對側(cè)控制型功能性電刺激及其聯(lián)合療法在偏癱康復中的研究進展

張敏杰, 孟兆祥, 金 星, 王 鑫, 柯明慧, 周洪雨

(揚州大學臨床醫(yī)學院/揚州大學附屬蘇北人民醫(yī)院 康復科, 江蘇 揚州, 225000)

腦卒中常導致嚴重的上肢、下肢運動功能障礙,上肢的運動障礙表現(xiàn)為過高的屈肌張力和微弱的伸肌力量,造成手指伸展和精細運動困難; 下肢運動障礙表現(xiàn)為伸肌張力高和踝關節(jié)易跖屈從而使步態(tài)異常及步行耗能增加。其中尤以恢復腕指關節(jié)、踝關節(jié)伸展運動功能為最困難的環(huán)節(jié)之一。因此如何有效地改善手部、踝部伸展功能訓練方法是腦卒后康復治療的難點。腦卒中康復治療常存在以下問題: 在腦卒中早期,康復訓練常以被動活動為主,無良好的主動訓練方式介入; 疾病康復中期、后期,無法精確量化患者功能變化。

對側(cè)控制型功能性電刺激(CCFES)是應用于腦卒中康復治療領域的一種改良式功能性電刺激療法。相較于臨床常規(guī)使用的低頻電刺激-神經(jīng)肌肉電刺激(NMSE), CCFES可使得偏癱患肢在疾病早期盡快融入主動訓練,達成誘發(fā)患肢遠端動作的目標,幫助解決偏癱患者訓練中出現(xiàn)的“早期無良好主動運動介入、中后期無法量化患者功能變化”問題。

CCFES最早由KNUTSON J S教授等[1]于2007年進行的“對側(cè)控制型功能性電刺激對改善腦卒中恢復期患者手功能療效觀察”研究中提出。準備工作如下: 先將健側(cè)、患側(cè)靶肌肉部位貼上電極片,記錄健側(cè)腕產(chǎn)生最大背伸對應的肌電數(shù)值并將此數(shù)值設定為健側(cè)肌電閾值,再調(diào)節(jié)患側(cè)電流強度,電流強度需使得患腕產(chǎn)生與健腕類似的關節(jié)活動。治療過程如下: 貼于健側(cè)肢體上的感應電極監(jiān)測到肌電數(shù)值,與閾值比較后,儀器將根據(jù)健側(cè)用力情況等比例地給予患側(cè)電刺激。僅當健側(cè)收集到的肌電信號與閾值相同時,儀器才給予患肢預先設定的電流強度,使得健患側(cè)運動幅度相同; 反之則健患側(cè)運動幅度不一致。

1 工作原理

1.1 意念與運動同步性

患者在進行CCFES訓練時,先產(chǎn)生意念再產(chǎn)生動作,此種時序最大程度地提高了中樞神經(jīng)活動與外周肌肉活動同步性[2]。在中樞-外周、運動-感覺神經(jīng)通路間高頻的、重復的同步性,可加速突觸重塑與神經(jīng)重組,優(yōu)化患肢運動功能。CCFES提供的訓練是可控的,不僅能協(xié)助患者控制電刺激的開始,而且在一定程度上可主觀控制刺激時間和強度。CCFES可控的特性能調(diào)動患者積極性,更可幫助患者保持注意力集中,有益于康復療程的推動。

1.2 同步雙側(cè)運動,減少半球間抑制

正常人體左右側(cè)大腦半球存在相互競爭相互抑制的關系,而腦卒中發(fā)生后平衡被打破。患側(cè)大腦半球激活弱化,與此同時健側(cè)大腦半球過度興奮,隨之健側(cè)大腦半球?qū)娀瘜紓?cè)大腦半球的抑制作用[3]。研究[4]表明,健患側(cè)同步進行相似的運動即雙側(cè)運動,使得一側(cè)半球可以共享對側(cè)的運動網(wǎng)絡模板,可以協(xié)助下調(diào)半球間抑制程度。雙側(cè)動作源于胼胝體對兩側(cè)大腦半球的神經(jīng)網(wǎng)絡連接,而重復的高頻雙側(cè)運動也可促進重建兩側(cè)大腦半球的神經(jīng)連接[5]。CCFES介導雙側(cè)運動,重塑半球間網(wǎng)絡,重建半球間平衡。

1.3 運動想象,激活鏡像神經(jīng)元

CCFES訓練時,患者嘗試使患肢與健肢保持相似的動作,想像與運動聯(lián)動的運動誘發(fā)方式可以同時激活到雙側(cè)運動區(qū)、輔助運動區(qū)、額葉前區(qū)等腦區(qū),而上述腦區(qū)的活動在卒中患側(cè)大腦是減少的[6]。研究[7]表明,健側(cè)肢體誘導患側(cè)運動、患側(cè)模仿健側(cè)運動的CCFES訓練模式,不僅可以增加患側(cè)肢體肌肉收縮頻率,改善患側(cè)肢體的運動功能,還可豐富患側(cè)肌肉、關節(jié)本體感覺的輸入,促進潛在神經(jīng)突觸連接的建立,改善運動感覺神經(jīng)網(wǎng)絡聯(lián)系,加快大腦可塑性轉(zhuǎn)變的速度。

當電刺激引發(fā)的患側(cè)運動被觀察到,患者產(chǎn)生視錯覺,鏡像神經(jīng)元將被同步激活[8]。患側(cè)越來越多地被使用、運用,降低了習得性廢用的發(fā)生概率[9]。

1.4 任務導向性訓練原理

在應用CCFES提高患側(cè)手指伸展功能的大部分研究[10]中,基于由健側(cè)手控制患側(cè)手的訓練形式,患者可以有效地調(diào)控手指伸展的時間節(jié)點和手指伸展的程度,賦能于較弱功能的患側(cè)手指,使其也可較隨意地產(chǎn)生伸展動作,進而使得一些類似于結(jié)合抓松球、抓松杯子的任務導向型作業(yè)治療活動變得簡單可行。主動、高頻的以目標為導向的任務型-運動控制訓練對于恢復卒中后的運動功能和促進皮層功能區(qū)的重組是有益且重要的[11]。

2 CCFES在腦卒中康復中的應用

2.1 單一CCFES療法對腦卒中患者功能的影響

2.1.1 對上肢功能恢復的影響: 上肢、手腕、手指伸展困難是腦卒中后造成患肢精細運動障礙的重要原因之一[12]。為了明確CCFES對手腕背伸功能恢復的影響,沈瑩等[13]通過將60例病程3個月內(nèi)的患者,隨機分為CCFES組與NMES組,進行每周5次療程3周的康復治療。治療結(jié)束后實驗組、對照組患者在Fugl-Meyer、偏癱上肢功能測試-香港版(FTHUE-HK)、上肢運動力指數(shù)(MI)、主動腕背伸活動度(AROM)評估結(jié)果上較基線評估均有提升,尤以實驗組的各項評估差異性更顯著且更早呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)變趨勢。結(jié)果提示CCFES相較于常規(guī)的NMES有效地提高了恢復期卒中患者的上肢及手伸展運動功能。由于研究周期較短, CCFES組腕背伸AROM雖較實驗前有改善,但組間比較缺乏顯著性差異,意味著CCFES訓練策略應具備長治療周期特點,從而進一步延續(xù)其治療效應。

國內(nèi)外對CCFES的研究主要集中在改善偏癱上肢遠端腕手功能,而鮮有針對偏癱患者近端的研究。為探知CCESS對偏癱患者上肢近端即肩功能的療效,周亞飛等[14]基于雙側(cè)理論,應用CCFES研究其對偏癱患者肩功能恢復的影響,實驗組、對照組患者健患側(cè)的刺激、感應電極均置于三角肌前束、岡上肌、斜方肌上部,結(jié)果發(fā)現(xiàn)量表評估部分(包括肩半脫位發(fā)生率改善率、肩關節(jié)主動關節(jié)活動度、Fulg-Meyer上肢部分評分)與客觀數(shù)據(jù)部分即肌肉的表面肌電變化,實驗組評估結(jié)果均顯著優(yōu)于對照組,進一步驗證了CCFES 治療不僅可以誘發(fā)、優(yōu)化腦卒中患者遠端肢體分離動作,而且對腦卒中患者近端功能也有較好的促進作用。與此同時,以上研究采用表面肌電直觀客觀量化地描述患者功能變化,一定程度上避免了半定量量表缺乏敏感度的問題,客觀地闡釋了CCFES的療效。在后續(xù)關于CCFES的研究[15]中,實驗組在遠端肢體—伸指肌放置刺激電極的基礎上,還額外對近端肢體—伸肘肌放置了刺激電極,結(jié)果顯現(xiàn)遠端疊加近端電極刺激模式更利于上肢整體運動功能的進步。

2.1.2 對下肢功能恢復的影響: 腦卒中后異常步態(tài)、低步行效率等現(xiàn)象,步行擺動相患側(cè)踝不能協(xié)同背伸是主要原因之一[16]。先后已有多位康復界學者[17]報道驗證了CCFES 在擴大足踝背伸主動活動度、改善步態(tài)、提高體位轉(zhuǎn)移能力等方面對腦卒中偏癱患者具有積極的作用。為明確療程對效果的影響,劉文權等[18]將60例恢復期偏癱患者隨機分為實驗組即CCFES組、對照組即FES(功能性電刺激)組, 2組患者均進行為期4周的治療。結(jié)果表明治療結(jié)束時,實驗組患者較對照組在Fugl-Meyer運動下肢部分評分、功能性步行量表分級、起立-行走計時測試方面均展現(xiàn)出更為明顯的進步。但中期評估(療程到達2周)顯示,對照組與實驗組間各量表評分差異無統(tǒng)計學意義,提示CCFES的治療效果與療程呈現(xiàn)正相關性,意味著接受更長CCFES治療的腦卒中患者將獲益更多。為進一步探知CCFES對腦卒中具體步行能力的作用,國外一項研究[19]納入70例恢復期腦卒中患者,隨機分入實驗組、對照組分別接受CCFES治療、NMES治療, 2組電流強度均需使得患者踝關節(jié)背伸15°。治療周期為3周,頻率為5次/周。評定顯示雖然CCFES組步行距離遠超于NMES組,但是CCFES組步行速度并不快于NMES組。產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因可能是訓練時體位僅限于坐位,且健側(cè)、患側(cè)踝關節(jié)均同步做主動屈伸活動。坐位無法模擬真實的立位步行過程,且違背步行周期中一個時相內(nèi)雙側(cè)下肢同時收縮的肌群是互為拮抗的規(guī)則。CCFES應用于下肢康復治療過程中,健患側(cè)肌群的反向協(xié)調(diào)訓練應該是未來研究需要關注的因素。

綜上所述,CCFES下一步的研究方向可針對不同腦卒中時期來細化,如急性期、亞急性期、恢復期、后遺癥期,從而獲知CCFES對不同病程偏癱患者的療效,同時統(tǒng)一治療總時程以使腦卒中患者獲得最佳治療效果。步行實際過程是受多因素調(diào)控的,下肢功能的提高需綜合訓練體位、步行周期、步行訓練任務等方面豐富化地開展訓練。

2.2 CCFES聯(lián)合療法對腦卒中患者功能的影響

有研究[20]表明單一的CCFES 治療雖然可以一定程度上增加腦卒中患者患側(cè)肌肉自主收縮及激活程度,但對整體功能的轉(zhuǎn)化及重度運動功能喪失患者的功能改善仍有限。將CCFES治療聯(lián)合其他治療或許會產(chǎn)生更佳的整體治療效果。

CCFES聯(lián)合重復經(jīng)顱磁刺激(rTMS)應用在偏癱康復方向,是一種有效的、適宜的、新興的治療腦卒中嚴重運動功能障礙的方法。AKHIL MOHAN等[21]的研究選取病程大于6個月的慢性嚴重運動功能喪失的72例腦卒中患者,隨機分配到CCFES聯(lián)合rTMS靶點cHMC組(對側(cè)高級皮質(zhì))、CCFES聯(lián)合rTMS靶點iM1組(同側(cè)初級運動皮質(zhì))、CCFES聯(lián)合假rTMS刺激組,經(jīng)過12周的治療顯示CCFES 聯(lián)合rTMS靶點cHMC組在Fulg-Meyer、wolf、腕關節(jié)伸展活動度上的進步更為顯著。這些功能改善與未交叉神經(jīng)通路的興奮性增加、半球間平衡的重新恢復有關。在偏癱患者中,同側(cè)初級運動皮質(zhì)(iM1)是rTMS最常選取的靶點,通過高頻rTMS直接增加患側(cè)iM1的興奮性,或者通過低頻rTMS抑制健側(cè)iM1, 從而降低半球間不平衡程度。腦卒中患側(cè)大腦皮質(zhì)脊髓通路的嚴重損傷限制了其iM1功能,而cHMC(對側(cè)高級皮質(zhì))卻可以通過廣泛的雙側(cè)半球連接,甚至在缺乏足夠的神經(jīng)連接情況下通過交替的、不交叉的通路作用于患側(cè),對患側(cè)上肢運動產(chǎn)生積極影響。對于慢性嚴重運動功能喪失的腦卒中患者而言, cHMC靶點是一個更可取的rTMS刺激位點。

為進一步明確rTMS與CCFES序貫形式,張蓉等[22]將80例腦梗死患者隨機分為4組分別為僅常規(guī)治療的對照組, rTMS與CCFES同步治療組, rTMS后遲1 h后進行CCFES的延后1 h組, rTMS后遲3 h后進行CCFES的延后3 h組。于治療前、治療后10 d分別評定4組患者運動誘發(fā)電位波幅、中樞運動傳導時間、Fugl-Meyer運動功能評分上肢部分及改良Barthel指數(shù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)rTMS后1 h輔助以CCFES治療效果最優(yōu),延后3 h次之,而同步治療組與對照組治療后結(jié)果無統(tǒng)計學差異。rTMS與CCFES同步進行未能顯著改善腦梗死患者的功能,考慮有2種原因,一是rTMS與CCFES聯(lián)用,誘發(fā)交互作用,對大腦起到抑制作用[23]; 二是激活大腦內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)機制,為防止皮質(zhì)網(wǎng)絡短時間內(nèi)過度興奮,大腦興奮效率出現(xiàn)下調(diào)[24]。延時1 h組治療周期結(jié)束后得到最顯著的運動功能與生活獨立性改善,可歸因為: 在rTMS上調(diào)運動神經(jīng)元效用時間窗內(nèi)輔助以CCFES類增強外周神經(jīng)興奮性的訓練,可產(chǎn)生中樞-外周相互促進的閉環(huán)治療效應。

為分析中風康復期間運動練習量,以及可能影響練習的劑量因素對治療結(jié)果的作用,國外學者[25]對嚴重運動功能損傷的腦卒中患者應用CCFES開展了312次訓練研究,研究結(jié)果表明增加CCFES過程中技能參與的運動控制訓練時長,可以進一步改善治療結(jié)果。后有研究者提出CCFES與VR的聯(lián)合可將兩者優(yōu)勢疊加升華,利用意圖驅(qū)動運動、雙側(cè)神經(jīng)活動與重復運動誘發(fā)動作出現(xiàn)、最大限度保持患者的注意力、以任務目標激勵驅(qū)動運動技能等原理擴大聯(lián)合療法的治療效果[26]。

總之, CCFES聯(lián)合治療對患者整體功能的改善與轉(zhuǎn)化一定程度上優(yōu)于單一方案。

3 集成穿戴設備

精確的信號收集、傳導是CCFES治療中的必要條件,然而CCFES皮膚電極在接受肌電信號時易被油脂、汗液等因素干擾,所以增強信號采集敏感性、確保信號準確傳輸尤為重要。

KNUTSON J S等[27]對67例偏癱患者應用CCFES促進肘關節(jié)、手指關節(jié)伸展功能的隨機對照研究中,通過在偏癱患者健肢肘后側(cè)和手指背側(cè)適配關節(jié)彎曲感受器,發(fā)現(xiàn)關節(jié)彎曲傳感器更好地收集了雙側(cè)運動過程中健側(cè)上肢及手指關節(jié)的位置信息,確保健側(cè)肘關節(jié)與手指關節(jié)產(chǎn)生最大程度的伸展活動,從而使得患側(cè)被給予最大強度的電刺激,達到提高患側(cè)、健側(cè)運動同步化的目標。

彎曲傳感器組成的CCFES訓練系統(tǒng)常需要復雜的校準,并且容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)偏移。一種基于激光雷達的手部CCFES訓練系統(tǒng)[28], 可以有效區(qū)分4種常用的偏癱訓練手勢,包括手指伸展、握拳、手腕背伸和手腕掌曲。較短的姿勢識別時間可以協(xié)助患者更有效地同步健患雙側(cè)手勢。外周刺激伴隨受試者的運動意圖同頻出現(xiàn),可以上調(diào)皮質(zhì)脊髓對受刺激肌肉的興奮性,從而使患者更容易地恢復患側(cè)運動功能。

但目前設備還無法適用于腕手屈肌肌張力等級超過改良Ashworth1+級的患者。未來的設備改良可在緩解高肌肉張力方面著手,例如在患側(cè)增加氣動手套,實現(xiàn)誘發(fā)高屈肌張力患者出現(xiàn)手指伸展動作的目標。

4 局限與展望

就原理、應用情況而言, CCFES是一項適宜的卒中后誘發(fā)功能、強化功能的訓練方法。就介入時期及治療周期而言,在腦卒中發(fā)病早期,足療程地介入雙側(cè)運動,給予患側(cè)大腦更多的運動與感覺輸入,從而降低健側(cè)大腦半球?qū)紓?cè)大腦半球的抑制程度,促進半球間平衡,增強患側(cè)運動皮層區(qū)域的激活[29]。

但就評價體系而言,大多數(shù)研究所采用的評估量表如Fulg-Meyer、關節(jié)活動度AROM、肌力、肌張力等,較主觀且難以精確定量,缺乏客觀的指標以減少干擾。近年來常被用于康復客觀評價的手段有: 外周多采用表面肌電[30](sEMG), 通過將皮膚感應電極放在靶肌肉表面,動態(tài)記錄單個或一組肌群收縮時的肌電信號,客觀即時地將肌肉電信號數(shù)字化、量化[31]; 中樞的可塑性變化可嘗試使用經(jīng)顱磁檢測治療前后患者的運動誘發(fā)電位波幅、中樞運動傳導時間變化或者功能型磁共振檢測大腦的腦區(qū)激活遷移及腦區(qū)活躍程度[32]。可將上述客觀化評定應用于CCFES治療方案中,以精確量化地闡明患者的神經(jīng)恢復機制。

CCFES集成設備是未來深化研究的方向,如與VR聯(lián)合,在訓練中融合情景游戲或日常生活任務,將運動控制、認知、情緒加入達到豐富康復的目的,如添加激光雷達系統(tǒng),優(yōu)良的肌電信號采集系統(tǒng)可更好地辨識健側(cè)姿勢,便于優(yōu)化雙側(cè)運動同步性。

綜上所述, CCFES還需要更早地介入治療,更客觀地評估體系應用,更優(yōu)良的設備集成以準確執(zhí)行治療過程,更完善的治療方案以適用不同障礙程度的患者,更長期的治療后隨訪以了解其療效。