基于行走模式的單關節與雙關節功能性電刺激對腦卒中患者下肢功能及腦部彌散張量成像的影響

徐奕鵬,侯甜,曲源,張虹,李金賢

腦卒中是中老年人的常見病和多發病,是老年人致殘的主要原因之一。行走能力障礙是腦卒中患者最常見的運動障礙,直接影響患者的自理能力和生活質量[1-2]。因此,最大程度地恢復患者的行走能力是腦卒中后康復治療的首要目標之一[3]。功能性電刺激(functional electrical stimulation, FES)能顯著改善腦卒中患者偏癱肢體的功能,提高行走能力,降低致殘率[4]。但現有FES多以單通道或雙通道刺激為主,只能刺激1組或2組肌群,產生單一關節、單一方向的活動,雖然可以糾正足下垂、改善步態,但不符合人體的正常行走模式;且以往臨床研究只重視其治療效果功能評價,較少結合核磁共振技術,如彌散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)等觀察其是否影響腦組織重建中的纖維傳導,缺乏客觀評價[5]。基于正常行走模式的多通道FES治療儀是基于正常人體的行走時序,采用雙關節、非同步的刺激方式刺激多組肌群,使運動障礙的下肢產生行走的動作,該刺激模式符合功能性活動的要求,能更好地改善其運動功能,但其在腦卒中患者康復治療中的研究尚少。基于此,本研究旨在探究采用基于行走模式的單關節與雙關節FES對腦卒中患者下肢功能及腦DTI變化的影響,為腦卒中患者下肢功能康復方法提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2021年3月～2022年3月在新疆維吾爾自治區人民醫院就診的腦卒中患者84例。納入標準:首次發病,年齡在40～80歲;符合《中國急性缺血性腦卒中診治指南2018》、《中國腦出血診治指南(2019)》中關于缺血性腦卒中及腦出血的診斷和分類標準[6-7],影像學資料齊全;存在單側肢體偏癱,患側下肢Brunnstrom分期為Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅳ期,因III期是痙攣期,V、VI期分離運動已充分,不適宜行功能性電刺激治療[8]。病程2周～6個月,處于恢復期。排除標準: 處于進展性的腦卒中患者;合并蛛網膜下腔出血者;病灶位于腦干或小腦者;簡易精神狀態量表(mini-mental state examination,MMSE)評分<10分,存在重度認知功能障礙者;合并感染性疾病者;合并心、肺、肝、腎等基礎疾病者;合并顱腦外傷或惡性腫瘤。本次研究通過我院倫理委員會審核批準(KY2019120611),所有患者均簽署知情同意書。采用隨機數字表法將患者分為基于行走模式的多通道FES雙關節(踝、膝關節)刺激組(以下簡稱雙關節組)及雙通道FES單關節(踝關節)刺激組(以下簡稱單關節組),每組42例。2組患者的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組患者一般資料比較

1.2 方法 2組患者均進行藥物支持治療及常規康復訓練,包括肌力訓練、步行訓練、運動平衡訓練及日常生活活動能力訓練,30min/次,1次/日,5次/周。在此基礎上進行采用基于正常行走模式設計的多通道FES治療儀進行FES治療。多通道FES治療儀由中山大學孫逸仙紀念醫院康復科研制(專利號:200920159565.9;20062005887.0),具有4個輸出通道,分別刺激膝關節和踝關節。患側下肢Brunnstrom分期為Ⅰ期、Ⅱ期的患者一般都不能獨立行走,患者均取健側臥、患側下肢懸吊的體位。患側下肢Brunnstrom分期Ⅳ期患者在治療師指導下根據刺激時序進行模擬正常人行走訓練。雙關節組患者接受FES治療儀的四通道治療模式,通過模擬正常人行走時肌肉收縮的時序依次刺激患側的股外側肌、脛骨前肌、腓腸肌和股二頭肌,完成一次簡單步行周期重要肌肉收縮過程;單關節組患者接受同一FES治療儀的雙通道治療模式,依次刺激患側的脛骨前肌、腓骨長短肌兩組肌群。刺激電極置于各肌群的肌肉運動點上,運動點采用外周神經電刺激儀定位,刺激患側股外側肌、脛骨前肌、腓腸肌及股二頭肌4組肌群的肌腹,選取肌肉收縮最強點標記為運動點。股外側肌和股二頭肌的肌群運動點上用6cm×9cm電極縱行對置;腓腸肌的運動點上用4cm×4cm電極縱行對置;脛前肌運動點上用4cm×4cm電極橫行并置。電極參數設置為:雙向對稱方波,頻率30Hz,脈寬200us,電流強度在患者能耐受的強度內以能夠引起功能動作的為宜。各通道刺激時序按照步態周期時序設計。步行周期5s,通電/斷電時間比為5s/5s,30min/次,1次/d,5次/周,共治療3周。

1.3 評定標準 分別于治療前、治療后1周、2周、3周后由1名康復醫師對患者的下肢運動功能、平衡功能、步行功能及日常生活活動能力進行康復評定。評定醫師不參加治療,且不知道試驗分組情況。每例患者的評定一般在1～2日內完成。①應用Fugl-Meyer運動評定量表下肢部分(Fugl-Meyer motor assessment of lower limb, FMA-L)進行下肢功能評定,包括17項,每項0～2分,總分0～34分,得分越高提示下肢運動功能越好[9]。②采用腦卒中患者姿勢評定量表(postural assessment scale for stroke patients, PASS)、Berg平衡量表(Berg balance scale, BBS)評估患者的平衡功能。PASS用于評估腦卒中恢復期或病情較重患者的臥-坐位姿勢控制能力,共12項,每項0～3分,總分0～36分;BBS用于評定病情較輕或站立位患者的平衡能力,共14項,每項0～4分,總分0～56分;③ 應用Holden 步行功能分級評定患者步行功能,分為0～5級,分級越高表明患者步行能力越好[10]。④ 應用改良Barthel指數(modified Barthel index, MBI)評定患者日常生活活動能力,包括進食、洗澡、穿衣、大便控制、小便控制、用廁、床椅轉移、平地行走、上下樓梯10項,總分正常0～100分。評分>60分為生活基本自理;評分40～60分為中度功能障礙,日常部分活動需要幫助;評分20～40分為重度功能障礙,日常大部分活動需依賴他人;評分<20分為完全殘疾,生活完全依賴他人幫助[11]。⑤采用彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)評估患者腦組織損傷,分別于治療前、治療3周后對所有患者進行核磁共振檢查。由同一技術人員進行圖像采集,重建部分各向異性(fractional anisotropy, FA)圖。在FA圖上,手動在病灶最大層面畫出感興趣區(region Of interests, ROI)得到相應FA值。以同樣方法測量健側鏡像區的FA值作為對照。當病灶為單側半球多發病灶時,取其中最大的病灶進行測量。相對各向異性分數(relative fractional anisotropy,rFA)=病灶側FA/對側FA,rFA越低提示患者腦卒中造成的腦組織損傷越嚴重;各向異性分數不對稱性值(fractional anisotropy asymmetry,FAasy)=(對側FA-病灶側FA)/(對側FA+病灶側FA),FAasy越高提示患者腦卒中造成的腦組織損傷越嚴重[12]。

2 結果

2.1 2組患者治療前后各時間點FMA-L評分比較 治療前,2組患者FMA-L評分比較差異無統計學意義。治療1周、2周、3周后,2組患者FMA-L評分均較治療前顯著升高(均P<0.05),且雙關節組患者FMA-L評分均高于單關節組(均P<0.05)。見表2。

表2 2組治療前后各時間點FMA-L評分比較 分,

2.2 2組患者治療前后各時間點PASS、BBS評分比較 治療前,2組患者PASS、BBS評分比較差異無統計學意義。治療1周后2組患者PASS、BBS評分較治療前升高(均P<0.05),雙關節組患者BBS評分高于單關節組(P<0.05)。治療2周、3周后,雙關節組患者PASS、BBS評分均高于單關節組(均P<0.05)。在治療1周、2周、3周后2組患者PASS、BBS評分均高于治療前(均P<0.05)。見表3。

表3 2組治療前后各時間點PASS、BBS評分比較 分,

2.3 2組患者治療前后各時間點Holden步行功能分級比較 治療前及治療1周后,2組患者Holden步行功能分級比例無統計學差異。治療2周、3周后雙關節組患者Holden步行功能分級高于單關節組患者(均P<0.05),且均高于治療前(均P<0.05)。見表4。

表4 2組治療前后各時間點Holden步行功能分級比較 例(%)

2.4 2組患者治療前后各時間點MBI評分比較 治療前,2組患者MBI評分比較差異無統計學意義。治療1周、2周、3周后,2組患者MBI評分均較治療前升高(均P<0.05),雙關節組患者MBI評分高于單關節組(均P<0.05)。見表5。

表5 2組治療前后各時間點MBI評分比較 分,

2.5 2組患者治療前、治療3周后DTI及FA、rFA、FAasy比較 治療前,2組患者患側腦白質纖維束疏松,部分或完全斷裂,纖維束密度較健側低,治療第3周后2組患者患側腦白質纖維束有所增加。見圖1a～d。治療前,2組患者病灶側FA值、rFA、FAasy比較差異無統計學意義。治療3周后,2組患者病灶側FA值、rFA均較治療前升高(均P<0.05),FAasy較治療前降低(P<0.05),雙關節組患者病灶側FA值、rFA高于單關節組(均P<0.05),FAasy低于單關節組(P<0.05)。見表6。

a.雙關節組治療前;b.雙關節組治療后;c.單關節組治療前;d.單關節組治療后

表6 2組患者治療前后病灶側FA值、rFA、FAasy比較

3 討論

行走能力喪失是腦卒中患者最常見的功能障礙之一,嚴重影響患者的日常生活活動能力和生活質量[13]。目前,國內外用于治療中樞神經損傷后下肢癱瘓的電刺激治療儀,只能刺激1組或2組肌群,產生單一方向、單一關節的活動。如糾正腦卒中后足下垂的單通道電刺激只能產生踝關節的動作,這與正常行走時需要多個關節、多組肌群協調參與的運動模式不相符[14]。基于正常行走模式的多通道FES刺激是通過預先設定的程序來刺激1組或多組肌肉模擬正常自主運動,以達到改善被刺激肌肉或肌群功能的目的[15]。

臨床研究發現FES通過低頻電刺激誘導神經肌肉活動達到改善肢體功能的目的[16]。但是,國內關于多通道FES雙關節刺激對腦卒中患者的早期下肢運動功能療效的研究尚少。

臨床中評價腦卒中患者運動功能的指標眾多,包括用于評價上肢、下肢運動功能的FMA評分,評價患者平衡功能的PASS、BBS評分,評價患者行走功能的Holden步行功能分級以及評價患者日常生活活動能力的MBI評分等。這些指標具有良好的信效度和敏感性[17-20]。以往研究發現,在慢性期腦卒中患者的康復訓練中聯合運用多通道FES可更加明顯提高患者下肢運動功能、行走功能及平衡功能[21]。在本研究中,雙關節組患者FMA、PASS、BBS、MBI評分在治療后均增加,Holden步行功能分級提高,組間比較也發現除了PASS評分在治療1周后無顯著差異,而治療2周、3周后有顯著性差異外,雙關節組FMA、BBS、MBI評分在治療1周、2周及第3周均顯著高于單關節組患者。這說明基于正常行走模式的多通道FES雙關節刺激能快速、有效地改善腦卒中患者早期下肢運動功能,其效能優于雙通道FES治療。分析其原因,一方面由于多通道FES的雙關節刺激治療通過模擬正常肌群收縮的先后次序及時間,序貫刺激多組肌群帶動患者被動進行協調活動,即使患者在康復初期無法自主進行多部位協調運動,也可在雙關節刺激下達到功能性活動的效果,實現以被動牽引主動行為的癱瘓肢體康復,進而有效提升患者下肢FMA評分[22]。另一方面,雙關節刺激可能通過神經通路傳導刺激低位運動神經元及高位運動皮層的重塑,以外周神經刺激激活中樞神經活性的方式改善癱瘓肢體的運動功能和平衡功能。伴隨著患者運動功能顯著改善和能夠進行的康復訓練強度逐漸增加,患者日常生活自理能力也會顯著改善,形成肌肉力量——運動——功能恢復的正向循環。

DTI是近年來在常規磁共振和彌散加權成像基礎上發展起來的成像及后處理技術,可對大腦白質纖維束的三維幾何結構進行分析,是唯一可在活體顯示腦白質纖維束的無創成像技術,為揭示卒中后白質纖維動態重塑的過程提供了有效手段[23-24]。以往研究通過DTI技術分析亞急性腔隙性腦梗死患者,發現DTI可以詳細、精確地定位病灶,并能夠清晰顯示病灶的大小[25]。此外,DTI技術還能通過參數的變化評價軸突的髓鞘形成、破壞、脫失和恢復,判斷腦卒中后運動皮層下纖維束的損害對功能重組和病人預后的影響[26]。本研究治療3周后2組患者病灶側FA值、rFA均升高,FAasy均降低,雙關節組患者病灶側FA值、rFA均高于單關節組,FAasy低于單關節組,說明該治療方法更有利于患者腦組織病灶的吸收、恢復。原因可能在于,一方面由于多通道FES的雙關節刺激在直接刺激外周運動神經的同時,更好地改善了中樞神經的可塑性;另一方面,通過對外周神經及肌肉群的刺激,隨著患者運動功能的逐漸恢復,患者全身循環系統及血流灌注水平可能得到一定改善,也有利于腦血流再灌注及腦組織的部分恢復。此外,雙關節刺激通過一定時序刺激多組肌群模擬正常步行動作,促使患肢進行更加復雜、精細、協調性的運動訓練,在一定程度上提高了皮層下纖維束重組的效率,更有利于受損纖維束的修復。但DTI檢測主要用于客觀評價腦內病灶變化情況及患者療效,對于具體雙關節刺激加快腦卒中病灶恢復的機制仍有待進一步探究。

綜上所述,本研究發現基于正常行走模式的多通道FES雙關節刺激對于腦卒中患者治療效果優于單關節刺激法,能顯著改善患者運動功能、平衡功能、行走功能及日常生活活動能力。此外,DTI檢查提示多通道FES更有利于患者腦內病灶恢復,對于提高腦卒中患者康復治療水平及預后具有臨床意義。