影響腦卒中患者腦機(jī)接口上肢訓(xùn)練效果的相關(guān)因素

吳瓊，葛云祥，馬迪，龐雪，曹瑩瑜，潘鈺，竇維蓓,4

1.清華大學(xué)附屬北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院/清華大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，北京市 102218；2.清華大學(xué)電子工程系，北京市 100084；3.北京石油化工學(xué)院光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 102617；4.北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心，北京市100084

腦機(jī)接口(brain-computer interface,BCI)是一種人體內(nèi)外環(huán)境交互控制的系統(tǒng)，它不依賴由外周神經(jīng)、肌肉組成的腦輸出通路，可直接反映思維活動(dòng)過程中的腦神經(jīng)活動(dòng)信息[1-2]。基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口(motor imagery brain-computer interface,MI-BCI)可以客觀量化并強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的反饋、任務(wù)獎(jiǎng)勵(lì)和優(yōu)化，并通過適當(dāng)?shù)母杏X反饋“閉合”受損的感覺運(yùn)動(dòng)回路；影響并量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可塑性。MI-BCI 訓(xùn)練能顯著改善腦卒中患者上肢肌電信號(hào)、關(guān)節(jié)活動(dòng)度、運(yùn)動(dòng)功能和日常生活活動(dòng)能力[3-4]。但MI-BCI 訓(xùn)練效果可能受患者病程、病灶部位、言語認(rèn)知功能、精神心理狀態(tài)、痙攣等多種因素影響，有必要研究影響腦卒中患者M(jìn)I-BCI 上肢康復(fù)療效的相關(guān)因素，以便定制個(gè)性化干預(yù)策略[5-6]。本研究在評(píng)估MI-BCI 訓(xùn)練對(duì)腦卒中后上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙康復(fù)療效的基礎(chǔ)上，對(duì)治療效果進(jìn)行分類，比較不同類型患者間臨床特征差異，并分析影響腦卒中患者M(jìn)I-BCI 上肢訓(xùn)練療效的相關(guān)因素。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018 年1 月至2019 年7 月北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院住院腦卒中患者，診斷符合中國(guó)急性腦卒中臨床研究規(guī)范共識(shí)2018[7]，并經(jīng)頭顱磁共振或CT 檢查明確診斷。納入、排除及脫落標(biāo)準(zhǔn)參考前期研究[8]，同時(shí)波士頓診斷性失語癥檢查評(píng)分＞3級(jí)。

最初共納入29 例。訓(xùn)練中，因BCI 正確率＜70%，不宜行MI-BCI 訓(xùn)練排除2 例；自行終止訓(xùn)練2例；未完成末次評(píng)估2 例。最終23 例完成訓(xùn)練和數(shù)據(jù)采集。

本研究經(jīng)北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(No.18172-0-02)，并在中國(guó)臨床試驗(yàn)注冊(cè)中心注冊(cè)(No.ChiCTR1900022128)。所有患者均在試驗(yàn)前簽署知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)采集

采集患者以下數(shù)據(jù)：性別，年齡，病程，病變性質(zhì)，病變半球，近3 個(gè)月內(nèi)患側(cè)腕、手部位是否進(jìn)行過肉毒毒素注射，是否伴有失語癥，訓(xùn)練前患側(cè)手指屈肌改良Ashworth 量表(modified Ashworth Scale,MAS)評(píng)分和Fugl-Meyer評(píng)定量表上肢部分(Fugl-Meyer Assessment-Upper Extremities,FMA-UE)評(píng)分。病變部位根據(jù)牛津郡社區(qū)卒中研究分型[9]。患者一般資料見表1。

1.3 訓(xùn)練方法

患者在常規(guī)上肢康復(fù)訓(xùn)練基礎(chǔ)上接受MI-BCI 上肢功能訓(xùn)練，每周5 d，連續(xù)4周。

常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練包括作業(yè)治療、運(yùn)動(dòng)療法、物理因子治療等，每天1 h。

MI-BCI 上肢訓(xùn)練包括模型建立階段和實(shí)際訓(xùn)練階段，10 次為1 組，組間允許患者休息1 min，每次訓(xùn)練共完成約100 次運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)，并通過手部外骨骼完成患側(cè)手指被動(dòng)屈伸，共約1 h。訓(xùn)練前囑患者避免眨眼、咳嗽、咀嚼、頭部和身體移動(dòng)，具體訓(xùn)練方案與前期研究相同[10]。

表1 患者一般情況

1.4 功能評(píng)定

訓(xùn)練前和訓(xùn)練20 d 后，進(jìn)行患側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)定和患側(cè)手指屈肌肌張力評(píng)定。

采用FMA-UE 進(jìn)行患側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)定，忽略量表中上肢感覺、被動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度、疼痛部分，反射項(xiàng)目部分。按肩、肘、腕、手部和協(xié)調(diào)/速度分別進(jìn)行評(píng)測(cè)，5 項(xiàng)相加得到FMA-UE 總分；以肩與肘評(píng)分之和為FMA 上臂評(píng)分；腕與手評(píng)分之和為FMA 腕手評(píng)分。簡(jiǎn)化版FMA-UE 總分60 分，腕手分24 分，上臂分30分，評(píng)分越高功能越強(qiáng)[11]。

采用MAS 評(píng)定患側(cè)手指屈肌肌張力[12-13]。為統(tǒng)計(jì)方便，0 級(jí)計(jì)0 分，I級(jí)計(jì)1 分，I+級(jí)計(jì)1.5 分，Ⅱ級(jí)計(jì)2分，Ⅲ級(jí)計(jì)3分，Ⅳ級(jí)計(jì)4分[14]。

所有評(píng)定均由同一名經(jīng)過培訓(xùn)的人員進(jìn)行，評(píng)定者對(duì)治療情況不知情。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

鑒于FMA-UE 腕手評(píng)分改善＜2 分時(shí)，患者難以感受手功能變化，根據(jù)最小臨床重要差異(minimum clinically important difference,MCID)的定義，本研究以訓(xùn)練后FMA-UE 腕手評(píng)分提高≥2 分為標(biāo)準(zhǔn)，將患者分為顯效組(n=11)和非顯效組(n=12)[11-12,15-16]。

采用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料采用Shapiro-Wilk 檢驗(yàn)正態(tài)性，符合正態(tài)分布的以(±s)表示，采用組內(nèi)比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；不符合正態(tài)分布的用M(QL,QU)表示，組內(nèi)比較采用配對(duì)Wilcoxon 檢驗(yàn)，組間比較采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)。分類變量采用χ2檢驗(yàn)。因變量和自變量均為連續(xù)變量，符合正態(tài)分布的，采用Pearson 相關(guān)性檢驗(yàn)；有一項(xiàng)不符合正態(tài)分布的，采用Spearson 相關(guān)性檢驗(yàn)；自變量為分類變量的，使用交叉列聯(lián)表分析。顯著性α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 訓(xùn)練效果

訓(xùn)練后，所有患者FMA-UE 總分、腕手分、上臂分均顯著改善(P＜0.001)，MAS 評(píng)分無明顯改善(P＞0.05)。見表2。

兩組訓(xùn)練后，F(xiàn)MA-UE 總分、腕手分、上臂分均改善(P＜0.05)；MAS 評(píng)分無顯著性改善(P＞0.05)。訓(xùn)練前，兩組FMA-UE 總分、腕手分、上臂分無顯著性差異(P＞0.05)；非顯效組MAS 評(píng)分明顯高于顯效組(P＜0.01)。訓(xùn)練后，顯效組FMA-UE 總分、腕手分、上臂分均高于非顯效組(P＜0.05)；非顯效組MAS 評(píng)分仍明顯高于顯效組(P＜0.01)。顯效組治療前后FMA-UE 總分、腕手分差值明顯高于非顯效組(P＜0.01)，上臂分差值無顯著性差異(P＞0.05)。見表3～表6。

2.2 相關(guān)因素

兩組治療前MAS 評(píng)分(表6)和是否使用肉毒毒素(表7)方面有顯著性差異(P＜0.05)，其余變量無顯著性差異(P＞0.05)。見表7。

表2 患者訓(xùn)練前后上肢功能比較(n=23)

表3 兩組訓(xùn)練前后FMA-UE總分比較

表4 兩組訓(xùn)練前后FMA-UE腕手分比較

表5 兩組訓(xùn)練前后FMA-UE上臂分比較

表6 兩組訓(xùn)練前后MAS評(píng)分比較

2.3 相關(guān)性分析

分別以性別，年齡，病程，病變性質(zhì)，病變半球，近3 個(gè)月內(nèi)患側(cè)腕、手部位是否進(jìn)行過肉毒毒素注射，是否伴有失語癥，訓(xùn)練前患側(cè)手指屈肌MAS評(píng)分和FMA-UE 總分、腕手分、上臂分為自變量，以訓(xùn)練后FMA-UE 總分、腕手分、上臂分為因變量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，伴有失語與FMA-UE 總分、上臂分負(fù)相關(guān)(P＜0.05)；MAS 評(píng)分與腕手分負(fù)相關(guān)(P＜0.05)；訓(xùn)練前后FMA-UE總分、腕手分、上臂分之間均呈正相關(guān)(P＜0.05)。見表8。

3 討論

本研究顯示，經(jīng)過MI-BCI 上肢訓(xùn)練，亞急性腦卒中患者FMA-UE 評(píng)分明顯增加，改善程度總體大于MCID，與前期研究一致，提示MI-BCI訓(xùn)練可改善亞急性期腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能。分組比較發(fā)現(xiàn)，雖然上肢各部分功能基線水平相同，但手部評(píng)分改善明顯的患者，上肢功能改善程度較好，同時(shí)治療前手指屈肌痙攣程度較低、肉毒毒素使用較少。相關(guān)性分析顯示，訓(xùn)練后上肢功能水平與基線上肢功能水平、是否伴有失語癥、手部痙攣程度相關(guān)。總體而言，基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)功能差、伴有言語障礙和痙攣，可能是腦卒中上肢功能障礙患者M(jìn)I-BCI訓(xùn)練效果的不利因素。

表7 兩組特征變量比較

腦卒中偏癱患者上肢功能恢復(fù)是神經(jīng)康復(fù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，恢復(fù)程度存在個(gè)體間差異。影響上肢功能恢復(fù)的因素國(guó)內(nèi)外報(bào)道不一。從神經(jīng)解剖角度，病變大小、病變位置、下行運(yùn)動(dòng)路徑，尤其是皮質(zhì)脊髓束損傷程度，與功能預(yù)后顯著相關(guān)[17-18]；從神經(jīng)生理功能角度，病灶周圍乃至雙側(cè)半球網(wǎng)絡(luò)的功能和結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致患者間恢復(fù)水平的差異。從臨床特征角度，殘存運(yùn)動(dòng)功能是上肢功能預(yù)后最重要的預(yù)測(cè)因子[17,19-20]，諸如早期聳肩動(dòng)作出現(xiàn)[21]、患側(cè)手指主動(dòng)伸展[22]以及患手握力殘存[23]都提示預(yù)后良好。本研究也顯示，初始上肢運(yùn)動(dòng)功能是訓(xùn)練后上肢各部位運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)最重要的相關(guān)因素。值得注意的是，初始運(yùn)動(dòng)功能是皮質(zhì)脊髓束損傷程度、腦網(wǎng)絡(luò)功能代償能力的反映，與患者操縱MI-BCI設(shè)備的表現(xiàn)并無相關(guān)性[24]。

痙攣是皮質(zhì)脊髓束損傷的重要臨床表現(xiàn)，早期出現(xiàn)嚴(yán)重手痙攣、手腕反射扭矩增大，與皮質(zhì)脊髓束損傷嚴(yán)重程度相關(guān)，提示預(yù)后不良[12]。本研究顯示，非顯效組患側(cè)手指屈肌痙攣程度、肉毒毒素使用均明顯高于顯效組；同時(shí)，患側(cè)手指屈肌痙攣程度與訓(xùn)練后腕、手運(yùn)動(dòng)功能負(fù)相關(guān)，提示該組患者可能存在更嚴(yán)重的皮質(zhì)脊髓束損傷。是否使用肉毒毒素與訓(xùn)練后上肢功能并無顯著相關(guān)，可能因?yàn)槿舛径舅刈⑸涫分皇菑膫?cè)面反映患者存在較為嚴(yán)重的痙攣，并非降低療效的不利因素。使用肉毒毒素可提高慢性腦卒中患者手部活動(dòng)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性、平滑性。本研究中，手指痙攣嚴(yán)重患者無法通過外骨骼完成手指被動(dòng)屈伸，訓(xùn)練前使用肉毒毒素可為訓(xùn)練做好準(zhǔn)備。

此外，卒中后抑郁、認(rèn)知障礙、失語、偏盲、偏側(cè)忽略、二便失禁等并發(fā)癥也會(huì)影響患者上肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)[17,19]。存在自發(fā)言語是運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的有利因素[25]。本研究中，雖然兩組間失語發(fā)病率無顯著性差異，但伴有失語與MI-BCI 訓(xùn)練后上肢運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)，提示該因素不利于腦卒中上肢功能障礙患者M(jìn)I-BCI訓(xùn)練效果。可能的原因是，本研究由于訓(xùn)練過程涉及聽語音信號(hào)-看動(dòng)作視頻-閉眼完成運(yùn)動(dòng)想象-睜眼準(zhǔn)備下一循環(huán)等較為復(fù)雜的指令，失語患者雖然言語障礙較輕，但仍然影響患者對(duì)信息的接受和表達(dá)，還可能涉及注意力和工作記憶等因素，導(dǎo)致訓(xùn)練效率低，康復(fù)效果差。失語癥對(duì)MI-BCI 效果的影響還需進(jìn)一步研究。

此前研究顯示，年齡、性別、利手、優(yōu)勢(shì)半球、病變類型、發(fā)病部位等因素可能影響腦卒中患者上肢功能預(yù)后，但本研究中未顯現(xiàn)以上因素對(duì)患者M(jìn)IBCI訓(xùn)練效果有影響。

卒中類型和責(zé)任血管與上肢運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后關(guān)系尚不明確。Frolov等[26]的隨機(jī)對(duì)照多中心試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MIBCI 對(duì)不同病程、嚴(yán)重程度和病變部位的腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能均有改善作用。本研究中，病變部位、病變性質(zhì)也未對(duì)患者訓(xùn)練效果產(chǎn)生影響，這符合運(yùn)動(dòng)恢復(fù)取決于受損和未受損半球功能重組和代償功能的觀點(diǎn)。因此腦卒中患者M(jìn)I-BCI 神經(jīng)機(jī)制的研究應(yīng)該著重于腦網(wǎng)絡(luò)特征而非解剖結(jié)構(gòu)。

表8 影響MI-BCI訓(xùn)練效果的相關(guān)因素

雙側(cè)大腦半球功能存在明顯差異，利手、損傷半球會(huì)對(duì)腦卒中后上肢運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后造成影響。右利手患者右半球卒中后手功能恢復(fù)差于左半球卒中患者，而左半球卒中可能出現(xiàn)雙手運(yùn)動(dòng)功能障礙[27]。對(duì)健康人的研究發(fā)現(xiàn)[28]，感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律的側(cè)向性會(huì)隨優(yōu)勢(shì)側(cè)有所不同，左利手受試者完成單次MI-BCI 任務(wù)準(zhǔn)確性較差。本研究中，患者損傷半球未顯現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練效果的影響，可能與本次納入患者均為右利手，兩組間損傷半球分布較為均衡有關(guān)。

鑒于腦卒中康復(fù)的復(fù)雜性，腦卒中上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的研究逐漸從臨床觀察發(fā)展為多模式多因素模型研究。van der Ⅴliet等[29]發(fā)現(xiàn)，年齡、性別、利手、優(yōu)勢(shì)半球、發(fā)病部位、伴發(fā)患側(cè)忽略和注意力不集中、基礎(chǔ)上肢功能評(píng)分等，可以預(yù)測(cè)發(fā)病后前6 個(gè)月上肢恢復(fù)模式。個(gè)體間MI-BCI 操縱能力存在巨大差異，也會(huì)顯著影響臨床效果。認(rèn)知功能、感覺、運(yùn)動(dòng)想象能力[24]、心理因素[30]、年齡[31]、利手[32]、感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律偏側(cè)性[33]以及藥物，均可影響健康人MI-BCI 操縱表現(xiàn)。腦卒中患者的神經(jīng)心理學(xué)評(píng)分[34]、腦電側(cè)向指數(shù)和皮質(zhì)激活強(qiáng)度[35]，可預(yù)測(cè)腦卒中患者操縱MI-BCI表現(xiàn)，而靜息態(tài)腦電信號(hào)對(duì)稱指數(shù)和MI-BCI 分類準(zhǔn)確性可作為患者上肢改善程度的預(yù)測(cè)指標(biāo)[26,36]。

鑒于MI-BCI 訓(xùn)練的適用人群，認(rèn)知障礙、情感障礙、偏側(cè)忽略、肩手綜合征等可能影響腦卒中上肢功能預(yù)后的因素均示予考慮。由于納入患者的病程、年齡等基礎(chǔ)狀態(tài)較為集中，樣本量較少，對(duì)病變類型、部位等因素分類較為簡(jiǎn)單，可能掩蓋上述因素對(duì)訓(xùn)練效果的影響。進(jìn)一步需補(bǔ)充對(duì)患者M(jìn)I-BCI 分類正確率、腦電圖、神經(jīng)影像等腦功能屬性特征的分析；擴(kuò)大樣本量、延長(zhǎng)隨訪時(shí)間，進(jìn)行回歸分析，建立預(yù)測(cè)模型；設(shè)計(jì)個(gè)體化MI-BCI 訓(xùn)練方案，提高干預(yù)效果，拓展適應(yīng)人群。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。