基于腦機接口的康復訓練在腦卒中上肢康復中的研究進展

李丹,劉玲玉,靳令經,王茹

2019年全球疾病負擔數據顯示,腦卒中是我國乃至全球成人致死、致殘的主要原因[1-2]。腦卒中患者常遺留肢體運動功能障礙[3],73%～88%的首次腦卒中患者和55%～75%的慢性腦卒中患者可遺留上肢運動障礙[4-5],盡管物理治療、強制性運動療法等多種康復治療技術已經應用于腦卒中上肢功能康復,仍有約20%～30%的患者不適用這些康復策略[6]。因此,探索新的、有效的康復訓練方法至關重要。腦機接口(brain-computer interface,BCI)可以通過獲取大腦神經活動進而控制外部設備,外部設備也會相應地給大腦發送反饋信息,實現大腦意圖和實際行動之間的雙向聯系。這個過程由信號采集、信號處理和交互控制三個模塊組成[7]?；谶\動想象(motor imagery,MI)的BCI是最流行的BCI范式[8]。近年來,基于BCI的多種康復訓練系統在腦卒中后上肢康復領域發展迅速,本文將基于BCI的不同訓練系統在腦卒中上肢功能康復中的應用及機制研究進展進行概述。

1 BCI系統

BCI系統利用用戶的大腦活動信號作為人和環境之間通信的媒介,使受試者能夠通過大腦活動操作外部設備,不受周圍神經或肌肉的控制。按照信號采集的位置,把BCI系統分為侵入式BCI和非侵入式BCI。雖然前者采集的腦信號精確度更高和信噪比均更高,但是鑒于其存在創傷感染、異物反應及生成瘢痕等風險和倫理問題[9],因此非侵入式BCI仍然是首選。按照信號采集的方式,可分為腦電圖、腦磁圖、近紅外光譜技術和功能性核磁共振成像等,其中腦電圖是最常見的信號采集方式。MI、事件相關電位P300、穩態視覺誘發電位(steady-state visual evoked potential,SSVEP)是腦電圖常見的信號來源[10],它們構成了不同的BCI范式。我們有必要了解基于腦電圖的三種BCI范式的原理和各自的優、缺點。①MI-BCI:原理,通過提取想象不同肢體部位運動時運動皮質節律信號的變化特征以控制外部設備;優勢,控制信號屬于自主誘發腦電,而無需外界特定刺激;劣勢,需要較多訓練學習控制大腦節律;指令集有限;分類速率和正確率有待提高;個體差異性較大。②P300-BCI:原理,P300由刺激誘發的潛伏期約300ms的晚期正波,與注意等認知功能有關;優勢,訓練難度低;系統穩定可靠;信息正確率較高;適合嚴重殘疾患者獨立長期在家庭環境中使用;劣勢,對于眼部肌肉控制有障礙人群受限;注意力和視覺高度集中易引起疲勞感;幅值低而難以檢測。③SSVEP-BCI:原理,通過快速重復刺激誘發腦電地穩定振蕩;優勢,信息傳輸率較高;輸出指令集豐富;訓練難度低;劣勢,快速重復的視覺刺激易引發視覺疲勞;對于眼部肌肉控制有障礙人群受限;依賴刺激源。近幾年,隨著BCI技術的迅速發展,基于腦電圖的混合BCI范式也成為了研究熱點。Yu等[11]將MI和SSVEP相結合的混合BCI范式中,SSVEP可以為MI練提供有效的持續反饋,從而更有效地識別受試者的意圖。Zuo等[12]鑒于SSVEP易引發視覺疲勞,提出了一種將P300和MI結合的混合BCI,不僅可以讓被試通過更柔和的刺激來有效地調節感覺運動節律,還可以通過P300提高BCI訓練初始階段的反饋準確性。

2 基于BCI模式的訓練在腦卒中后上肢康復中的應用

BCI常與不同外部設備聯合進行訓練,通過采集腦電信號、計算機處理解碼患者意圖,將信息轉換為有效的命令信號輸出至外部設備,外部設備執行指令并提供本體感覺反饋或視覺反饋,形成主動式閉環反饋回路幫助患者調節神經活動,從而促進神經可塑性和肢體運動功能恢復[13]。目前常用的外部設備有功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)、上肢康復機器人和視覺反饋設備。

2.1 基于BCI模式的FES訓練 FES應用一定強度的低頻脈沖電流,按需編定程序,作用于神經肌肉系統,以產生運動或模仿正常自主運動,從而補償或替代受損個體已喪失的功能[14]。Jang等[15]對腦卒中患者肩關節半脫位處進行BCI-FES或FES治療共30次,每次20min,持續6周;電刺激時間為15s,頻率35 Hz,強度1～50 mA。結果表明,BCI-FES訓練比單獨FES訓練更有助于改善腦卒中后的肩關節半脫位,并改善肩部的屈曲和外展活動。Biasiucci等[16]對27例嚴重手部癱瘓的腦卒中患者進行BCI-FES訓練(試驗組)對照組采用假刺激干預,每周2次,每次60min,持續5周;FES電流強度10～25 mA,頻率16～30 Hz。訓練后,試驗組上肢Fugl-Meyer評定量表(Fugl-Meyer assessment,FMA)評分明顯高于對照組,并且效果能維持至訓練結束后6～12個月,這表明BCI與FES聯合訓練能更加有效改善慢性腦卒中患者的上肢運動功能。Tabernig等[17]對8例腦卒中患者進行BCI-FES訓練,每周4次,每次60 min;FES產生最大強度為40 mA、頻率為2.5pps、持續0.2ms的雙向矩形脈沖電流。訓練后患者上肢FMA評分顯著提高,痙攣、肘關節和腕關節主動屈曲活動度和生活質量均有所改善。

2.2 基于BCI模式的上肢康復機器人訓練 上肢康復機器人是交互式電動設備,分為外骨骼和末端執行器兩種構型,前者通過控制每個節段的外骨骼位移來輔助肢體運動的,后者從遠端應用點移動肢體[18-20]。上肢康復機器人可提供重復、高強度和特定任務訓練,刺激、重新激活和整合參與運動回路的體感系統輸入,促進感覺運動重組,對精細動作的康復有較好的效果[21-22]。BCI先將患者的大腦神經活動轉化為上肢機器人的動作輸出,驅動或輔助患者執行規范的動作,同時上肢機器人也受到患者的直接控制[23-24]。2014年Ang等[25]報道了136次基于BCI的外骨骼反饋訓練可以獲得與傳統機器人訓練1040次相似的恢復效果,表明了BCI機器人訓練的價值。在Frolov等[26]的一項多中心隨機對照研究中,試驗組55例腦卒中患者接受BCI控制的手部外骨骼主動訓練,對照組19例患者僅接受手部外骨骼被動訓練,兩組都接受常規物理治療,共訓練10次,每次30min。結果顯示,2組的上肢FMA結果和上肢動作研究量表(action research arm test,ARAT)結果均有改善,但對照組中的抓、捏和粗大動作得分無顯著改善,且試驗組FMA和ARAT結果改善達到最小臨床重要差異患者的比例分別比對照組高4.3倍和2.3倍。Bhagat等[27]對10名腦卒中患者肘關節處進行BCI控制的動力外骨骼訓練,每周3次,持續4周。訓練后上肢FMA和ARAT評分顯著提高,患者動作的速度和流暢性改善。Chen等[28]把14例腦卒中患者隨機分為BCI組和對照組,發現BCI組干預前后的改善率(12.77%)高于對照組(7.14%),BCI組運動恢復良好的患者(57.1%)也多于對照組(28.6%)。Ramos等[29]和Cheng等[30]都認為對具有上肢功能障礙的腦卒中患者進行BCI控制機器人干預,可使患者獲得持久的上肢功能改善。Guo等[31]探究了基于SSVEP的BCI控制機器人對腦卒中后上肢康復的療效,將30例腦卒中后患者隨機平均分為3組,分別接受常規治療、機器人治療和BCI機器人治療,發現BCI機器人組的患者FMA評分在訓練后顯著改善,認為SSVEP-BCI控制機器人比僅機器人康復效果更好。

2.3 基于BCI模式的視覺反饋訓練 視覺器官在接收外界刺激后,視覺中樞參與和形成視覺感知反應和認知反饋。視覺反饋訓練能給予患者豐富的視覺和日常生活情景模擬,對防治廢用綜合征及加速上肢運動功能恢復具有重要意義[32]。提供視覺反饋的形式從二維的圖片、文字發展到三維的虛擬現實(virtual reality,VR),反饋內容也變得更加多樣化和具有激勵性。Pichiorri等[33]將28例腦卒中患者隨機分為BCI組和無BCI對照組,在MI任務過程中,通過計算機屏幕向患者提供癱瘓手閉合和打開的視覺表征形式反饋,BCI組患者上肢FMA評分和肌力增加更顯著。Foong等[34]采用一種MI-BCI模式下的視覺反饋系統,對13名腦卒中患者進行6周的上肢訓練。訓練后患者上肢FMA評分在第12和24周時明顯提高,表明MI-BCI系統結合視覺反饋訓練能幫助腦卒中患者維持短期上肢運動功能改善。Halme等[35]發現,MI過程會導致運動皮層功能變化,但這種效果不是通過視覺反饋來實現的,認為純粹的視覺反饋對神經康復的影響還有待證實。

2.4 基于BCI模式的多模態反饋訓練 如前所述,基于BCI模式的FES、上肢康復機器人可提供本體感覺反饋以及基于BCI模式的視覺反饋訓練可有效促進腦卒中后上肢運動功能改善。不同的反饋信息產生不同的作用效果,基于BCI的多模態反饋可能使療效更顯著[36]。Miao等[37]對腦卒中后遺癥期患者進行BCI-FES訓練,虛擬肢體和FES都被用作反饋,幫助患者通過視覺和感官途徑改善上肢運動功能。Hu等[38]也發現結合感覺和視覺反饋的BCI訓練可以增強MI能力,有效改善慢性腦卒中患者的上肢和手部功能障礙。

3 基于BCI模式的訓練聯合其他訓練方法在腦卒中后上肢康復中的應用

Johnson等[39]發現將BCI訓練與重復經顱磁刺激(repeated transcranial magnetic stimulation,rTMS)結合,通過下調來自對側半球的過度抑制并增加同側病變皮質的激來促進腦卒中后運動活動和行為功能改善。Lee等[40]將BCI-FES系統與動作觀察訓練(action observation training,AOT)與結合,發現干預后腦卒中患者上肢FMA評分、腕屈曲活動度以及日常生活活動評分均提高。Li等[41]將多感官反饋(本體感覺、視覺、聽覺)的BCI訓練與音頻提示、運動觀察訓練以及常規療法結合,結果表明可以促進腦卒中患者持久的上肢運動改善。Chen等[42]將SSVEP-BCI系統與增強現實(augmented reality,AR)以及計算機視覺相結合,構建了一種新型的機器人控制系統,AR允許機械手臂和視覺刺激都在用戶的視野內,可緩解用戶注意力轉移的問題,使用戶與機械手臂之間的交互變得更加自然和直觀。

4 基于BCI的康復訓練影響腦卒中上肢運動功能康復的神經機制

目前普遍認為BCI訓練影響腦卒中后上肢運動功能康復的機制與神經可塑性密切相關,但仍不十分明確,可能主要包括以下三個方面[43-44]。

4.1 皮質激活狀態改變 皮質激活狀態可由事件相關去同步化(event-related desynchronization,ERD)來反映,更強的ERD代表更好的大腦功能和大腦可塑性[45]。Chen等[28]發現對側感覺運動皮層的ERD隨著BCI干預時間的持續增強,而患者的上肢運動功能也得到更大的改善。Bhagat等[27]認為BCI訓練后患側半球的激活程度更高,對側半球的抑制程度更高。Ang等[44]發現經BCI訓練后的患者大腦對稱性指數與上肢運動功能改善程度呈負相關,即腦電不對稱程度越高的患者運動功能改善越少,提示雙側皮層半球的激活更有利于上肢運動功能恢復。這表明改變皮質激活狀態是BCI訓練促進腦卒中上肢康復的重要機制,但具體哪側大腦半球被激活尚存在爭議。

4.2 神經網絡功能連接的改變 Wu等[46]發現BCI訓練后,半球間和半球內的功能連接(functional connectivity,FC)增加,并且兩半球間的體感聯合皮層和殼核之間FC增加與手部控制和功能恢復顯著相關。Yuan等[47]利用靜息態功能磁共振技術(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)和任務態功能性磁共振技術(task-based functional magnetic resonance imaging,task-based fMRI)以及彌散張量成像技術(diffusion tensor imaging,DTI)研究BCI干預后大腦的功能重組及其結構基礎,發現病灶同側運動區和某些病灶對側運動區之間的FC顯著增加,同側M1的FC變化與上肢運動功能改善顯著相關;感覺運動區的兩半球間FC和偏側性指數增加共同表明了上肢運動功能恢復過程中兩半球的重新平衡。近期一項研究在對腦卒中患者實施BCI干預并使用功能性近紅外光譜技術(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)檢測神經可塑性變化,發現與患手抓握相關的大腦激活模式變化以及BCI訓練后同側M1區與額葉皮層之間的FC增強[48]。

4.3 皮質脊髓束完整性改變 除了大腦不同腦區間網絡結構和功能的變化機制外,BCI訓練還可通過提高皮質脊髓束的完整性來調節神經可塑性,從而促進運動功能的改善[49]。皮質脊髓束的完整性與腦卒中后上肢的運動表現和預后相關[50-51],而運動誘發電位(motor-evoked potential,MEP)是檢測皮質脊髓束功能完整性的常用手段[52]。有研究發現每次BCI訓練后MEP振幅均顯著增加[53],而無BCI控制組在任何刺激強度下都沒有明顯變化。Caria等[54]采用DTI,以分數各向異性(fractional anisotropy,FA)反映BCI訓練前后皮質脊髓束的結構完整性,發現胼胝體和對側后丘腦放射區FA越高,即皮質脊髓束結構完整性越好,上肢FMA評分增加越多,上肢功能恢復越好。這一觀點也得到了其他研究的支持[55]。

5 小結

基于BCI的康復訓練可誘導神經可塑性變化和大腦功能重塑,促進腦卒中患者上肢運動功能的康復。值得注意的是,基于BCI的康復訓練如何為患者提供更好的康復體驗,從而真正地得到推廣應用,仍有幾個關鍵問題亟待解決。

首先,腦卒中上肢康復臨床應用中最為常用的是基于MI-BCI的神經反饋康復訓練系統,患者的MI能力是決定康復效果的首要因素,需要患者花費較長時間學習掌握MI技巧,認知能力欠佳、體質較差等主觀問題可能會影響訓練的療效。其次,缺乏標準的和個體化的臨床實施方案。在不同訓練中,FES采用的頻率、強度、時間,上肢機器人支持或輔助的類型、涉及的關節數量及運動任務的特征等各不相同。在康復訓練過程中,應根據特定肌群、任務模式和患者自身情況選擇或調整至最佳的訓練方式和參數,為患者提個性化、最優化的治療方案。再次,腦卒中患者主要是通過重組正常半球和開發病灶半球保留的運動回路來實現上肢運動功能康復,但不同外部設備在閉環回路中扮演的角色尚無定論。未來仍需要更多高質量研究進一步探究BCI訓練促進腦卒中上肢康復的作用機制。綜上所述,基于BCI的訓練在腦卒中后上肢功能康復中有廣闊應用前景。明確BCI訓練的作用機制和實現更加個性化、智能化的康復訓練過程,是BCI未來的發展趨勢。