腦機(jī)接口技術(shù)在腦卒中偏癱患者下肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)治療中的應(yīng)用

方文垚，劉昊，楊柳，林思儉，劉邦亮，羅軍

(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院，南昌330006)

腦機(jī)接口技術(shù)(BCI)是指在大腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立的直接交流與控制通道，其主要特點(diǎn)是不需要通過(guò)大腦、周?chē)窠?jīng)、肌肉和骨骼這個(gè)正常的傳導(dǎo)輸出通路，也不需要借助語(yǔ)言或肢體動(dòng)作，就能夠使人直接通過(guò)大腦來(lái)表達(dá)思想或操縱設(shè)備，從而為功能障礙人群提供一種全新的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境控制的一項(xiàng)治療技術(shù)[1]。腦卒中是常見(jiàn)的腦血管疾病，具有發(fā)病率高、致殘率高、治愈率低的特點(diǎn)。循證醫(yī)學(xué)證實(shí)，腦卒中患者病情平穩(wěn)后越早進(jìn)行康復(fù)治療效果越好，然而由于傳統(tǒng)康復(fù)手段的局限性及康復(fù)介入的不及時(shí)，許多患者在后遺癥期仍遺留不同程度的運(yùn)動(dòng)功能障礙。近年來(lái)，BCI作為一種新型康復(fù)手段逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但大部分研究主要針對(duì)手功能康復(fù)，下肢功能康復(fù)涉及較少。本研究旨在研究BCI對(duì)恢復(fù)期腦卒中偏癱患者下肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的影響，為BCI的臨床應(yīng)用提供依據(jù)。

1　資料與方法

1.1　臨床資料

選取2016年1月～2017年1月南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院收治的腦卒中患者40例。入選標(biāo)準(zhǔn)：符合1995年第四屆全國(guó)腦血管病學(xué)術(shù)會(huì)議制定的腦梗死或腦出血的診斷標(biāo)準(zhǔn)[2]；初次發(fā)病，遺留中重度下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙；生命體征平穩(wěn)，意識(shí)清晰，認(rèn)知功能可；患側(cè)下肢Brunnstrom評(píng)定Ⅱ～Ⅲ期；年齡40～75歲；通過(guò)練習(xí)能理解簡(jiǎn)單的指令配合BCI康復(fù)訓(xùn)練；入選者可自行簽署知情同意書(shū)。排除標(biāo)準(zhǔn)：心、肺、肝、腎等重要臟器功能減退或衰竭；改良的Ashworth分級(jí)>2級(jí)；有嚴(yán)重頸椎、腰椎病變包括嚴(yán)重椎管狹窄、椎體不穩(wěn)定；過(guò)去12個(gè)月有癲癇發(fā)作史；導(dǎo)電膠過(guò)敏；戴有起搏器、顱內(nèi)有金屬植入物，或有顱骨缺陷。采用隨機(jī)數(shù)字表法將患者分為觀察組和對(duì)照組各20例。觀察組男12例、女8例，年齡(61.00±5.61)歲，病程(32.85±4.99)d；對(duì)照組男13例、女7例，年齡(61.80±6.11)歲，病程(33.85±3.73)d。兩組性別、年齡、病程具有可比性。

1.2　治療方法

兩組均給予傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練，包括促進(jìn)下肢的分離運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、重心轉(zhuǎn)移的訓(xùn)練、平衡訓(xùn)練以及日常生活活動(dòng)能力的訓(xùn)練。以上各項(xiàng)治療各30 min，1次/d，1周6次，共治療4周。觀察組在此基礎(chǔ)上每周接受5次下肢BCI康復(fù)訓(xùn)練，每次1 h，持續(xù)訓(xùn)練4周。腦機(jī)接口機(jī)購(gòu)于上海諾誠(chéng)電氣公司。腦機(jī)接口系統(tǒng)包括電腦、腦電放大器、下肢物理反饋設(shè)備、腦電帽，用以采集使用者原始腦電信號(hào)，見(jiàn)圖1。在進(jìn)行BCI康復(fù)訓(xùn)練前需要對(duì)患者進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動(dòng)想象的訓(xùn)練：屏幕上出現(xiàn)“……”表示治療之間休息，“+”表示治療開(kāi)始，“↑”“↓”分別表示想象患腿伸和屈，“θ”表示靜止不做任何想象。建議患者采用坐姿，將腿放在可以看到的地方；在屏幕上出現(xiàn)“+”時(shí)開(kāi)始做好想象的準(zhǔn)備，然后根據(jù)屏幕上出現(xiàn)的提示符來(lái)做相關(guān)的想象；在運(yùn)動(dòng)想象的時(shí)候，盡量減少物理運(yùn)動(dòng)比如肢體的動(dòng)作；在系統(tǒng)要求“靜止/不做任何想象”時(shí)，患者需要盡量屏住呼吸，盯住屏幕不做任何腦部運(yùn)動(dòng)。想象的方法需要患者反復(fù)練習(xí)，確保他們已經(jīng)完全明白所要求的步驟，然后才可以繼續(xù)。在采集患者腦電信號(hào)時(shí)，一旦采用某種運(yùn)動(dòng)想象方法、靜止及不想像的方式，在以后的訓(xùn)練和康復(fù)中需要采用同樣的方式，以保證系統(tǒng)的精確度。

圖1　腦機(jī)接口系統(tǒng)示意圖

BCI康復(fù)訓(xùn)練包括：建立模型采集訓(xùn)練、監(jiān)視測(cè)試訓(xùn)練、康復(fù)治療訓(xùn)練。采集訓(xùn)練是訓(xùn)練過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，共有4輪，將患者每次重復(fù)想象自己患側(cè)下肢屈伸動(dòng)作作為訓(xùn)練任務(wù)，每輪8 min左右，中間間隔2 min。采集訓(xùn)練的目的是為每個(gè)患者建模，根據(jù)患者大腦的不同腦電情況確定其對(duì)運(yùn)動(dòng)想象的反映。完成采集后需要監(jiān)視測(cè)試1次，共8～10 min，然后系統(tǒng)評(píng)估BCI的想象準(zhǔn)確率，準(zhǔn)確率合格后次日開(kāi)始康復(fù)訓(xùn)練。

1.3　治療效果評(píng)定方法

治療前及治療完成4周后，分別采用Fugl-Meyer評(píng)分(FMA)、改良Barthel指數(shù)(BI)評(píng)分及徒手肌力評(píng)估(MMT)評(píng)定偏癱下肢恢復(fù)情況。①臨床療效評(píng)定：參照腦卒中患者臨床神經(jīng)功能缺損評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[3]，分為基本治愈、有效、無(wú)效?；局斡鹤杂X(jué)癥狀緩解，肌力由0～1級(jí)恢復(fù)到4～5級(jí)，生活能自理；有效：自覺(jué)癥狀完全緩解，肌力由0～1級(jí)恢復(fù)到3～4級(jí)，生活基本能自理；無(wú)效：肌力無(wú)明顯恢復(fù)，體征無(wú)變化。以基本治愈+有效計(jì)算總有效率。②FMA[4]：下肢運(yùn)動(dòng)功能部分包括反射、髖、膝、踝等7大項(xiàng)，17個(gè)小項(xiàng)，共分3級(jí)(0～2分)，總分為34分，得分越高，提示下肢運(yùn)動(dòng)功能越好。③BI[5]：共分5級(jí)(100分)，不同級(jí)別代表不同程度的獨(dú)立能力，1級(jí)最低，5級(jí)最高，級(jí)數(shù)越高，代表獨(dú)立能力越強(qiáng)?？偡譃?00分。④MMT[6]：分為0～5級(jí)，分別計(jì)0～5分，對(duì)股四頭肌、腘繩肌、髂腰肌、臀大肌進(jìn)行肌力評(píng)定，總分20分，分?jǐn)?shù)越高提示患者下肢肌力越好。

1.4　統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2　結(jié)果

2.1　兩組臨床療效比較

觀察組基本治愈3例，有效15例，無(wú)效2例，總有效率90%；對(duì)照組分別為1、12、7例及65%。觀察組總有效率高于對(duì)照組(P<0.05)。

2.2　兩組下肢FMA評(píng)分比較

兩組治療前下肢FAM評(píng)分比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，治療后兩組評(píng)分均較治療前升高(P均<0.05)，觀察組高于對(duì)照組(P<0.05)。見(jiàn)表1。

表1　兩組治療前后下肢FAM評(píng)分比較(分，

注：與同組治療前比較，*P<0.05；與對(duì)照組同期比較，#P<0.05。

2.3　兩組BI評(píng)分比較

兩組治療前BI評(píng)分比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，治療后兩組評(píng)分均較治療前升高(P均<0.05)，觀察組高于對(duì)照組(P<0.05)。見(jiàn)表2。

表2　兩組治療前后BI評(píng)分比較(分，

注：與同組治療前比較，*P<0.05；與對(duì)照組同期比較，#P<0.05。

2.4　兩組下肢MMT評(píng)分比較

兩組治療前MMT評(píng)分比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，治療后兩組評(píng)分均較治療前升高(P均<0.05)，觀察組高于對(duì)照組(P<0.05)。見(jiàn)表3。

表3　兩組治療前后MMT評(píng)分比較

注：與同組治療前比較，*P<0.05；與對(duì)照組同期比較，#P<0.05。

3　討論

腦卒中可導(dǎo)致大腦不同程度的皮質(zhì)或皮質(zhì)下傳導(dǎo)束損壞，超過(guò)半數(shù)的腦卒中患者遺留不同程度的永久性偏癱[7]。下肢的主要功能是支撐體質(zhì)量和行走，部分腦卒中患者由于遺留中重度患側(cè)下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙，造成行走困難[8]，嚴(yán)重影響日常生活。針對(duì)此類(lèi)患者，早期進(jìn)行有效的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)具有重要意義。與傳統(tǒng)康復(fù)手段相比，基于腦電信號(hào)的BCI可以將大腦的電信號(hào)經(jīng)過(guò)外源輸出設(shè)備分析后轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的指令，從而實(shí)現(xiàn)大腦與外部環(huán)境之間的交互作用[9]，使卒中后遺留運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者重獲運(yùn)動(dòng)功能。

2003年P(guān)furtscheller等[10]首次使用BCI結(jié)合功能性電刺激(FES)使一個(gè)四肢癱瘓的患者用他癱瘓的手抓住了鋼瓶。Ang等[11, 12]證明，基于運(yùn)動(dòng)想象的BCl支持的機(jī)器人康復(fù)系統(tǒng)能夠改善卒中患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能，促進(jìn)后遺癥期腦卒中患者患手和患腕的康復(fù)[13]。Taylor等[14]對(duì)健康人及腦卒中患者進(jìn)行BCI干預(yù)，在這些受試者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象和踝關(guān)節(jié)背屈時(shí)通過(guò)腦電圖記錄運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮層電位，證明BCI訓(xùn)練可以影響健康成年人和卒中患者下肢的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性。Chung等[15]對(duì)腦卒中患者給予BCI結(jié)合FES進(jìn)行踝關(guān)節(jié)背屈訓(xùn)練(觀察組)，對(duì)照組僅給予FES進(jìn)行踝關(guān)節(jié)背屈訓(xùn)練，連續(xù)治療5 d后，觀察組站立行走時(shí)間試驗(yàn)、步調(diào)及步長(zhǎng)均有明顯改善，而對(duì)照組無(wú)顯著改善；因此認(rèn)為在改善腦卒中患者平衡和步態(tài)功能方面，BCI為基礎(chǔ)的FES訓(xùn)練比單純FES更有效。BCI促進(jìn)腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的機(jī)制是基于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性原理。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元和突觸的可塑性支持學(xué)習(xí)新信息和獲取新技能。BCI訓(xùn)練主要通過(guò)兩種途徑來(lái)促進(jìn)大腦重塑：①通過(guò)正確的方式調(diào)節(jié)大腦信號(hào)特征。首先患者通過(guò)BCI訓(xùn)練刺激大腦相關(guān)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，并把采集到的大腦信號(hào)經(jīng)解碼翻譯后轉(zhuǎn)達(dá)給患者，與此同時(shí)控制指令經(jīng)脊髓和外周神經(jīng)傳遞給患者肢體，從而影響大腦皮質(zhì)的活動(dòng)，恢復(fù)正常大腦皮質(zhì)的活動(dòng)模式，促進(jìn)神經(jīng)重塑改善患肢的運(yùn)動(dòng)功能。②與外界設(shè)備連接共同參與神經(jīng)重塑及康復(fù)。通過(guò)腦機(jī)接口的反饋，利用機(jī)械臂、手部和腿部屈伸支具、功能性電刺激等外接設(shè)備進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，使患者逐漸產(chǎn)生正常的運(yùn)動(dòng)模式，間接促進(jìn)患者正常的大腦相關(guān)信號(hào)產(chǎn)生，從而促進(jìn)大腦重塑，提高其運(yùn)動(dòng)控制水平[16]。

本研究利用上肢功能康復(fù)平臺(tái)的技術(shù)，研發(fā)出基于BCI的下肢功能康復(fù)平臺(tái)，通過(guò)BCI結(jié)合傳統(tǒng)康復(fù)治療手段作用于恢復(fù)期腦卒中患者，探討該訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)腦卒中患者下肢運(yùn)動(dòng)功能、平衡功能及日常生活能力恢復(fù)的影響。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)4周康復(fù)治療，兩組FMA、BI、MMT評(píng)分均較治療前提高，表明傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練及BCI訓(xùn)練均能有效提高腦卒中患者下肢運(yùn)動(dòng)功能、平衡功能及日常生活能力，促進(jìn)患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)；觀察組MFA、BI、MMT評(píng)分高于對(duì)照組，表明配合BCI訓(xùn)練系統(tǒng)較傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練在提高下肢運(yùn)動(dòng)功能、平衡功能方面作用更明顯，對(duì)提高患者日常生活能力幫助更顯著。

綜上所述，應(yīng)用BCI對(duì)恢復(fù)期腦卒中患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練是可行的，通過(guò)BCI訓(xùn)練可提高恢復(fù)期腦卒中患者下肢功能及日常生活能力。關(guān)于BCI訓(xùn)練系統(tǒng)促進(jìn)恢復(fù)期腦卒中患者神經(jīng)功能重塑的機(jī)制以及神經(jīng)電生理的改變有待進(jìn)一步研究。

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