心理旋轉試驗在腦卒中患者運動表象能力評估中的應用

王鶴瑋 ，王云龍，陸小鋒，趙思淇，王傳凱，丁力，陳樹耿，王瑩瑩，王建暉，賈杰

1.復旦大學附屬華山醫院，上海市 200040；2.河南大學附屬南石醫院康復醫學科，河南南陽市 473000；3.上海大學通信與信息工程學院，上海市 200072；4.上海市靜安區中心醫院，上海市 200040；5.復旦大學公共衛生學院流行病學教研室，上海市 200032

腦卒中后運動功能康復可以從外周和中樞兩個角度進行。外周干預重點在于肢體，如Bobath技術、任務導向性訓練等；中樞干預則直接刺激中樞神經系統，如重復經顱磁刺激、腦機接口等，它又可分為被動和主動兩種[1]。運動想象療法屬主動中樞干預技術，要求患者高度集中注意力，在腦中反復模擬特定的訓練動作，特別強調患者的主動參與[2]。

運動想象的應用尚有一些問題，特別是如何篩選合適的患者，只有具備較好運動想象能力的患者才適合接受運動想象訓練[3]；而運動想象難以直接評估，限制了該技術在臨床推廣[4]。常見的解決方法是采用運動想象能力問卷進行評定，如動覺和視覺運動想象問卷[5]、運動想象能力問卷第2 版[6]等。問卷法屬“外在”運動想象能力評定，要求受試者先完成特定運動想象任務，評定者主觀評價想象動作的質量。

心理旋轉試驗是另一種解決途徑，被試需判斷一組幾何圖形、身體部分或字母符號等視覺刺激的左右/正反，由于在做出判斷時需要把圖形旋轉到一定角度，該過程被稱為為視覺表象的旋轉操作[7]。表象是人腦對客觀事物的編碼，主要涉及記憶功能；想象是人腦對已有表象進行加工改造形成新形象的過程，是思維活動的一種特殊形式[8]。Parsons 等[7]將心理旋轉試驗描述為內隱性運動表象，并被應用于衰老、腦損傷、兒童發育、體育競技等多個領域[9-12]；心理旋轉與大腦的運動準備密切相關[13-14]。在進行心理旋轉試驗時，被試只需完成視覺刺激的左右/正反判別任務，不涉及主觀評價，更為客觀[9,15-16]。

Shepard等[17]最初設計的心理旋轉試驗，采用的視覺刺激是3D 圖形。Sharma 等[18]的研究則采用手部圖案作為視覺刺激，認為識別率低于75%的腦卒中患者不應接受運動想象訓練。還有研究專門比較腦卒中患者和健康人心理旋轉的差異[19]。但既往研究缺少對于腦卒中患者心理旋轉特點的分析，腦卒中患者心理旋轉能力與其運動、認知功能是否相關尚不明確[20]；臨床該選擇何種視覺刺激尚不明確。本文比較腦卒中患者和健康受試者在面對不同的視覺刺激圖案時的反應策略，并探究影響腦卒中患者心理旋轉試驗結果的主要因素。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2018年5月至10月，選擇在南陽南石醫院康復醫學科住院治療的腦卒中患者15例入患者組，均符合各類腦血管病診斷要點中腦卒中的診斷標準，并經頭顱CT或MRI證實。

納入標準：①年齡18～85 歲；②首次發病；③病程1～12個月；④右利手；⑤本人或直系親屬簽署知情同意書。

排除標準：①明顯認知障礙(簡易精神狀態檢查評分≤24 分)，并發感覺性失語或精神障礙類疾患；②癲癇病史，嚴重心、肝、腎和造血系統等重要臟器功能衰竭或其他危重?。虎垡曈X障礙，矯正后仍無法看清楚屏幕上的圖案；④認知障礙或神經精神病史，藥物濫用或酗酒史；⑤不能耐受評估，依從性不佳。

同時招募健康人15例入對照組，均為醫院護工或患者親屬，無軀體、精神疾病，右利手，本人親自簽署知情同意書。

本研究經復旦大學附屬華山醫院倫理審查委員會審查批準。

兩組性別、年齡、受教育年限方面無顯著性差異(P＞0.05)。見表1。

1.2 方法

1.2.1 心理旋轉試驗

采用筆記本電腦，14英寸屏幕。評估系統由上海大學通信與信息工程學院開發，采用Unity3D 引擎編寫心理旋轉程序的圖形界面，評估數據自動上傳至云端MySQL數據庫。系統延時毫秒級，穩定性佳。

受試者坐位，雙眼距屏幕中央40 cm。要求受試者根據屏幕呈現的圖案，在盡可能保持正確的前提下，用最短時間判斷左右/正反，并用右手食指和中指(患者用健側手)按下按鍵進行判斷。每張圖片呈現時間由受試者的反應時確定，一旦受試者做出判斷，圖片自動切換到下一張。

視覺刺激包括手心、手背、大寫字母“R”和宋體漢字“司”4 種，每種圖案鏡像復制后分別旋轉6個角度：0°、60°、120°、180°、240°和300°。手心和手背圖案測試時要求受試者判斷是左手還是右手，字母和漢字要求受試者判斷該圖案是正像還是反像。見圖1。重復4次，共48個視覺刺激。

測試包括練習和正式測試兩部分。練習部分由評估者指導受試者熟悉測試過程，每種視覺刺激練習2 min，保證受試者正確理解試驗要求并能獨立進行判斷。視覺刺激的試驗順序由系統隨機生成。每種視覺刺激完成后，受試者休息2 min。受試者對每個圖案的反應時和正確與否由系統自動記錄并后臺上傳至云端。

1.2.2 認知功能評定

采用中文版蒙特利爾認知評估量表(Montreal Cognitive Assessment,MoCA)評定兩組認知功能[21]。由接受過規范化培訓的康復治療師完成。MoCA 有較好的信效度，在腦卒中輕度認知功能障礙的鑒別上優于簡易精神狀態檢查[22-23]。

1.2.3 運動功能評定

采用Fugl-Meyer 評定量表上肢部分(Fugl-Meyer Assessment-Upper Extremities,FMA-UE)評定患者組偏癱側上肢運動功能。由接受過規范化培訓的康復治療師完成。FMA 是腦卒中肢體運動功能評定的經典量表，有良好的信效度[24]。

1.3 統計學分析

采用EpiData 3.0 軟件雙份錄入數據，SPSS 25.0統計軟件分析數據，GraphPad Prism 7 軟件繪制圖表。計量資料用()表示，采用兩因素方差分析和重復測量方差分析比較組間效應和組內因素效應(旋轉角度、左手/右手或正像/反像)；多重比較采用LSD 法。反應時和正確率與MoCA 評分、FMA-UE 評分的相關性采用Spearman相關分析。顯著性水平α=0.05。

表1 兩組一般資料比較

圖1 心理旋轉試驗4種刺激呈現形式

2 結果

2.1 正確率

當視覺刺激為手背時，組間主效應顯著(F=7.027,P=0.011)，患者組低于對照組。左/右主效應不顯著(F=1.050,P=0.311)。組間和左/右交互效應不顯著(F=0.579,P=0.451)。見表2。

表2 視覺刺激為手背時兩組正確率比較(%)

當視覺刺激為手心時，組間主效應顯著(F=10.307,P=0.002)，患者組低于對照組。左/右主效應不顯著(F=0.692,P=0.410)。組間和左/右交互效應不顯著(F=0.861,P=0.358)。見表3。

表3 視覺刺激為手心時兩組正確率比較(%)

當視覺刺激為漢字時，組間主效應不顯著(F=1.341,P=0.253)。正/反主效應不顯著(F=0.096,P=0.758)。組間和正/反交互效應不顯著(F=0.415,P=0.523)。見表4。

表4 視覺刺激為漢字時兩組正確率比較(%)

當視覺刺激為字母時，組間主效應顯著(F=7.283,P=0.010)，患者組低于對照組。正/反主效應不顯著(F=0.002,P=0.969)。組間和正/反交互效應不顯著(F=0.030,P=0.862)。見表5。

表5 視覺刺激為字母時兩組正確率比較(%)

2.2 反應時

由于反應時和旋轉角度之間有關聯[17,25]，本研究在分析影響反應時的因素時，在組別和左/右(正/反)的基礎上，加入旋轉角度。

當視覺刺激為手背時，組間主效應顯著(F=45.599,P＜0.001)，患者組顯著長于對照組。左右主效應不顯著(F=0.012,P=0.913)。旋轉角度主效應顯著(F=11.908,P＜0.001)，旋轉角度為0°時最短，180°時最長。組間和左/右交互效應不顯著(F＜0.001,P=0.995)；組間和旋轉角度交互效應不顯著(F=2.910,P=0.140)；左/右和旋轉角度交互效應不顯著(F=0.032,P=0.999)；組間、左/右和旋轉角度三者交互效應不顯著(F=0.020,P=1.000)。見表6。

表6 視覺刺激為手背時兩組反應時比較(s)

當視覺刺激為手心時，組間主效應顯著(F=37.942,P＜0.001)，患者組長于對照組。左/右主效應不顯著(F=0.092,P=0.762)。旋轉角度主效應顯著(F=7.747,P＜0.001)，旋轉角度為0°時最短，120°時最長s。組間和左/右交互效應不顯著(F=0.002,P=0.962)；組間和旋轉角度交互效應不顯著(F=0.890,P=0.488)；左/右和旋轉角度交互效應不顯著(F=0.022,P=1.000)；組間、左/右和旋轉角度三者交互效應不顯著(F=0.428,P=0.829)。見表7。患者組和對照組反應時隨旋轉角度的變化趨勢相似。以旋轉60°和120°為非舒適位(動作難以完成)，旋轉240°和300°為舒適位(容易完成)[26-27]，非舒適位的反應時為(3.900±2.284) s，顯著長于舒適位的反應時(2.945±1.307)s(t=4.783,P＜0.001)。

當視覺刺激為漢字時，組間主效應顯著(F=22.353,P＜0.001)，患者組顯著長于對照組。正/反主效應不顯著(F=1.164,P=0.282)。旋轉角度主效應不顯著(F=0.987,P=0.426)。組間和正/反交互效應不顯著(F=0.016,P=0.898)；組間和旋轉角度交互效應不顯著(F=1.034,P=0.398)；正/反和旋轉角度交互效應不顯著(F=0.535,P=0.749)。組間、正/反和旋轉角度三者交互效應不顯著(F=0.053,P=0.998)。見表8。

表7 視覺刺激為手心時兩組反應時比較(s)

表8 視覺刺激為漢字時兩組反應時比較(s)

當視覺刺激為字母時，組間主效應顯著(F=14.827,P＜0.001)，患者組顯著長于對照組。正/反主效應不顯著(F=0.104,P=0.748)。旋轉角度主效應不顯著(F=0.851,P=0.515)。組間和正/反交互效應不顯著(F=0.049,P=0.824)；組間和旋轉角度交互效應不顯著(F=0.399,P=0.849)；正/反和旋轉角度交互效應不顯著(F=1.029,P=0.401)；組間、正/反和旋轉角度三者交互效應不顯著(F=0.818,P=0.538)。見表9。

表9 視覺刺激為字母時兩組反應時比較(s)

2.3 相關性分析

FMA-UE 總分與對手背、手心、漢字的反應時負相關。MoCA 總分和視空間認知評分與對所有刺激的反應時負相關。對字母的正確率與MoCA 總分正相關，對手心的正確率與MoCA 視空間認知評分正相關。見表10。

3 討論

心理旋轉試驗簡便易行，形式標準化，內容客觀，與各類運動想象問卷相比有明顯優勢[9,26]。

本研究顯示，腦卒中患者對除漢字外所有視覺刺激的正確率低于健康人。Braun 等[28]采用三維模型手和腳作為視覺刺激，發現腦卒中患者的正確率在80%左右，比健康人低10%左右。Daprati等[29]發現，右側半球損傷的腦卒中患者，正確率低于健康人。本組患者正確率80%～90%，健康人則在90%以上。

表10 心理旋轉試驗反應時和正確率與運動和認知功能的相關性

本研究顯示，腦卒中患者對所有視覺刺激的反應時均長于健康人。對照組均在3 s 以內，而腦卒中患者個體間波動較大。劉華等[25]發現，病程3 個月左右的腦卒中患者，心理旋轉反應速度低于健康人。其他中樞神經系統損傷，如帕金森病、多發性硬化癥等患者，反應時也延長[30-31]。

本研究還顯示，腦卒中患者和健康人有著類似的旋轉角度-反應時表現，特別是視覺刺激為手心和手背時。受試者在進行心理旋轉試驗時，需要在大腦中形成視覺刺激圖案的視覺表象，隨后將該表象旋轉到物理上的直立位，然后做出判斷；表象旋轉到直立位置的時間越長，需要的反應時也越久[8]。Shepard 等[17]選用三維方塊圖形作為視覺刺激，受試者的反應時隨著角度增加呈線性增加，并在180°處取得最大值。此后，很多不同設計的心理旋轉試驗在健康人和腦卒中患者中都得到類似結果[25-26,32-33]。Yan 等[34]腦電分析表明，反應時的增加與視覺刺激的復雜程度以及大腦對應的信息整合過程緊密相連。

本研究發現一個有趣的現象，采用手心作為視覺刺激時，反應時在旋轉120°時達到最大，而不是180°。Blasing 等[27]提出舒適位的概念來解釋這一現象，即當視覺刺激為手心時，受試者采取的判斷策略可能更傾向于內隱性手部運動，被試會想象用自己的雙手去完成圖中的姿勢，然后做出判斷；向外側旋轉(60°和120°)完成難度大，反應時延長，并在120°時達到峰值；向內側旋轉(240°和300°)完成難度較低，反應時相應減少。ter Horst 等[35]也發現舒適位在心理旋轉試驗中的影響。Zapparoli 等[26]還發現，當以手心作為視覺刺激時，大腦更多與運動想象相關的腦區激活，如初級感覺運動皮質、頂下小葉等。提示當視覺刺激為手背時，受試者傾向于采用視覺表象旋轉策略；而當視覺刺激為手心時，受試者會想象用自己的雙手完成圖案中的動作，因此更契合運動想象的概念。本研究手心刺激的正確率與MoCA 視空間認知評分相關，從側面印證了這一推測。當視覺刺激為漢字或字母時，旋轉角度對反應時的影響不顯著，但腦卒中患者組內變異較大，這可能與受試者的語言功能和文化教育水平有關。受試者在進行正反判斷時，可能不是把漢字或字母作為圖形來處理，而是直接讀取語言符號信息或其他混合策略，有待于進一步研究。

相關性分析顯示，心理旋轉試驗的反應時與患者的認知、運動功能相關。本患者均無明顯認知障礙，心理旋轉試驗成績雖較健康人有所降低，反應時隨角度的變化與健康人有相似的模式，心理旋轉基本能力有所保留，這也是腦卒中患者進行運動想象訓練的基礎[19]。既往研究表明[36-37]，運動想象和心理旋轉試驗均可以激活頂葉皮質、初級感覺運動皮質、輔助運動區等腦區，這些腦區與空間定位、視覺認知功能關系密切。心理旋轉過程與運動準備有相似的神經生理基礎，心理旋轉能力受損可能提示運動通路上游階段阻滯[13-14]，為保證正確率，受試者通過延長反應時來代償。Bourrelier等[10]在輕度認知功能損傷的老年患者中也發現了類似的代償現象，受試者會通過延長反應時間窗降低心理旋轉任務的難度。此外，心理旋轉試驗的反應時與腦卒中患者的運動功能相關也從側面支持心理旋轉試驗可用于篩選適合進行運動想象訓練的患者。

綜上所述，腦卒中患者的心理旋轉能力受損，但基本模式相對保留。不同的視覺刺激對心理旋轉試驗的處理策略和結果有明顯影響，臨床中推薦選用手心或手背圖案作為視覺刺激，因為其結果有明顯的變化規律，較易解釋，也可避免受文化教育水平等其他因素影響。

不同視覺刺激的神經作用機制還有待深入研究。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。