經顱直流電刺激同步肢體功能性電刺激對腦外傷患者運動功能和平衡功能的影響

呂 曉，陳漢波，丁麗娟，陳 星，鄭文華，魏 妮，賀靈慧，李夢云，劉 晨，燕鐵斌，4*

1 廣東三九腦科醫院，廣東 廣州 510510；

2 中山大學孫逸仙紀念醫院，廣東 廣州 510120；

3 郴州市第一人民醫院，湖南郴州 423000；

4 廣東省康復與養老工程技術研究中心，廣東 廣州 510120

創傷性顱腦損傷（traumatic brain injury，TBI），又稱腦外傷，是全球公共衛生問題，也是人類致殘的主要原因之一［1］。腦外傷后的平衡功能和步行功能密切相關［2］，有文獻表明Berg 平衡量表可用于入院時預測腦卒中患者步行改善程度［3］。腦外傷后的平衡功能對于預防跌倒，提高患者生活質量均有重要意義，但目前缺乏有效的康復手段。功能性電刺激（functional electrical stimulation，FES）是通過對完整外周運動神經施加電流從而使癱瘓肌肉收縮，產生功能性動作［4］。該技術已在臨床廣泛使用，對腦卒中、顱腦外傷、脊髓損傷等多種原因導致的上肢、下肢和盆底肌癱瘓都有治療作用［5-6］。我們既往應用的基于正常行走模式的下肢多通道功能性電刺激對腦卒中患者的步行功能有明顯改善作用［7-8］，臨床上此技術已推廣應用于多種病因導致的下肢步行功能障礙患者。經顱直流電刺激（transcranial di?rect current stimulation，tDCS）是一種非侵入性的，調節大腦皮層興奮性和突觸可塑性的新興技術［9］，陽極刺激可興奮皮層，陰極刺激可抑制皮層興奮性。在電流刺激結束后作用可持續數分鐘［10］。我們既往的研究證明功能性電刺激對腦損傷后的步行功能有明顯治療作用［11］，但目前同步應用調控中樞皮層興奮性的神經調控技術治療能否提高療效，改善平衡功能尚未見相關報道。本研究聯合應用經顱直流電刺激和功能性電刺激2 種治療技術，觀察其對腦外傷患者平衡功能的改善作用。

1 臨床資料

1.1 病例選擇標準

1.1.1 納入標準 ①入院診斷為腦外傷的患者。②單側肢體偏癱，患側下肢Brunnstrom 分期為Ⅲ～Ⅳ期；③病程為3～6個月；④年齡18～65歲；⑤站立平衡≥1 級，步行功能Holden 分級≥2 級（可監護下平地行走20 min）；⑥無失語、無感覺障礙、無嚴重認知功能障礙，簡易智力測試量表AMT≥7 分［12］；⑦無嚴重的心、肺、肝、腎等相關疾病；⑧患者同意并簽署知情同意書。

1.1.2 排除標準 ①頭部或患側下肢有皮膚破損或感染影響貼電極者；②踝跖屈肌群肌張力MAS≥3 級；③影響步行能力的其他神經肌肉和骨關節疾病。

1.2 一般資料

本研究為前瞻性隨機對照研究，選取2018 年7 月—2020 年1 月在廣東三九腦科醫院康復醫學科住院的顱腦損傷患者。該研究已獲得廣東三九腦科醫院醫學倫理委員會審查批件［批件號：2018（5）］，并已在中國臨床試驗注冊中心注冊認證（注冊號：ChiCTR1800018925）。研究期間，共篩選腦外傷患者189 例，符合入組標準87 例，去掉符合排除標準者25 例，納入分組病例62 例，其中6 例因未完成療程而剔除，共56 例患者納入統計，其中男42 例，女14 例。按照信封法分為同步組、FES 組和tDCS 組，其中同步組21 例，FES 組20 例和tDCS 組15 例。病程、簡易認知功能評定（mini-mental state examina?tion，MMSE）不符合正態分布，進行對數轉換后進行單因素方差分析；性別、偏癱側、文化程度進行χ2檢驗，3組間一般資料比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。見表1。

表1 3組一般資料比較［n（%），（±s）］Table 1 Comparison of general data in three groups［n（%），（±s）］

表1 3組一般資料比較［n（%），（±s）］Table 1 Comparison of general data in three groups［n（%），（±s）］

組別同步組FES組tDCS組χ2/F值P值例數21 20 15性別男15（71.43）15（75.00）12（80.00）0.349 0.840女右6（28.57）5（25.00）3（20.00）年齡/歲49.01±13.22 45.85±12.64 51.80±10.86 1.000 0.375偏癱側左10（47.62）6（30.00）5（33.33）1.509 0.472 11（52.38）14（70.00）10（66.67）組別同步組FES組tDCS組χ2/F值P值例數21 20 15病程/月2.69±2.10 2.48±1.41 1.63±1.26 1.865 0.165文化程度小學及以下7（33.33）6（30.00）6（40.00）1.896 0.755中學13（61.90）11（55.00）7（46.67）大專及以上1（4.76）3（15.00）2（13.33）MMSE/分22.62±8.89 19.25±10.87 19.00±8.90 0.861 0.429

2 方 法

2.1 治療方法

3 組均給予藥物治療和常規康復治療，在此基礎上，同步組給予頭部tDCS 治療同步下肢FES 治療；FES 組給予頭部安慰tDCS 治療同步下肢FES 治療；tDCS組給予頭部tDCS治療同步下肢安慰FES治療。3組均治療20 min/次，1次/d，連續治療12 d。

2.1.1 tDCS治療 采用美國Soterix公司生產的1×1 tDCS 治療儀，2個電極片大小均為5 cm×7 cm，將電極片在0.9%生理鹽水中充分浸泡以后，陽極置于腦初級運動皮層的偏癱下肢代表區（M1區），陰極置于對側眼眶上緣。電流強度為2 mA。安慰刺激時電極片放置位置相同，采用設備自帶的偽刺激功能。

2.1.2 FES治療 在正常行走狀態下進行FES治療。采用四通道FES 儀（廣州凡科公司生產，易善行，型號：P2-9632），刺激電極分別置于偏癱側下肢脛前肌、股四頭肌、腓腸肌及股二頭肌運動點部位。股四頭肌、股二頭肌2 組肌群運動點采用6 cm×9 cm電極片；腓腸肌和脛前肌運動點采用3 cm×5 cm 電極片。FES治療參數為雙向對稱方波，頻率30 Hz，脈寬200 ms，電流強度以患者耐受為度。安慰治療時電極放置位置與電刺激組相同，但治療期間電刺激儀開機而無電流輸出。

2.1.3 同步治療方法 ①所有患者均先按照tDCS操作標準固定好tDCS電極，確定導電指示燈正常顯示，設置好刺激時間和刺激強度；②按FES 操作順序和肌肉位置，貼好8 塊刺激電極，調好刺激參數；③同步組同時啟動tDCS 治療儀和FES 治療儀，然后再調節FES 刺激電流至耐受強度（tDCS 安慰治療先選擇安慰模式再啟動刺激，FES 安慰治療將電流調至最小）；④啟動這2 部治療儀后，立刻進行平地行走（即tDCS治療、FES治療、行走訓練同時進行）。

2.2 評定方法

①下肢Fugl-Meyer 運動功能評分（Fugl-Meyer assessment of lower extremity，FMA-LE）；②Berg平衡量表（Berg balance scale，BBS）；③動態平衡測試儀采用挪威Natus 公司生產的Neurocom Balance Man?ager System 系統（見圖1）。其中FMA-LE 和BBS 于治療前、治療第6天和治療第12天進行3次評定，動態平衡測試于治療前后進行2次評定。所有評估均由第三方評估者完成，所有評估者均經過專門培訓，且評估者不知道患者的分組及治療方法。FMA-LE 的評估參見文獻［13］，BBS 的評估參見文獻［14］。動態平衡功能評定包括感覺統合測試含本體感覺、視覺、前庭覺、視覺依賴及綜合測試，運動控制及綜合測試，分別描述如下。

圖1 Neurocom動態平衡系統Figure 1 Neurocom balance manager system

2.2.1 感覺統合測試（sensory integration test，SOT）

在平臺不動狀態下，①狀態1：睜眼站立，測定視覺、前庭覺和本體覺3種感受器同時維持平衡的能力。②狀態2：閉目站立，除去視覺，依靠本體和前庭系統維持平衡能力。③狀態3：視景晃動，隨重心偏移情況的晃動，不正確的視信息下，人依賴于前庭和本體維持平衡能力。在平臺移動情況下：①狀態4：睜眼站立，平臺隨重心晃動移動，依賴視覺和前庭覺系統維持平衡的能力。②狀態5：閉眼站立，平臺隨重心晃動而移動，依賴前庭覺系統維持平衡。③狀態6：視景和平臺都隨重心晃動而移動，依賴正確的前庭覺系統信息來維持平衡。

根據以上6 種狀態可計算各感受器的平衡得分：①本體感覺（somatosensory cues，SOM）：SOM 值等于狀態2/狀態1，代表患者運用本體感覺保持平衡的程度。②視覺（visual cues，VIS）：VIS 值等于狀態4/狀態1，代表患者運用視覺保持平衡的程度。③前庭覺（vestibular cues，VEST）：VEST 值等于狀態5/狀態1，代表患者運用前庭覺保持平衡的程度。④視覺依賴（visual dependence preference，PREF）：PREF值等于（狀態3＋狀態6）/（狀態2＋狀態5），代表患者在沖突的視覺干擾環境下忽略錯誤視覺信息的能力。⑤感覺統合測試綜合（sensory organization test composite，SOTC）：為所有得分的加權平均分值，由計算機系統自動計算所得，代表每個人的感覺統合綜合能力。

2.2.2 運動控制測試（motion control test，MCT） 評估患者在其支持表面突然位移時產生有效的運動反應的能力，操作方法為人站立在平臺上，強壓力傳感平衡板突然向前和向后方向移動，其運動幅度根據以患者的身高自動調整，共測試3次，一般速度分別為：基礎閾值，2.8 deg/sec；中等程度，6.0 deg/sec；飽和速度，8.0 deg/sec。

2.2.3 運動控制測試綜合（motion control test com?posite，MCTC） 運動控制測試的綜合得分。

2.3 統計學方法

采用SPSS 21.0軟件進行數據統計分析，用Sha?piro-Wilk法對計量資料行正態性檢驗，符合正態分布計量資料用（±s）表示，不符合正態分布計量資料用中位數（四分位數）描述，分類資料用例數和百分數（%）表示。計量資料組間比較，采用方差F檢驗，不滿足條件的則用非參數秩和檢驗。組內治療前后比較用配對樣本t檢驗，不滿足條件的則用非參數秩和檢驗。計數資料組間比較，采用χ2檢驗。計量資料重復測量資料：因量表各指標部分數據不符合正態分布，故我們將BBS、FMA-LE 指標用取自然對數形式進行轉換后行重復測量方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗。以α＝0.05 作為組間比較的檢驗水準。

3 結 果

3.1 3組FMA-LE指標比較

見表2～4。3 組組內不同時間點兩兩比較，差異無統計學意義（P＞0.05），此處結論與重復測量結果相違背，以表3 重復測量結果為準；表3 中3 組的FMA-LE均隨時間變化呈顯著升高趨勢（F＝28.424，P＜0.001），差異有統計學意義，但各組間比較差異無統計學意義（F＝0.453，P＝0.638）；相同時間點比較，其變化率差異無統計學意義（P＞0.05）。

表2 3組治療不同時間點的FMA-LE指標比較（±s）Table 2 Comparison of FMA-LE in three groups before and after different time treatment（±s）

表2 3組治療不同時間點的FMA-LE指標比較（±s）Table 2 Comparison of FMA-LE in three groups before and after different time treatment（±s）

組別同步組FES組tDCS組F值P值例數21 20 15治療前19.62±4.92 21.05±6.86 20.00±8.65 0.241 0.787治療第6天20.91±5.58 23.15±7.36 21.27±9.11 0.542 0.585治療第12天21.91±5.57 23.55±7.38 21.87±8.85 0.342 0.712組內前后比較F值0.958 0.695 0.173 P值0.389 0.503 0.842——

表3 FMA-LE指標的重復測量數據資料的方差分析Table 3 Repeated measurement ANOVA of FMA-LE in three groups

變化率1＝（治療6次－治療前）/治療前×100%變化率2＝（治療12次－治療前）/治療前×100%

表4 3組間FMA-LE指標變化率分析［P50（P25，P75）］Table 4 Analysis of change rate of FMA-LE in three groups［P50（P25，P75）］

3.2 3組治療不同時間點的BBS指標比較

結果顯示，隨時間變化，各組的BBS 指標均呈顯著升高趨勢，說明各組治療均能顯著改善患者的平衡功能，差異有統計學意義（P＜0.05），見表5。重復測量的結果顯示，同步組的治療效果優于FES組、tDCS 組，差異有統計學意義（F＝3.277，P＝0.046），且隨治療時間增加，差異具有統計學意義（P＜0.05），見表6。比較3 組間的變化率可見，3 組間BBS 指標變化率1、變化率的2 組間差異有統計學意義（P＜0.05）；且經組間兩兩比較結果可得，同步組變化率1顯著高于FES 組，同步組變化率2 顯著高于FES 組、tDCS組；其余指標變化率差異無統計意義（P＞0.05）。見表7。

表5 3組治療不同時間點的BBS指標比較（±s）Table 5 Comparison of BBS in three groups before and after different time treatment（±s）

表5 3組治療不同時間點的BBS指標比較（±s）Table 5 Comparison of BBS in three groups before and after different time treatment（±s）

注：與治療前比較，1）P＜0.05；與治療第6天比較，2）P＜0.05；與同步組比較，3）P＜0.05。Notes:Compared with that before treatment,1) P<0.05; compared with that after 6 days' treatment, 2) P<0.05; compare with the syn?chronous group,3)P<0.05.

組別同步組FES組tDCS組F值P值例數21 20 15治療前29.71±10.08 34.35±11.26 28.27±10.19 1.669 0.198治療第6天43.91±4.961）39.30±10.21 37.20±9.761）3.030 0.057治療第12天58.24±8.091）2）42.35±7.961）3）39.53±8.681）3）29.009<0.001 F值66.883 3.322 5.797 P值<0.001 0.043 0.006——

表6 BBS指標的重復測量數據資料的方差分析結果Table 6 Repeated measurement ANOVA of BBS in three groups

表7 3組間BBS指標變化率分析比較［P50（P25，P75）］Table 7 Analysis of change rate of BBS in three groups［P50（P25，P75）］

3.3 3組動態平衡功能評估比較

由表8 結果可得，3 組平衡各指標組間比較，治療前6 個指標差異均無統計學意義（P＞0.05）；治療后SOTC、MCTC 2個指標組間差異有統計學意義（P＜0.05），且組間兩兩比較結果可得，SOTC、MCTC 2 個指標同步組均顯著高于FES組、tDCS組。

表8 3組平衡指標比較［（±s），P50（P25，P75）］Table 8 Comparison of balance function in three groups before and after treatment［（±s），P50（P25，P75）］

表8 3組平衡指標比較［（±s），P50（P25，P75）］Table 8 Comparison of balance function in three groups before and after treatment［（±s），P50（P25，P75）］

注：與同步組比較，1）P＜0.05。Notes:Compared with the synchronous group,1)P<0.05。

組別同步組FES組tDCS組例數21 20 15 SOM VIS治療前0.95±0.05 0.95±0.04 0.97±0.05治療后0.95±0.03 0.97±0.05 0.97±0.06治療前0.82（0.73，0.89）0.81（0.66，0.86）0.77（0.00，0.86）治療后0.90（0.82，0.95）0.83（0.76，0.90）0.86（0.80，0.91）組別同步組FES組tDCS組例數21 20 15 VEST治療前0.00（0.00，0.63）0.60（0.00，0.72）0.00（0.00，0.74）PREF治療后0.64（0.00，0.74）0.66（0.00，0.77）0.64（0.00，0.72）治療前0.98（0.88，1.05）0.98（0.79，1.03）0.93（0.84，1.01）治療后0.98（0.96，1.03）0.96（0.92，1.12）0.99（0.82，1.02）組別同步組FES組tDCS組例數21 20 15 SOTC治療前53.00（44.00，63.00）60.00（46.00，74.00）50.00（36.00，64.00）治療后75.0（59.50，85.50）59.0（54.75，67.50）1）61.0（47.00，68.00）1）MCTC治療前135.00（118.50，148.00）144.50（128.25，153.25）147.00（120.00，155.00）治療后163.00（153.00，177.00）127.50（119.00，134.50）1）138.00（111.00，151.00）1）

6 個指標組內治療前后比較：同步組的VIS、VEST、SOTC、MCTC 共4 個平衡指標治療前后差異有統計學意義（P＜0.05），且均治療后高于治療前；FES組的MCTC指標治療前后差異有統計學意義（P＜0.05），且治療后低于治療前；tDCS 組的VIS、SOTC共2 個指標治療前后差異有統計學意義（P＜0.05），且均治療后高于治療前。其余組別各指標治療前后差異均無統計學意義（P＞0.05）。

由表9 結果可得，應用秩和檢驗，3 組間平衡指標變化率分析，MCTC變化率指標差異有統計學意義（P＜0.05），同步組變化率2 顯著高于FES 組、tDCS組（P＜0.05）。其余平衡指標組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。

表9 3組間平衡指標變化率分析［P50（P25，P75）］%Table 9 Analysis of change rate of balance function in three groups［P50（P25，P75）］%

4 討 論

本研究發現，同步應用tDCS 和FES，可以改善患者的平衡能力，尤其是改善患者的感覺統合能力和動態運動控制能力。平衡被定義為在支撐基礎內以最小的姿勢搖擺維持重力線的能力，平衡控制是一個依賴于視覺、前庭和體感輸入到中樞神經系統（CNS）組合的一個過程［15］。由于感覺、運動和肌肉骨骼系統之間復雜連接失敗而導致的平衡缺陷在TBI患者中非常常見。許多因素可以導致平衡能力受損：如生物力學和關節運動學、感覺運動和神經控制、心肺失調，以及認知、心理和跌倒恐懼［16］。

平衡缺陷是TBI 患者最嚴重的損傷之一，保持坐姿和站立時的平衡是所有日常活動的必要條件，包括自理、步行和駕駛［16］。既往文獻表明，健康人站在穩定的表面上并獲得視覺輸入時，感官會受到70%的體感輸入、20%的前庭輸入和10%的視覺輸入的影響［17］。基于這一發現，軀體感覺和前庭系統是在站立時獲得姿勢控制的主要感覺系統。業已證明，同時刺激視覺、前庭覺和/或本體感覺，如站立在振動儀上的前庭鍛煉、振動儀上的虛擬現實或跑步機上的運動都會改變神經系統多個層面的神經可塑性，最大程度地提高TBI 和其他人群的平衡能力［18-20］。因此，步行功能的改善對平衡功能的改善有明顯的相互促進作用。

功能性電刺激是一個融合多個學科的交叉研究領域，具有重要的研究意義和廣闊的臨床應用前景［4］。本研究所使用的四通道功能性電刺激儀采用運動控制理論，具有應用方便（可穿戴、便攜），療效明顯的特點，臨床容易推廣，深受專業人員及患者歡迎。已有很多文獻證明，其對腦卒中偏癱急性期、慢性期的運動功能均有明顯的促進作用［7-8，21］，在醫院日常工作中對多種原因的腦損傷患者導致的偏側肢體運動障礙都有明顯的療效。

神經調控技術的出現給神經系統疾病的治療帶來了新的希望，其中，tDCS 是一種新型非侵入性腦調控技術，能夠直接調節皮層興奮-抑制環路功能狀態，且幾乎不引起不良反應，已成為一種新型的康復手段［22］。tDCS 的作用機制是通過接觸頭皮的微弱電流改變神經元活性和腦血流（cerebral blood flow，CBF）大小；帶來突觸和非突觸的后效應；根據電極正負調節神經遞質；改變振蕩腦活性和腦的功能連接模式。這種非侵入性神經刺激手段是改善TBI 后運動功能的一種可選方式，同時對腦卒中、帕金森、阿爾茨海默病伴隨的功能障礙也有改善作用［23-25］。研究發現，tDCS 電極置于不同位置，可產生不同的治療效果，陽極電極放置于左側運動主皮層投影區，可促進運動功能提高［26］。

本研究同時應用tDCS 和FES，分別從中樞調控皮層興奮性，從外周給予肌肉感覺刺激，調高肌肉收縮力；這種外周和中樞同時給予刺激，有助于提高對平衡功能的康復治療作用。本研究結果表明，單用陽極tDCS 或基于正常行走模式的四通道FES或tDCS 同步FES 治療均能改善腦外傷恢復期偏癱患者下肢運動功能和平衡功能。但同步治療比單獨使用FES 或tDCS 治療更有益，且主要通過改善患者的運動控制能力來改善患者的綜合平衡功能。

運動控制是指肢體精確完成活動任務的能力，是大腦運動皮質功能、小腦和腦干平衡協調功能、脊髓中間神經元功能、神經傳導和神經-肌肉接頭功能、肌肉收縮和舒張功能以及骨關節功能綜合作用的表現。情緒、心理和認知功能也參與了運動控制的過程。涉及上述各個環節的障礙都可以導致運動控制障礙，表現為具有一定的肌力，但是無法控制動作的精確性和靶向性。腦外傷后相當數量的患者表現為運動控制障礙。運動控制障礙的康復有賴于感覺的輸入、模式化運動的重建和多次重復。本研究證明，通過FES 刺激提高患者外周的感覺輸入，基于正常步態的正確行走模式的刺激以及tDCS 對皮層興奮性的調控作用，可以更好地提高患者的運動控制能力。tDCS 同步FES 治療的協同治療模式為臨床提供了新的思路。本研究表明在如何促進腦-肢協同治療的效果方面，還需要在刺激方式、刺激時間、電流強度、電流密度、同步方式等方面做更大樣本、更長治療周期的進一步研究。