吳瓊,任詩媛,樂贊,葛云祥,馬迪,趙紅亮,劉剛,王晶,潘鈺,竇維蓓,4
1.清華大學(xué)附屬北京清華長庚醫(yī)院,清華大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院,a.康復(fù)醫(yī)學(xué)科;b.放射科,北京市 102218;2.西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)器人與智能系統(tǒng)研究所,陜西西安市 710049;3.清華大學(xué)電子工程系,北京市 100084;4.北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心,北京市 100084
《中國腦卒中防治報(bào)告2018》顯示[1],我國≥40歲居民腦卒中現(xiàn)患病人數(shù)達(dá)1242萬,腦卒中是導(dǎo)致患者致死和嚴(yán)重致殘的主要原因,也給患者和家庭造成沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。腦卒中上肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)是患者生活自理的關(guān)鍵,然而大多數(shù)腦卒中患者上肢功能不能完全恢復(fù)[2‐3]。腦卒中后1 周內(nèi)上肢功能無改善的患者中,60%上肢功能障礙將持續(xù)至發(fā)病后6個(gè)月[4]。
腦機(jī)接口(brain‐computer interface,BCI)是一種不依賴于通常由外周神經(jīng)和肌肉組成的大腦輸出通路,是一種對(duì)人體內(nèi)外環(huán)境交互控制的系統(tǒng),反映人類思維活動(dòng)過程中的腦神經(jīng)活動(dòng)信息[5]。BCI可對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療和康復(fù)起積極作用,尤其在腦卒中后上肢功能康復(fù)中日益獲得關(guān)注[6‐7]。
已有研究初步證實(shí)BCI在慢性腦卒中患者上肢功能康復(fù)中的臨床療效以及對(duì)腦功能可塑性的影響[8‐9]。對(duì)亞急性期腦卒中患者的研究顯示[10],BCI訓(xùn)練可誘發(fā)腦電感覺運(yùn)動(dòng)頻譜改變,患者上肢功能的改善與同側(cè)半球內(nèi)部連接增強(qiáng)相關(guān)。本研究采用多模態(tài)MRI影像信息融合技術(shù)探索BCI綜合康復(fù)訓(xùn)練后,亞急性期腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能和大腦神經(jīng)可塑性變化。
選取2018年1 月至2019年6 月在北京清華長庚醫(yī)院住院的腦卒中患者,診斷符合《中國急性腦卒中臨床研究規(guī)范共識(shí)2018》標(biāo)準(zhǔn),并經(jīng)MRI或CT 檢查明確診斷[11]。
納入標(biāo)準(zhǔn):①年齡18~75歲;②無顯著認(rèn)知障礙,簡易精神狀態(tài)檢查評(píng)分≥21分;③首次發(fā)病,病程1~6 個(gè)月;④中、重度上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙,患側(cè)上肢和手Brunnstrom 分期≤Ⅳ期;⑤改良Ashworth 量表評(píng)分<Ⅲ級(jí);⑥經(jīng)運(yùn)動(dòng)和視覺想象調(diào)查問卷評(píng)定具備執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的能力[12]。
排除標(biāo)準(zhǔn):①影響上肢功能的開放性傷口或畸形;②視野缺損、偏側(cè)忽略或視力障礙;③嚴(yán)重的認(rèn)知、精神、心理障礙或感覺性失語,影響訓(xùn)練;④正在使用影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的藥物或接受其他神經(jīng)調(diào)控治療,如經(jīng)顱直流電刺激、經(jīng)顱磁刺激以及深部腦刺激等;⑤嚴(yán)重并發(fā)癥,不能耐受治療;⑥并發(fā)其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病,如癲癇或帕金森病;⑦并發(fā)嚴(yán)重肌張力障礙和/或不自主運(yùn)動(dòng);⑧體內(nèi)存在金屬或患有幽閉恐懼癥,不能行MRI檢查。
初期納入25例,排除BCI初始正確率<70%的5例,因病情變化、中途出院等原因脫落4例,未完成末次評(píng)估2例,最終14例完成訓(xùn)練和數(shù)據(jù)收集。患者一般情況見表1。
本研究經(jīng)北京清華長庚醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(No.18172‐0‐02),并 在http://www.chictr.org.cn 注 冊(cè)(No.ChiCTR1900022128)。所有患者均在試驗(yàn)前簽署知情同意書。
患者接受BCI上肢功能訓(xùn)練和上肢常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練。
常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練包括運(yùn)動(dòng)療法、作業(yè)治療等,每天1 h,每周5 d,共4周。
BCI上肢訓(xùn)練包括模型建立階段和實(shí)際訓(xùn)練階段。患者端坐位,距離電腦屏幕約40 cm,根據(jù)電腦屏幕畫面和語音提示執(zhí)行抓握和放開運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)。采用16 導(dǎo)聯(lián)腦電采集設(shè)備采集大腦感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)腦電信號(hào)。腦電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和模式分類后傳送到計(jì)算機(jī),根據(jù)閉眼休息和運(yùn)動(dòng)想象時(shí)患側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)μ 節(jié)律的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)患者運(yùn)動(dòng)想象正確程度的即時(shí)反饋。若該次運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)被識(shí)別為成功,則與計(jì)算機(jī)連接的手外骨骼帶動(dòng)患手進(jìn)行抓握或放開動(dòng)作,同時(shí)屏幕上顯示μ 節(jié)律抑制分?jǐn)?shù)。每次訓(xùn)練完成100 次左右運(yùn)動(dòng)想象任務(wù),10 次為1 組,組間允許患者休息1 min,訓(xùn)練時(shí)長約1 h。訓(xùn)練過程中囑咐患者避免眨眼、咳嗽、咀嚼、頭部和身體移動(dòng)。
訓(xùn)練前和訓(xùn)練20次后,采用簡式Fugl‐Meyer評(píng)定量 表上肢部 分(Fugl‐Meyer Assessment‐Upper Extremi‐ties,FMA‐UE)[13]、Wolf運(yùn)動(dòng)功能測試(Wolf Motor Function Test,WMFT)[13]和手臂動(dòng)作調(diào)查測試表(Ac‐tion Research Arm Test,ARAT)[14]進(jìn)行評(píng)估。所有評(píng)估均由同一名經(jīng)過培訓(xùn)的人員進(jìn)行,評(píng)估人員不了解患者治療情況。
FMA‐UE 包括反射、屈肌協(xié)同運(yùn)動(dòng)、伸肌協(xié)同運(yùn)動(dòng)等8部分,總分66分。FMA運(yùn)動(dòng)積分可輔助判定上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的嚴(yán)重程度:I級(jí)為嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙,積分<50%總分;Ⅱ級(jí)為明顯運(yùn)動(dòng)障礙,積分為50%~<85%總分;Ⅲ級(jí)為中度運(yùn)動(dòng)障礙,積分為85%~95%總分;Ⅳ級(jí)為輕度運(yùn)動(dòng)障礙,積分>95%總分[13]。
ARAT 和WMFT 則具功能性,評(píng)估內(nèi)容多為日常生活中的活動(dòng)。ARAT 分4 部分(抓、握、捏和粗大運(yùn)動(dòng)),共57 分。WMFT 包括簡單的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和復(fù)合的功能動(dòng)作,評(píng)分分級(jí)細(xì)致,較ARAT 更為敏感,但是對(duì)手部精細(xì)活動(dòng)評(píng)估相對(duì)較少,故將兩量表結(jié)合使用[15]。
計(jì)算治療前后臨床改善程度,并與亞急性期腦卒中患者上肢功能變化的最小臨床重要差異(minimum clinically important difference,MCID)進(jìn)行比較[16]。
訓(xùn)練前和訓(xùn)練20次后,使用DISCOVERY MR750 型GE 3.0 TMR 掃描儀(美國General Electric 公司)行fMRI檢查,磁場強(qiáng)度3 T。患者仰臥位,使用泡沫墊固定頭部,使用橡皮耳塞減少噪聲干擾。掃描時(shí)患者閉目,保持清醒,不思考特定事情。使用標(biāo)準(zhǔn)32通道頭部線圈完成T1、T2像和靜息狀態(tài)血氧水平依賴(blood‐oxygen level‐dependent,BOLD)‐fMRI圖像的采集。
T1像采集使用Sag 3D T1BRAVO 序列,TR 8.21 ms,TE 3.18 ms,F(xiàn)lipAngle 8°。數(shù)據(jù)維度256×256×172,空間分辨率1×1×1 mm。T2像采集使用Ax T2FSE序列,TR 3500 ms,TE 100.15 ms,F(xiàn)lipAngle 111°,數(shù)據(jù)維度512×512×24,空間分辨率0.469×0.469×5 mm。BOLD像采集使用EPI序列,TR 2000 ms,TE 30 ms,F(xiàn)lipAngle 90°。每組數(shù)據(jù)240 個(gè)時(shí)間點(diǎn),每個(gè)時(shí)間點(diǎn)維度64×64×34,空間分辨率3.5×3.5×4 mm[17]。
將采集到的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)腦模板Montreal Neu‐rological Institute(MNI)空間[18]以及個(gè)體腦結(jié)構(gòu)空間(T1空間),利用多層級(jí)健康人腦圖譜[19‐20]建立多尺度空間數(shù)據(jù)特征分析框架,提取多維特征信息和多尺度圖特征。
選擇腦電信號(hào)來源的主要感覺和運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮質(zhì)作為興趣區(qū)(region of interest,ROI),并與Brodmann分區(qū)(Brodmann area,BA)進(jìn)行對(duì)應(yīng)。ROI主要包括雙側(cè)中央后回(BA1、BA2、BA3)、中央前回背側(cè)(BA4)、頂葉前梨狀皮質(zhì)區(qū)(BA5)、中央前回前端(BA6)、頂上小葉(BA7)和額內(nèi)側(cè)回(BA8)。分析ROI與雙側(cè)大腦半球皮層的功能連接(functional connectivity,FC)變化。
使用DPARSFA 3.2(http:/rfmri.org/DPARSF)進(jìn)行靜息態(tài)BOLD 信號(hào)預(yù)處理。首先移除前10 個(gè)時(shí)間點(diǎn),隨后進(jìn)行時(shí)間層校正和頭動(dòng)矯正。然后把數(shù)據(jù)重采樣成3×3×3 分辨率。使用回波平面成像(Echo Planar Im‐aging,EPI)模板將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化到MNI空間,并重采樣使體素大小為3×3×3 mm;進(jìn)行時(shí)間平滑和去線性漂移,濾波。去除協(xié)變量,包括頭動(dòng)參數(shù)、全腦信號(hào)、白質(zhì)信號(hào)和腦脊液信號(hào)等。
以82 個(gè)BA 腦區(qū)為節(jié)點(diǎn)建立腦網(wǎng)絡(luò),腦區(qū)內(nèi)所有體素BOLD 信號(hào)平均值為節(jié)點(diǎn)信號(hào);腦區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)以體素為節(jié)點(diǎn)。以節(jié)點(diǎn)處信號(hào)間Pearson 相關(guān)系數(shù)為權(quán)重邊,得到全腦網(wǎng)絡(luò)、半腦網(wǎng)絡(luò)、腦區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和腦區(qū)間網(wǎng)絡(luò)。采用基于MATLAB 的Brain Connectivity Tool‐box (BCT)工具包(http://www.brain‐connectivity‐tool‐box.net)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)屬性。
使用基于種子點(diǎn)的時(shí)間相關(guān)區(qū)際進(jìn)行相關(guān)性分析。以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間Pearson 相關(guān)系數(shù)或Spearman 相關(guān)系數(shù)為腦網(wǎng)絡(luò)FC。
使 用NumPy 1.12.1 (http://www.numpy.org) 和Scipy 0.19.0(http://www.scipy.org)軟件分析fMRI數(shù)據(jù)。使用SPSS 20.0 軟件臨床數(shù)據(jù)分析。患者年齡、病程、FMA‐UE 和WMFT 評(píng)分符合正態(tài)分布,以()表示,采用配對(duì)t檢驗(yàn)。ARAT評(píng)分不符合正態(tài)分布,以M(QL,QH)表示,采用秩和檢驗(yàn)。臨床評(píng)分與FC 之間的關(guān)系采用Spearman 相關(guān)性分析。顯著性水平α=0.05。
訓(xùn)練后,患者各項(xiàng)康復(fù)評(píng)分均較訓(xùn)練前明顯改善(P<0.01)。其中FMA‐UE 評(píng)分提高(14.71±7.80),超過MCID(9~10分[16,21])。見表2。
患者FC增加區(qū)域見表3、圖1、圖2。
左側(cè)中央前回背側(cè)(BA4L)和右側(cè)前顳橫回(BA41R)間FC、左側(cè)頂葉前梨狀皮質(zhì)(BA5L)和右側(cè)額葉下腳后區(qū)(BA48R)間FC,均與臨床評(píng)分呈正相關(guān)(P<0.05)。見表4。

表2 患者訓(xùn)練前后臨床評(píng)分變化

表3 訓(xùn)練前后FC增強(qiáng)的腦區(qū)

圖1 訓(xùn)練后FC顯著增加腦區(qū)

表4 FC與臨床評(píng)分的相關(guān)性分析
本研究顯示,亞急性期腦卒中患者接受包含BCI的綜合康復(fù)訓(xùn)練,F(xiàn)MA‐UE臨床改善程度超過MCID。MCID 最早由Jaeschke 等[22]提出,最初被定義為在不考慮副作用和成本的前提下,被患者認(rèn)可的最小問卷維度得分變化值,以患者本人和臨床醫(yī)師的角度來確定某項(xiàng)治療變化是否真實(shí)存在。MCID 可以克服隨機(jī)誤差導(dǎo)致的結(jié)果誤判,同時(shí)能對(duì)評(píng)定結(jié)果進(jìn)行很好的解釋,越來越多地應(yīng)用于臨床療效和評(píng)估工具有效性的評(píng)價(jià)。疾病性質(zhì)、病程、功能障礙、評(píng)價(jià)工具等是影響MCID 的重要因素。亞急性期腦卒中患者FMA‐UE 的MCID 為9~10 分[23]。目前尚無亞急性期腦卒中患者ARAT、WMFT 的MCID 結(jié)果。本研究顯示,BCI綜合康復(fù)訓(xùn)練后,亞急性期腦卒中患者上肢功能明顯提高,但是否優(yōu)于常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練還需進(jìn)一步研究。
多模態(tài)MRI能在無創(chuàng)條件下提供多尺度下腦結(jié)構(gòu)和腦功能等聯(lián)合的特征信息,是全面綜合分析神經(jīng)重塑特征的有力工具[24‐25]。通過rs‐fMRI觀察腦區(qū)間BOLD 信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性,可以了解腦區(qū)間相互關(guān)系。通過對(duì)特定腦區(qū)(種子點(diǎn))與其他腦區(qū)的時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)性分析,可分析特定腦區(qū)的功能連接模式。本研究通過rs‐fMRI分析多個(gè)腦區(qū)間的FC,發(fā)現(xiàn)多個(gè)感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域FC 增強(qiáng),包括典型的運(yùn)動(dòng)相關(guān)區(qū)域,如初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(中央前回背側(cè),BA4)、運(yùn)動(dòng)前皮層(中央前回前端,BA6)、基底節(jié)(額葉內(nèi)側(cè)回,BA48);也包括多種感覺相關(guān)區(qū)域,如視覺區(qū)(枕葉紋狀體旁區(qū),BA18;枕葉紋狀體周圍區(qū),BA19)、軀體感覺區(qū)(中央后回,BA2、BA3)、感覺聯(lián)合皮層(頂葉前梨狀皮質(zhì)區(qū),BA5;頂上小葉,BA7)、聽覺皮層(前顳橫回,BA41);以及眼動(dòng)相關(guān)區(qū)域(額葉內(nèi)側(cè)回,BA8)。非運(yùn)動(dòng)區(qū)FC 變化鮮見于以往腦卒中后上肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的機(jī)制研究。

圖2 訓(xùn)練后FC增加區(qū)域
作為BCI基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)想象涉及多個(gè)感覺整合相關(guān)區(qū)域,如中央前區(qū)前端、前扣帶回和頂葉皮質(zhì)[26]。BCI綜合康復(fù)方案同時(shí)整合視覺、聽覺、本體感覺和認(rèn)知信息,可認(rèn)為是一種豐富環(huán)境干預(yù)模式[27]。BCI結(jié)合外骨骼有助于在輸出大腦信息時(shí)即時(shí)接收外界反饋,具有環(huán)路干預(yù)治療作用[28]。
患者在BCI訓(xùn)練中專注于手部動(dòng)作的視頻,然后通過運(yùn)動(dòng)想象重復(fù)這些動(dòng)作。訓(xùn)練中使用豐富視覺信號(hào)可能增強(qiáng)視覺、眼動(dòng)相關(guān)的腦區(qū)間連接,眼動(dòng)區(qū)(額葉內(nèi)側(cè)回,BA8)與視覺皮層(枕葉紋狀體旁區(qū),BA18;枕葉紋狀體周圍區(qū),BA19)和體感聯(lián)合皮層(頂上小葉,BA7,涉及空間定位和視覺‐運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào))間FC增加。
運(yùn)動(dòng)前皮質(zhì)(中央前回前端,BA6)具有協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)計(jì)劃、空間引導(dǎo)和多種感覺引導(dǎo)的作用,其神經(jīng)元對(duì)觸覺、視覺和聽覺刺激有響應(yīng)[29‐30]。運(yùn)動(dòng)前皮質(zhì)與多個(gè)區(qū)域的聯(lián)系增加,反映腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)過程中視覺、軀體感覺的作用,如體感聯(lián)合皮層(頂上小葉,BA7)作為視覺和本體感覺間的融合點(diǎn),有助于確定物體與身體各部位的關(guān)系[31];梭狀回(BA37)對(duì)手部活動(dòng)視覺信息有特異敏感性[32],初級(jí)軀體感覺皮層(中央后回,BA2、BA3)與康復(fù)過程中持續(xù)的感覺輸入有關(guān)[33]。
在感覺對(duì)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的影響方面,除了初級(jí)軀體感覺皮層,感覺聯(lián)合皮層也扮演了重要角色。額下回(BA44)是Broca 區(qū)的一部分,該區(qū)域的非語言功能主要包括復(fù)雜手部運(yùn)動(dòng)的形成、感覺運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和整合[34]。頂葉前梨狀皮質(zhì)區(qū)(BA5)與額下回(BA44)之間FC增加可能源于復(fù)雜手部運(yùn)動(dòng)中的感知和感覺反饋。
額葉下腳后區(qū)(BA48)是紋狀體的一部分,屬錐體外系。錐體外系是重要的運(yùn)動(dòng)控制中樞。額葉下腳后區(qū)中的殼核是心理旋轉(zhuǎn)過程中可視化和運(yùn)動(dòng)意圖之間的重要整合界面。在解剖上,該區(qū)域形成感覺‐運(yùn)動(dòng)認(rèn)知環(huán)路,連接到運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和軀體感覺皮層;在功能上,該區(qū)域參與需要高級(jí)認(rèn)知控制的運(yùn)動(dòng)。感覺信號(hào)的組合可以輔助完成手的空間旋轉(zhuǎn)想象任務(wù)[35]。而手部動(dòng)作的準(zhǔn)確性和平滑性可作為反饋信號(hào)進(jìn)一步改善運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。頂葉前梨狀皮質(zhì)區(qū)(BA5)和額葉下腳后區(qū)(BA48)之間的FC 與臨床評(píng)分呈中度正相關(guān),反映運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)過程中,錐體外系統(tǒng)與感覺統(tǒng)合的重要性。
中央前區(qū)背側(cè)(BA4)為初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層,除了負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行外,在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)早期也起關(guān)鍵作用,可能參與從早期運(yùn)動(dòng)記憶轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期運(yùn)動(dòng)記憶的過程[36]。前顳橫回(BA44)為初級(jí)聽覺皮層,除了負(fù)責(zé)聽覺信息的處理,還涉及記憶和決策,且有助于響應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)和避免懲罰[37]。本研究顯示,中央前區(qū)背側(cè)(BA4 區(qū))與前顳橫回(BA44區(qū))之間FC也與所有臨床評(píng)分呈正相關(guān)。
本組患者在BCI訓(xùn)練期間反復(fù)接收多種提示語,包括屏幕動(dòng)作開始前的預(yù)警,以及想象任務(wù)完成的準(zhǔn)確性反饋。一旦熟悉這兩種聲音信號(hào),患者將不需要仔細(xì)辨別提示語的語義內(nèi)容,就能自動(dòng)將其轉(zhuǎn)化為一種有助于做出決策的聽覺信號(hào),直接影響運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行。但目前尚缺乏有關(guān)運(yùn)動(dòng)控制與聽覺信號(hào)之間作用機(jī)制的研究。
本研究存在以下局限。僅進(jìn)行自身比較,不能排除自發(fā)恢復(fù)和常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練的影響。相關(guān)臨床功能改變和神經(jīng)可塑性變化是否僅與BCI有關(guān),尚需進(jìn)一步對(duì)照研究驗(yàn)證。僅分析增強(qiáng)的FC,尚不清楚弱化FC的特征和意義。患者病變部位不一,不同損傷部位可能影響腦功能重組特征分析。樣本量不大,可能影響結(jié)果分析。
綜上所述,BCI綜合康復(fù)訓(xùn)練能改善亞急性腦卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能,軀體感覺、視覺、空間處理和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的腦功能網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)增強(qiáng),其中錐體外系、聽覺皮層、體感聯(lián)合皮層可能參與運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。尚需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量、增加對(duì)照組和長期隨訪,以明確BCI對(duì)腦卒中患者的長期療效和中樞機(jī)制。