基于近紅外腦功能成像技術指導下運動想象訓練在腦卒中后上肢運動功能康復中的應用

周靜,楊遠濱,田浩林,朱朝喆,段煉

腦卒中后有超過70%的患者存在不同程度的上肢功能障礙[1],上肢運動功能的下降直接影響患者的日常生活活動,給患者及其家庭帶來沉重的負擔。腦卒中后上肢運動功能的康復是一個長期的恢復過程,但在醫院進行的康復治療專業性較強、操作相對較復雜、費用較高、治療時間有限,患者每日有較多空閑時間無法得到有效地治療。因此,臨床亟需一種便于操作、簡單易學、經濟實惠的上肢康復訓練方法。運動想象(mental imagery,MI)是在沒有明顯肢體活動情況下,內心反復模擬和排練運動活動過程,根據運動記憶在大腦中激活某一特定區域,進而達到提高運動功能的目的[2]。MI操作簡便,與其他康復療法相比成本較低,可以有效地改善腦卒中各個時期的運動功能障礙[3],因此,具有較大發展前景。但是目前研究中,對于運動想象任務大都存在應用場景有限、實驗范式單一、遠離實際生活、評估方法主觀等不足[4]。想象策略多采用固定的指導語完成想象任務[5-6],無法因人而異做到精準化。但人的想象過程具有主觀性,想象內容具有特異性,既往上肢擅長的運動也各不相同,臨床中無法實時、可視且客觀地評估想象策略的有效性。因此,本研究旨在運動想象訓練的同時,運用功能近紅外光譜成像(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)技術實時評估,通過視覺反饋,篩選出個體化、更為有效地想象策略,從而提高訓練效果,為腦卒中患者康復治療措施的選擇提供依據。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2022年7月～2023年6月中國中醫科學院望京醫院康復一科收治的腦卒中患者28例。所有患者均符合中華醫學會神經病學分會《中國各類主要腦血管病診斷要點2019》腦出血及腦梗死的診斷標準[7]。納入標準:首發腦卒中,病灶位于基底節和/或放射冠區,無多發病灶;神志清楚,生命體征穩定,簡易精神狀態檢查量表(mini-mental state examination, MMSE)≥27分;年齡40～75歲;病程2周～3個月;存在偏癱,上肢Brunnstrom分期≤Ⅳ,改良Ashworth量表評定≤1級;改良運動想象問卷(movement imagery questionnaire-revised, MIQ-R)測試正常,并經想象練習合格者;受試者在試驗前簽署知情同意書。排除標準:嚴重言語、注意力、聽覺、視覺、智力、精神障礙;嚴重痙攣或疼痛;手部骨關節肌肉疾病、其他嚴重神經系統疾病、惡性腫瘤和嚴重心肺肝腎損害等;酒精或藥物成癮等。研究采用隨機對照表法將患者分為研究組和對照組,每組14例,研究組剔除1例。本研究已通過倫理委員會批準(WJEC-KT-2022-012-P003)。治療前2組在性別、年齡、病程等一般資料比較差異無統計學意義,具有可比性。見表1。

表1 2組一般資料比較

1.2 方法 研究采用單盲法,2組患者均接受常規康復治療。整個想象過程均要求患者使用動覺想象(kinesthetic motor imagery,KMI),即第一方想象。

1.2.1 對照組 進行運動想象訓練,不固定想象內容,但需想象患側上肢運動,每日2次,每次20min,共4周。

1.2.2 研究組 通過fNIRS篩選出有效的患側上肢想象策略,采用該策略進行運動想象訓練,每日2次,每次20min,共4周。

1.2.3 研究組想象策略的選取[8]運用北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室自主研發的神經反饋訓練系統:fNIRS設備采集患者的神經活動數據,并將采集到的神經活動數據傳輸給計算機。計算機通過對原始數據進行加工處理,并計算出反映患者神經活動的指標,以適當的形式通過顯示器呈現給受試者。具體步驟如下:①靜息態采集期內,要求患者閉眼、放松,盡量保持靜止狀態以減少不必要的運動噪聲;②在運動想象部分,先讓患者睜眼,接著提示患者想象一些熟悉的日常手部活動或擅長體育運動的手部活動,觀察屏幕上石頭的變化;如患者想象內容有效,則可在電腦屏幕上可看到石頭上升;如想象無效,則電腦屏幕上石頭無明顯運動,此時提示患者更改想象內容,最終找到2～5個有效的想象策略。石頭上升越高、上升速度越快,提示患側運動相關皮層激活越強,想象策略有效性越高。患者如睜眼狀態下無法完成想象,也可閉眼進行。③記錄患者有效地想象策略。④最后指導患者把注意力轉回到自己周圍的環境,然后讓其注意聽周圍的聲音,告訴其測試結束。

1.2.4 fNIRS數據采集 采用ETG-4000型fNIRS設備,采樣頻率為10Hz,可實時檢測患者大腦中氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化。參考國際10-20系統進行定位,將兩片3×5的光極片,分別佩戴在患者的頂葉。其中,頂葉覆蓋的部分運動區中包括輔助運動區(supplementary motor area, SMA)。通過分析采集到的頂葉所對應區域的神經活動強度,可以獲得SMA的神經活動能力。對比頂葉和枕葉分別對應區域的神經活動強度,可以確定神經反饋訓練的特異性。治療前及治療后由同一名實驗員進行數據采集。

1.2.5 運動想象時fNIRS波譜曲線結果 在患者想象有效時波譜變化趨勢為:想象開始后,從基線水平開始上升至峰值,休息后下降(見圖1A)。患者想象無效時波譜變化趨勢為:想象開始后,曲線波動幅度較小,無明顯上升趨勢及峰值(見圖1B)。研究組中1例患者在進行想象策略選取時始終無法使曲線上升至峰值,視為剔除。

圖1 A.運動想象有效時波譜曲線;B.運動想象無效時波譜曲線

1.3 評定標準 在療效評價時評定者不參加患者的治療過程,從而不了解患者的具體分組。①Fugl-Meyer上肢運動功能評定量表(Fugl-Meyer assessment upper extremity scale, FMA-UE):對偏癱側上肢進行運動功能評定,包括反射、肩、肘、腕、手等9大項,33個小項,分級為3級(0～2分),總分為66分。②上肢動作研究量表(the action research arm test,ARAT):對上肢精細動作進行評定,包括4個子量表,分別為抓、握、捏、粗大動作,總分為57分。③改良Barthel指數評定量表(modified Barthel index, MBI):對患者日常生活活動能力進行評定,包含進食、個人衛生、穿衣、如廁以及行走等10項內容,總分為100分。

2 結果

治療前,2組FMA-UE量表、ARAT量表、MBI量表評分差異無統計學意義。治療后,2組上述評分均較治療前顯著提高(P<0.01),且研究組各項評分明顯高于對照組(P<0.05)。見表2～4。

表2 2組FMA-UE量表評分治療前后比較 分,

表3 2組患側ARAT量表評分治療前后比較 分,

表4 2組MBI評分治療前后比較 分,

3 討論

MI訓練不需要特殊的儀器設備,不依賴于肢體殘存的運動功能,投入成本少,操作簡單,能夠充分地發揮腦卒中患者在治療過程中的主觀能動性,可應用于腦卒中康復的任何階段,為輔助腦卒中后功能障礙的康復提供了一種新的治療思路[9]。

本研究結果表明,采用fNIRS技術篩選出有效的想象策略后進行MI訓練,與常規MI訓練相比,患者的FMA-UE、ARAT及MBI量表評分改變均具有統計學意義,說明該治療方法能夠更好地改善患者上肢運動功能,提高日常生活能力。研究組在篩選運動想象策略的過程中,大部分患者的有效想象策略不盡相同,有的為匍匐前進、單杠、拍球等體育運動,有的為洗臉、刷牙、梳頭、吃飯、拿勺子等日常生活活動,還有上公交車、捏車閘、騎自行車、開車、發短信等。實時監測fNIRS結果表明,患者在想象既往運動生活中擅長的上肢活動時,腦區信號激活更為明顯。因此,選擇一個有效的、個體化的想象策略尤為重要。

部分腦卒中患者在想象過程中反復變換想象策略仍舊無法測量到信號變化,說明其不具有操控的潛在能力。但也有一部分患者,通過變換想象策略后可以測量到信號的變化,提示想象有效。既往也有研究表明,想象能力的習得往往需要大量的訓練,但人們在日常生活中很少進行這種心理活動,從而缺少操控該心理活動的經驗或技能,存在運動想象盲[10]。據統計[11],人群中大約有20%的人無法對MI或KMI進行有效的心理想象。因此,在MI訓練前進行想象能力的評估及想象策略的篩選對MI訓練的效果至關重要。本研究中,運用fNIRS技術進行評估,能夠可視化地顯示MI訓練時腦區的激活情況,對想象策略的選擇具有一定的客觀依據。

MI與運動執行(motor execution,ME)具有相似的神經機制,均可激活大腦皮層相似的功能活動區(前運動皮質、輔助運動皮質、初級感覺區等),誘發與運動相關的腦節律事件去同步,從而起到神經重建的作用[12-13]。SMA區是運動網絡的關鍵節點,不僅參與運動行為的啟動,如運動的計劃和執行[14],還參與運動行為的控制[15],同時在運動想象中起到重要作用,當前以SAM區作為靶點的研究備受關注。Loubinoux等[16-17]對缺血性腦卒中患者基于任務態功能磁共振的一系列研究中發現,缺血性卒中患者的雙側SMA區,早期存在激活增強,而且根據對病人的隨訪發現,雙側SMA區的激活出現的越早、激活的強度越強,則以后運動功能的恢復就越好。王雨晴[18]運用sLoreta溯源分析發現,相比于實際運動,在執行運動想象時,SMA區、運動前區呈現顯著去同步化現象。孫莉敏[19]研究表明,MI對初級運動皮層直接激活的效應較小,主要激活范圍位于雙側SMA區。楊勤也在發現[20],不論是在左手想象還是右手想象任務中,激活體素最多,強度最大的區域是SMA區,SMA區在整個運動想象的過程中都保持激活,說明SMA區在運動準備和運動執行過程中起到了關鍵作用。本研究中在患者進行運動想象訓練時,fNIRS結果提示SMA區氧合血紅蛋白濃度升高,提示運動想象可使SMA區的興奮性增高,可能運動想象參與了運動準備過程有關。

綜上所述,基于fNIRS技術,可以更為精準地篩選出有效的想象策略,從而提高MI訓練效果,可能與運動想象訓練提高SMA區興奮性有關。但本研究仍存在樣本量少的問題,今后的研究仍需要開展大樣本的隨機對照研究,以期形成高質量的循證證據。同時,對于MI訓練作用機制研究,依然任重道遠。