0.342 0.712组内前后比较F值0.958 0.695 0.173 P值0.389 0.503 0.842——

表3 FMA-LE指标的重复测量数据资料的方差分析Table 3 Repeated measurement ANOVA of FMA-LE in three groups

变化率1＝（治疗6次－治疗前）/治疗前×100%变化率2＝（治疗12次－治疗前）/治疗前×100%

表4 3组间FMA-LE指标变化率分析［P50（P25，P75）］Table 4 Analysis of change rate of FMA-LE in three groups［P50（P25，P75）］

3.2 3组治疗不同时间点的BBS指标比较

结果显示，随时间变化，各组的BBS 指标均呈显著升高趋势，说明各组治疗均能显著改善患者的平衡功能，差异有统计学意义（P＜0.05），见表5。重复测量的结果显示，同步组的治疗效果优于FES组、tDCS 组，差异有统计学意义（F＝3.277，P＝0.046），且随治疗时间增加，差异具有统计学意义（P＜0.05），见表6。比较3 组间的变化率可见，3 组间BBS 指标变化率1、变化率的2 组间差异有统计学意义（P＜0.05）；且经组间两两比较结果可得，同步组变化率1显著高于FES 组，同步组变化率2 显著高于FES 组、tDCS组；其余指标变化率差异无统计意义（P＞0.05）。见表7。

表5 3组治疗不同时间点的BBS指标比较（±s）Table 5 Comparison of BBS in three groups before and after different time treatment（±s）

注：与治疗前比较，1）P＜0.05；与治疗第6天比较，2）P＜0.05；与同步组比较，3）P＜0.05。Notes:Compared with that before treatment,1) P<0.05; compared with that after 6 days' treatment, 2) P<0.05; compare with the syn⁃chronous group,3)P<0.05.

组别同步组FES组tDCS组F值P值例数21 20 15治疗前29.71±10.08 34.35±11.26 28.27±10.19 1.669 0.198治疗第6天43.91±4.961）39.30±10.21 37.20±9.761）3.030 0.057治疗第12天58.24±8.091）2）42.35±7.961）3）39.53±8.681）3）29.009<0.001 F值66.883 3.322 5.797 P值<0.001 0.043 0.006——

表6 BBS指标的重复测量数据资料的方差分析结果Table 6 Repeated measurement ANOVA of BBS in three groups

表7 3组间BBS指标变化率分析比较［P50（P25，P75）］Table 7 Analysis of change rate of BBS in three groups［P50（P25，P75）］

3.3 3组动态平衡功能评估比较

由表8 结果可得，3 组平衡各指标组间比较，治疗前6 个指标差异均无统计学意义（P＞0.05）；治疗后SOTC、MCTC 2个指标组间差异有统计学意义（P＜0.05），且组间两两比较结果可得，SOTC、MCTC 2 个指标同步组均显著高于FES组、tDCS组。

表8 3组平衡指标比较［（±s），P50（P25，P75）］Table 8 Comparison of balance function in three groups before and after treatment［（±s），P50（P25，P75）］

注：与同步组比较，1）P＜0.05。Notes:Compared with the synchronous group,1)P<0.05。

组别同步组FES组tDCS组例数21 20 15 SOM VIS治疗前0.95±0.05 0.95±0.04 0.97±0.05治疗后0.95±0.03 0.97±0.05 0.97±0.06治疗前0.82（0.73，0.89）0.81（0.66，0.86）0.77（0.00，0.86）治疗后0.90（0.82，0.95）0.83（0.76，0.90）0.86（0.80，0.91）组别同步组FES组tDCS组例数21 20 15 VEST治疗前0.00（0.00，0.63）0.60（0.00，0.72）0.00（0.00，0.74）PREF治疗后0.64（0.00，0.74）0.66（0.00，0.77）0.64（0.00，0.72）治疗前0.98（0.88，1.05）0.98（0.79，1.03）0.93（0.84，1.01）治疗后0.98（0.96，1.03）0.96（0.92，1.12）0.99（0.82，1.02）组别同步组FES组tDCS组例数21 20 15 SOTC治疗前53.00（44.00，63.00）60.00（46.00，74.00）50.00（36.00，64.00）治疗后75.0（59.50，85.50）59.0（54.75，67.50）1）61.0（47.00，68.00）1）MCTC治疗前135.00（118.50，148.00）144.50（128.25，153.25）147.00（120.00，155.00）治疗后163.00（153.00，177.00）127.50（119.00，134.50）1）138.00（111.00，151.00）1）

6 个指标组内治疗前后比较：同步组的VIS、VEST、SOTC、MCTC 共4 个平衡指标治疗前后差异有统计学意义（P＜0.05），且均治疗后高于治疗前；FES组的MCTC指标治疗前后差异有统计学意义（P＜0.05），且治疗后低于治疗前；tDCS 组的VIS、SOTC共2 个指标治疗前后差异有统计学意义（P＜0.05），且均治疗后高于治疗前。其余组别各指标治疗前后差异均无统计学意义（P＞0.05）。

由表9 结果可得，应用秩和检验，3 组间平衡指标变化率分析，MCTC变化率指标差异有统计学意义（P＜0.05），同步组变化率2 显著高于FES 组、tDCS组（P＜0.05）。其余平衡指标组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。

表9 3组间平衡指标变化率分析［P50（P25，P75）］%Table 9 Analysis of change rate of balance function in three groups［P50（P25，P75）］%

4 讨论

本研究发现，同步应用tDCS 和FES，可以改善患者的平衡能力，尤其是改善患者的感觉统合能力和动态运动控制能力。平衡被定义为在支撑基础内以最小的姿势摇摆维持重力线的能力，平衡控制是一个依赖于视觉、前庭和体感输入到中枢神经系统（CNS）组合的一个过程［15］。由于感觉、运动和肌肉骨骼系统之间复杂连接失败而导致的平衡缺陷在TBI患者中非常常见。许多因素可以导致平衡能力受损：如生物力学和关节运动学、感觉运动和神经控制、心肺失调，以及认知、心理和跌倒恐惧［16］。

平衡缺陷是TBI 患者最严重的损伤之一，保持坐姿和站立时的平衡是所有日常活动的必要条件，包括自理、步行和驾驶［16］。既往文献表明，健康人站在稳定的表面上并获得视觉输入时，感官会受到70%的体感输入、20%的前庭输入和10%的视觉输入的影响［17］。基于这一发现，躯体感觉和前庭系统是在站立时获得姿势控制的主要感觉系统。业已证明，同时刺激视觉、前庭觉和/或本体感觉，如站立在振动仪上的前庭锻炼、振动仪上的虚拟现实或跑步机上的运动都会改变神经系统多个层面的神经可塑性，最大程度地提高TBI 和其他人群的平衡能力［18-20］。因此，步行功能的改善对平衡功能的改善有明显的相互促进作用。

功能性电刺激是一个融合多个学科的交叉研究领域，具有重要的研究意义和广阔的临床应用前景［4］。本研究所使用的四通道功能性电刺激仪采用运动控制理论，具有应用方便（可穿戴、便携），疗效明显的特点，临床容易推广，深受专业人员及患者欢迎。已有很多文献证明，其对脑卒中偏瘫急性期、慢性期的运动功能均有明显的促进作用［7-8，21］，在医院日常工作中对多种原因的脑损伤患者导致的偏侧肢体运动障碍都有明显的疗效。

神经调控技术的出现给神经系统疾病的治疗带来了新的希望，其中，tDCS 是一种新型非侵入性脑调控技术，能够直接调节皮层兴奋-抑制环路功能状态，且几乎不引起不良反应，已成为一种新型的康复手段［22］。tDCS 的作用机制是通过接触头皮的微弱电流改变神经元活性和脑血流（cerebral blood flow，CBF）大小；带来突触和非突触的后效应；根据电极正负调节神经递质；改变振荡脑活性和脑的功能连接模式。这种非侵入性神经刺激手段是改善TBI 后运动功能的一种可选方式，同时对脑卒中、帕金森、阿尔茨海默病伴随的功能障碍也有改善作用［23-25］。研究发现，tDCS 电极置于不同位置，可产生不同的治疗效果，阳极电极放置于左侧运动主皮层投影区，可促进运动功能提高［26］。

本研究同时应用tDCS 和FES，分别从中枢调控皮层兴奋性，从外周给予肌肉感觉刺激，调高肌肉收缩力；这种外周和中枢同时给予刺激，有助于提高对平衡功能的康复治疗作用。本研究结果表明，单用阳极tDCS 或基于正常行走模式的四通道FES或tDCS 同步FES 治疗均能改善脑外伤恢复期偏瘫患者下肢运动功能和平衡功能。但同步治疗比单独使用FES 或tDCS 治疗更有益，且主要通过改善患者的运动控制能力来改善患者的综合平衡功能。

运动控制是指肢体精确完成活动任务的能力，是大脑运动皮质功能、小脑和脑干平衡协调功能、脊髓中间神经元功能、神经传导和神经-肌肉接头功能、肌肉收缩和舒张功能以及骨关节功能综合作用的表现。情绪、心理和认知功能也参与了运动控制的过程。涉及上述各个环节的障碍都可以导致运动控制障碍，表现为具有一定的肌力，但是无法控制动作的精确性和靶向性。脑外伤后相当数量的患者表现为运动控制障碍。运动控制障碍的康复有赖于感觉的输入、模式化运动的重建和多次重复。本研究证明，通过FES 刺激提高患者外周的感觉输入，基于正常步态的正确行走模式的刺激以及tDCS 对皮层兴奋性的调控作用，可以更好地提高患者的运动控制能力。tDCS 同步FES 治疗的协同治疗模式为临床提供了新的思路。本研究表明在如何促进脑-肢协同治疗的效果方面，还需要在刺激方式、刺激时间、电流强度、电流密度、同步方式等方面做更大样本、更长治疗周期的进一步研究。