基于鏡像療法的腦機接口技術在腦卒中患者上肢功能康復中的應用*

頓華帥,郭航天△,李洪艷,徐付國,朱偉偉

(1.徐州市中心醫院康復醫學科,江蘇徐州 221009;2.江蘇醫藥職業學院附屬徐州市康復醫院康復科,江蘇徐州 221010)

腦機接口(brain-computer interface,BCI)技術近年來在醫學中的應用越來越廣泛,作為新一代的人工智能技術,它明顯優于虛擬現實和增強現實等智能技術[1]。與傳統智能技術相比,BIC技術直接作用于大腦獲取生物信號,不依賴于周圍神經、肌肉等正常傳導輸出通路,可以使神經功能異?；蚣∪獠糠终５幕颊咄瓿芍付üぷ?并結合反饋訓練促進大腦的功能重組,這使得BCI在康復醫學中的應用越來越受到關注[2-3]。BCI可分為4個部分[4],分別是信號采集、信號處理、解碼翻譯和設備控制,其中信號采集和設備控制部分是BCI技術的關鍵。目前,信號采集的方式有兩種[5],一種是植入性BCI,該方法能有效記錄腦電活動,信號持續強、分辨率高,但手術植入風險大,容易繼發感染;另一種是非植入BCI,雖然降低了安全風險,但分辨率低,抗干擾能力差,但近幾年隨著功能性磁共振成像技術、表面腦電圖等技術的發展,非植入BCI信號接收能力得到不斷提高[5],成為目前最常用的BCI信號采集方式。設備控制是指BCI中通過大腦皮質激活發出信號傳遞給外部設備,進而改善患者運動功能的環節,它同時還承擔了患者接收視覺、聽覺刺激后對大腦活動反饋的作用,這種反饋會進一步刺激大腦以糾正訓練,使大腦皮層的刺激趨于正常狀態,從而達到康復目的[6]。由此可知,大腦皮質的激活是BCI技術的關鍵,它不僅影響了信號的獲取,也影響了康復動作的反饋。因此,如何刺激大腦皮質以增加信號強度是BCI應用于臨床的關鍵。

鏡像療法最早由RAMACHANDRAN在1996年應用于上肢截肢患者的幻肢痛,經過近20年的發展,鏡像療法已經被應用于多種肢體功能障礙性疾病的康復治療中[7-8]。meta分析顯示,鏡像療法可在一定程度上改善患者的患側上肢運動功能[9],是康復治療中有效的方法之一。另有研究顯示,接受鏡像治療的患者其大腦皮質運動區處于活躍狀態,這加強了BCI接收信號的能力[10]。本研究嘗試將鏡像治療和BCI技術相結合用于腦卒中患者的上肢康復,取得了一定的效果,現將結果報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2021年1-10月在徐州市中心醫院康復科住院的腦卒中康復患者25例。納入標準:(1)年齡18～80周歲;(2)符合腦卒中診斷標準,首次發生腦出血和/或腦梗死,發病時間≤3個月,患者無認知障礙和語言障礙,可以配合康復師完成治療,且既往未接受過鏡像治療;(3)患者存在不同程度的上肢功能障礙。排除標準:(1)腦卒中病情不穩定或經醫生評估后不能完成治療的患者;(2)合并嚴重肝、腎衰竭的患者;(3)存在精神疾病無法在治療中配合醫生的患者。按照住院順序和隨機數字表將患者分為觀察組13例和對照組12例。觀察組采用基于鏡像療法的BCI技術進行干預,對照組采取常規的康復治療。在為期8周的康復過程中,觀察組共退出1例,對照組退出2例。因此,本研究共22例患者完成治療過程,其中觀察組12例,對照組10例。本研究經徐州市康復醫院倫理委員會批準(XK-LW-20211027-002),所有患者均簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1治療方法

22例患者在住院后均進行常規的腦卒中康復訓練,在此基礎上,觀察組患者采用基于鏡像療法的BCI技術進行康復訓練。具體方法:(1)鏡像療法刺激患者大腦皮質產生運動信號。本階段讓患者熟練掌握鏡像治療的方法以刺激大腦皮質,患者將雙上肢置于雙腿,雙腿中央放置一面鏡子,鏡面對應于患者的健側上肢,讓患者雙側上肢均進行運動,并使患者注意力關注鏡子內的肢體運動。運動程度由簡單到復雜逐漸過渡,由一維、二維逐漸過渡到三維,運動時間從剛開始的5～10 min/d,逐漸增加至20～30 min/d。患者鏡像治療達到30 min/d后,進入第2階段。(2)第2階段基于每例患者特有的腦電模型結合鏡像治療控制神經肌肉電刺激?；颊咴谶M行鏡像治療時,治療師通過調整電流大小使刺激強度適應患者狀態,使神經肌肉電刺激達到理想效果。患者適應電流后,采集患者的腦電信號,制訂患者專用的康復模型,并初始記錄患者的準確率,如果準確率不佳,則返回上一階段重新調整電刺激大小。準確率較高的患者進入康復模型訓練階段,并記錄準確率,隨著患者功能的逐漸康復,治療師在此階段應時刻關注患者的準確率,隨時調整康復訓練模型。

1.2.2效果評估

所有患者的治療時間持續8周,患者入組前和治療后的評估由同1名康復治療師完成。評估內容共4個量表,分別是上肢Fugl-Meyer運動功能評定量表(Fugl-Meyer assessment,FMA)[11]、健康調查簡表(short-form 36 health survey scale,SF-36)、蒙特利爾認知評估量表(Montreal cognitive assessment,MoCA)和改良Barthel指數。上肢FMA包括8個分項,涵蓋了反射、屈肌協同、伸肌協同、腕關節穩定、手的運動等。SF-36是評估患者生存質量的重要量表,分值越高生存質量越好。改良Barthel指數反映了患者的自理能力,分值越高自理能力越強。MoCA用于評估患者認知能力,總分>26分提示患者認知功能正常。

1.3 統計學處理

2 結 果

2.1 兩組一般臨床特征

兩組患者性別、年齡、學歷和腦卒中病程等一般臨床特征比較,差異均無統計學意義(P>0.05),見表1。

表1 兩組一般臨床特征比較

2.2 治療前后兩組主要觀察指標比較

治療前,兩組上肢FMA、MoCA、SF-36評分及改良Barthel指數比較,差異均無統計學意義(P>0.05)。治療后,兩組上肢FMA評分均較治療前提高,且觀察組上肢FMA評分高于對照組,差異均有統計學意義(P<0.05)。治療后,兩組MoCA評分均較治療前提高,但差異無統計學意義(P>0.05);觀察組治療后MoCA評分高于對照組,差異有統計學意義(P<0.05)。治療后,觀察組改良Barthel指數較治療前提高,且觀察組改良Barthel指數高于對照組,差異均有統計學意義(P<0.05)。治療后,兩組SF-36評分均較治療前提高,且觀察組SF-36評分高于對照組,差異均有統計學意義(P<0.05),見表2。

表2 兩組治療前后主要觀察指標比較

3 討 論

流行病學數據顯示,我國40歲以上人群的腦卒中患病率自2012年的1.89%上升至2016年的2.19%[12],由腦卒中引起的高致殘率和高死亡率造成我國人口學指標如早死損傷壽命年和傷殘調整壽命年一直處于高位,這給社會醫療帶來了沉重的負擔。此外,腦卒中患病群體因肢體功能障礙出現的生活質量下降一直是康復醫學關注的重點問題之一[13]。

上肢運動障礙是腦卒中后遺癥的常見癥狀,如不及時進行康復治療,會嚴重影響患者的日?；顒?加重家庭和社會負擔。目前,治療腦卒中上肢功能障礙的康復療法有多種[14],但在臨床實踐中發現,大多數康復效果欠佳。近年來,隨著新技術的不斷引入,新的康復療法也隨之誕生,其中以人工智能為主的BCI技術被寄予厚望,BCI技術不同于傳統的中樞神經干預,它首先利用外部設備測量中樞神經系統的電信號,然后通過動作執行反饋給中樞神經系統,經過反復刺激后,大腦皮質的激活狀態趨于正常,可提高大腦的可塑性[15-16]。本研究應用鏡像療法聯合BCI技術對腦卒中上肢功能障礙患者進行康復治療,結果顯示:觀察組患者上肢FMA評分在治療后明顯高于對照組,提示該療法能明顯提高患者的上肢運動功能。這與國內外的一些研究結果類似。如徐英等[17]開展的研究顯示,BCI技術結合功能性電刺激能有效改善腦卒中患者的上肢功能和認知功能,提高患者的生存質量。李明芬等[18]也發現,BCI電刺激能促進腦卒中上肢功能障礙患者的功能恢復,并闡明其治療機制可能是BCI激活了患側運動相關腦區。國外相關研究也發現,BCI技術在治療腦卒中上肢功能障礙患者中的效果較好,應用BCI技術治療后,患者的腦部結構和神經可塑性得到提高,如VRKUTI等[19]治療6例腦卒中患者,發現BCI技術使5例患者FMA功能得到明顯改善。以上結果體現了BCI技術的臨床治療理論是優于傳統康復技術的。腦卒中康復治療的主要目的是改善患者的運動受限,傳統的電刺激等技術以低頻電療的方式刺激目標肌肉群,使運動功能得到改善,但電刺激的前提是患者目標肌肉群的神經必須完整。而BCI技術繞過了受損神經,利用非肌肉通道使大腦信號和運動控制有機結合,且大腦神經活動通過BCI技術直接轉變為人工輸出,促進了大腦與環境的交互,改善了大腦的神經連接,使神經元的功能性募集得以加強,這對改善患者的神經可塑性具有積極意義[20-22]。

本研究為了更好地獲取大腦信號,將鏡像療法與BCI技術相結合,其主要原理是鏡像療法可以刺激腦卒中患者的中樞神經[23],通過鏡子作為媒介向大腦提供感覺和運動信號,刺激患者腦區產生刺激信號,這種信號相較于傳統的運動想象訓練更具感官性[24-25],這對提高大腦的可塑性具有重要的意義,且反復練習使患者的腦部結構發生改善,有助于促進患者上肢功能的康復。

在本研究的實施過程中發現,康復治療師的正確指導是基于鏡像療法的BCI技術的關鍵,康復治療師應根據患者的病情、腦卒中部位、缺血(出血)面積等,為患者制訂個性化的康復方案。同時,在治療過程中康復治療師還應關注患者的心理變化[26]和治療依從性,因為放松的心態、積極的態度也是患者康復的重要因素之一。在具體的實施過程中,康復治療師應提醒患者加強對上肢的控制能力,如果治療效果不佳,康復治療師和患者應根據計算機提供的反饋信息調整患者的控制方式?；颊叩目祻瓦^程是一項系統的工作,康復治療師和患者應該有足夠的耐心處理治療過程中出現的一系列問題。需要說明的是,由于基于鏡像療法的BCI技術仍屬于較新的治療方法,治療費用較高且治療儀器有限,本研究樣本量較小,但通過本研究科室內康復治療師掌握了實施BCI技術的關鍵步驟并進行了系統總結,為后續該技術的開展提供了實踐依據。

綜上所述,與傳統的康復治療相比,基于鏡像療法的BCI技術能有效改善腦卒中上肢運動障礙患者的肢體功能,表明該治療方法對提高患者的生存質量具有積極的意義。