278脑机交互结合功能性电刺激康复训练新技术对慢性期脑卒中大脑

分类号：R493 密级：公开

脑机交互结合功能性电刺激康复训练新技术对慢性期脑卒中大脑可塑性的影响Effect of novel brain-computer interfaces combined with functional electrical stimulation(BCI-FES) system on the brain

plasticity in subjects with chronic stroke

作者姓名：刘小燮

学科专业：康复医学与理疗学

导师：毕胜主任医师

答辩委员会主席：教授

论文答辩日期：二〇一四年五月二十九日

院校地址：北京市复兴路28号

邮政编码：100853

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目录

中文摘要 (1)

Abstract (3)

缩略词对照表 (5)

前言 (7)

1. 脑卒中及大脑可塑性 (7)

2. 运动想象疗法的提出 (7)

3. 脑机接口、功能性电刺激及二者的结合应用 (8)

4. 功能神经影像学在大脑可塑性研究中的作用 (9)

5. 研究现状 (10)

正文 (12)

1. 研究对象与实验方法 (12)

1.1 研究对象 (12)

1.2 训练方法 (15)

1.3 评价方法 (18)

1.4 分析方法 (19)

2．实验结果 (25)

2.1 上肢运动功能评价 (25)

2.2 fMRI结果 (28)

2.3 DTI结果 (43)

2.4 fMRI、DTI、EEG结果间的相关性 (51)

3．讨论 (56)

3.1 BCI-FES训练系统对脑卒中后上肢运动功能的影响 (56)

3.2 BCI-FES训练系统对脑卒中后皮层水平重塑的影响 (57)

3.3 BCI-FES训练系统对脑卒中后皮层下水平重塑的影响 (63)

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3.4 皮层水平重塑和皮层下水平重塑的联系 (64)

小结 (66)

参考文献 (67)

文献综述：脑机接口技术的康复应用及研究发展 (78)

附录1：运动想象问卷 (98)

附录2：手的视觉空间想象能力测试程序说明 (102)

附录3：知情同意书 (103)

附录4：上肢Fugl-Meyer运动功能评分量表 (105)

附录5：Jebson-Tayler手功能七项测试 (109)

攻读学位期间发表文章情况 (110)

致谢 (111)

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作者：刘小燮

学科专业：康复医学与理疗学

导师：毕胜

题目：脑机交互结合功能性电刺激康复训练新技术

对慢性期脑卒中大脑可塑性的影响

中文摘要

目的：1.验证脑机接口结合功能性电刺激（BCI-FES）在慢性期脑卒中康复中的可行性；2.研究脑机交互的中枢神经康复机制。

方法：将4名符合纳入标准的受试者分入BCI-FES训练组或单纯FES训练组，其中1名受试者在接受完第I阶段的BCI-FES训练后经过20周的洗脱期再次接受了第II阶段的单纯FES训练。每一阶段训练持续4周，40分钟/次，共20次。每阶段训练前、训练后各进行一次上肢运动功能评价，功能性磁共振成像（fMRI）检测及弥散张量成像（DTI）检测，训练结束后4周再进行一次随访上肢运动功能评价。上肢运动功能评价包括患侧手最快抓握速度、Fugl-Meyer上肢运动功能评价、上肢主要肌群徒手肌力检查（MMT）、九孔柱测试、Box & Block测试、Jebson-Taylor测试。fMRI检测包含“运动”、“想象”及“休息”刺激组块，对采集到的图像进行分析，绘制脑激活图，计算激活体积及偏侧系数（LI）。对DTI扫描数据进行感兴趣区（ROI）的纤维走行描绘、各向异性分数（FA）值、FA指数及表观弥散系数（ADC）值计算。

结果：1.MMT两组受试者训练后均无显著改善，患手最快抓握速度FES组平均值在训练后略下降，BCI-FES组平均值训练后升高，其余上肢功能检测两组受试者在训练后平均值均较训练前提高，且BCI-FES组各项平均提高值均高于FES 组；2. BCI-FES组全部上肢运动功能评价项目的平均值在随访点也均表现出较训练前提高，除九孔柱测试外，其他评价项目的平均值均低于训练后测试值；3.全部受试者在患手真实运动及运动想象时大脑激活模式与正常人不同，表现为同侧初级运动区（M1）激活的增多，对侧M1激活的减少，以及更多次级运动区的参与；

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4.BCI-FES训练后受试者执行患手真实运动和运动想象时较训练前出现更多脑区

的参与。单纯FES训练后则无明显的激活脑区增加；5.比较真实运动，运动想象有更多次级运动区的参与，而对于初级运动区的激发不如真实运动明显；

6.BCI-FES训练及单纯FES训练均可在一定程度上增加脑激活体积，而BCI-FES

训练的增加程度要明显高于单纯FES训练；7.经过BCI-FES训练，慢性期脑卒中患者在执行瘫痪手任务（真实运动或运动想象）时，平均LI值提高，大脑激活平衡向损伤侧半球转移。而单纯FES训练后大脑激活平衡向损伤对侧半球轻度转移，平均LI值下降；8.全部受试者病灶周围区域白质纤维数量低于对侧半球相应区域，损伤侧半球内囊后肢区域白质纤维数量也低于对侧半球内囊后肢；9.BCI-FES训练后病灶周围区域及损伤半球内囊后肢区域白质纤维数量及完整性均较训练前提高，单纯FES训练则无此效应；10.全部BCI-FES组受试者病灶周围区域FA值及FA 指数、病灶侧内囊后肢区域FA值及FA指数均在训练后有所提高，FES组受试者病灶周围区域FA值、FA指数训练后平均升高，但升高幅度低于BCI-FES组，病损侧内囊后肢FA值、FA指数则均下降；11.BCI-FES组病灶周围区域及损伤半球内囊后肢区域ADC值在训练后平均下降，单纯FES组则平均升高。12.训练前后，患手真实运动时的fMRI-LI的改变与病灶周围区域的FA值的改变（P=0.017，r=0.9412）及病灶侧半球内囊后肢区域FA值的改变（P=0.034，r=0.9065）呈显著线性正相关。

结论：1.BCI-FES应用于存在脑损伤的脑卒中患者的康复训练是可行的；

2.BCI-FES康复训练新技术可促进慢性期脑卒中患者上肢运动功能的改善，其改善

要优于单纯FES治疗，且这种改善至少可以在训练结束后1个月仍有体现；

3.BCI-FES技术可促进慢性期脑卒中患者中枢神经系统重塑，这种重塑在皮层水平

和皮层下水平均有体现，且其可塑性的改善要明显优于单纯FES治疗。

关键词：脑卒中，脑机接口，功能性核磁共振，扩散张量成像，大脑可塑性

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Title: Effect of novel brain-computer interfaces combined with

functional electrical stimulation(BCI-FES) system on the brain

plasticity in subjects with chronic stroke

Abstract

Objective: To study the feasibility of a new rehabilitation training system--brain computer interfaces combined functional electrical stimulation (BCI-FES) in subjects with chronic stroke and its neural mechanisms of the training effects.

Methods: Four subjects with chronic stroke,were assigned to BCI-FES group or FES group for four weeks (20 days), 5 days per week, and 40 minutes per day. All measurements were done pre and post training while only upper limb functional assessments were done in 4 weeks follow-up stage while subjects received no training.

One subject in the BCI-FES group received FES training for another 4 weeks after follow-up training and 20-week elution period. Measurements included upper limb function tests and functional magnetic resonance imaging (fMRI) sessions and diffusion tensor imaging (DTI) scans. Upper limb function tests included the maximum grasp-relax speed of paralyzed hand, the upper limb Fugl-Meyer scores, the manual muscle test (MMT), the abalone column test, the Box&Block test and the Jebson-Tayler test. The fMRI sessions were composed by “motor”, “imagery” and “rest” blocks. The fMRI data were analyzed by AFNI software and depicted the images of activated clusters. The fractional anisotropy (FA) values, the FA index, and the apparent diffusion coefficient (ADC) values of regions of interest (ROIs) were calculated from the DTI data.

Results: 1. Both groups showed no improvement after training in MMT scores. The maximum grasp-relax speeds of paralyzed hand in BCI-FES group increased after training, but decreased in FES group. Other hand motor functional tests improved in all patients after training; however, the improvement in BCI-FES group was more significant than in FES group. 2. Upper limb motor function improved at follow-up in comparison with pre-training, while decreased when compared with post-training. 3. In

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present study all subjects exhibited abnormal fMRI activation patterns when task performed using their paretic hand. In comparison to the normal adults, they showed more activity in ipsilateral primary motor cortex (M1) area and in secondary motor areas, while less activity in contralateral M1 area. 4. After training, BCI-FES group showed more brain areas activated than pre-training, while not shown in FES group when subjects were asked to perform the “motor” or “imagery” task. 5. When compared between tasks,”imagery” task activated more secondary motor areas and less M1 area when compared with “motor” task. 6. The volume of activated brain for “motor” and “ imagery” task of the affected hand was increased in both groups after training, and the increase was more significant in BCI-FES group. 7. The average laterality index (LI) value of performing “motor” and “ imagery” task with the affected hand increased in BCI-FES group after training compared to pre-training, while it decreased in FES group.

8. Less white matter fiber tracts were observed in the peri-lesional area and the

ipsilesional posterior limb of internal capsule compared to the contralesional hemisphere in all subjects. 9. After training, more white matter fiber tracts were observed in the peri-lesional area and in the ipsilesional posterior limb of internal capsule in BCI-FES group but not in FES group. 10. The average FA values and FA index in peri-lesional area increased in both groups after training, and the increase was more significant in BCI-FES group. The average FA values and FA index in the ipsilesional posterior limb of internal capsule increased after training in BCI-FES group, but decreased in FES group. 11. The average ADC values in the ipsilesional ROIs decreased after training in BCI-FES group but increased in FES group. 12. The increase of LI values of performing“motor” task with the affected hand showed a significant positive correlation with the increase of FA values in the peri-lesional areas (P=0.017，r=0.9412) and in the ipsilesional posterior limb of internal capsule (P=0.034，r=0.9065).

Conclutions: 1. BCI-FES is a feasible rehabilitation therapy for stroke survivors. 2.

BCI-FES training can promote the motor function recovery of upper extremities for patients with chronic stroke. 3. The mechanism of the recovery by using BCI-FES is proposed to modulate neuro-plasticity both in cortical level and subcortical level.

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Key words: stroke，brain-computer interface，fMRI，DTI，plasticity

缩略词对照表

英文缩写英文全称中文名称

ADC apparent diffusion coefficient 表观弥散系数

ADHD attention deficit hyperactivity disorder 注意缺陷多动症

AFNI analysis of functioal neuro images 功能神经成像分析

BCI brain computer interface 脑机接口

BOLD blood oxygenation level dependent 血氧水平依赖

CIMT constraint-induced movement 强制性使用运动疗法

CMA cingulate motor area 扣带回运动区

CST cortico-spinal tract 皮质脊髓束

CT computed tomography 计算机断层扫描

DTI diffusion tensor imaging 扩散张量成像

EcoG electrocorticographic 皮层脑电图

EEG electroencephalography 脑电描记术

ERD event-related desynchronization 事件相关电位去同步

ERS event-related synchronization 事件相关同步化

FES functional electrical stimulation 功能性电刺激

FOV field of view 视察野

FSE fast spin-echo 快速自旋回波序列

FSPGR fast spoiled gradient recalled echo 快速扰相梯度回波序列EPI echo planer imaging 平面回波序列

FA fractional anisotropy 各向异性分数

fMRI functional magnetic resonance imaging 功能性磁共振成像

fNIRS functional near infrared system 功能性近红外光谱

LFPs local field potentials 局部场电位

LC laterality coefficient 偏侧系数

LI laterality index 偏侧系数

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LIS lock-in syndrome 闭锁综合症 英文缩写 英文全称

中文名称 M1 MEG primary motor cortex magnetoencephalography

初级运动区 脑磁图

MIQ-R movement imagery questionnaire-revised 运动想象问卷-修订版 MMT manual muscle test 徒手肌力测定 MRI magnetic resonance imaging 磁共振成像 PMC pre-motor cortex 运动前区 PPC posterior parietal cortex 后顶叶皮层 ROI region of interest

感兴趣区

rt-fMRI

real time-functional magnetic resonance imaging

实时功能磁共振成像

S1 primary sensory cortex 初级感觉区 SCPs slow cortical potentials 慢波皮层电位 SMA supplementary moter area 辅助运动区 SMC sensory motor cortex 感觉运动区 SMR sensorimotor rhythms 感觉运动波 SSNIs somatosensory nerves interface 体感神经接口 T1WI T1 weighted imaging T1加权像 T2WI T2 weighted imaging T2加权像 TE echo time

回波时间 TMS transcranial magnetic stimulation 经颅磁刺激 TR

repetition time

重复时间

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前言

1.脑卒中及大脑可塑性

在现有疾病谱中，脑卒中（stroke）是一类常见的致残及致死因素，世界范围内约有600万患者因脑卒中致永久性瘫痪[1]，使之成为一项备受关注的全球性健康问题。脑卒中后约85%的患者出现上肢运动功能损害[2]，人类的上肢尤其是手部在日常生活活动中承担着精细、复杂、灵活的操作任务，对生活自理能力和生活质量的影响远较下肢更为明显，然而在脑损伤后上肢功能的恢复也远较下肢更为困难和缓慢。脑卒中急性期因病灶周围水肿消退、血管自发再通、血流侧枝循环形成、功能联系不良消失、神经营养因子作用等因素[3]，患者受损运动功能可有部分自发性恢复，而慢性期脑卒中患者受损运动功能的自发性恢复已经减少，甚至可忽略不计[4]。目前普遍认为脑卒中发病后的前3个月是康复的黄金期，受损上肢运动功能恢复最快，6个月后则进入平台期，恢复趋于缓慢[5]。然而，约1/3的脑卒中患者在发病6个月后仍无上肢功能恢复，此时只能通过更高强度、更为有效的康复治疗技术及训练手段来促进运动功能的恢复，有报道称在适当的康复训练下一定程度的功能恢复可持续至脑卒中发病后2年[1]。

脑卒中的预后受多种因素的影响，一项康复治疗或训练手段可否成为最佳的康复干预模式需在遵守运动学习原则的同时可促进中枢神经系统重塑[6]。运动学习原则通常包括：1、训练达到的运动接近正常的协调的运动模式[7]，2、在训练过程中患者需高度集中注意力[8]，3、刺激的大量重复[9]。大脑可塑性（brain plasticity）是脑损伤后功能恢复最重要的理论基础[10]，所谓可塑性，就是指神经系统为反映或主动适应外界环境的变化而发生的结构或功能的改变，且这种改变可维持一定时间。神经细胞之间、功能脑区之间的广泛纤维联系；胼胝体介导的半球间通信；

皮质与皮质下、小脑、脑干间的环路等共同构成了大脑可塑性的物质学及形态学基础[11]。损伤后的大脑通过神经细胞轴突与树突的芽生（sprouting），突触功能的调整，神经功能联系不能（diaschsis）的消除，神经递质分泌及受体数量的调整，病灶以外神经组织的功能替代，潜伏通路和突触的启用，失神经过敏（denervation supersensitivity）的出现等机制完成中枢神经系统结构和功能的重塑[3, 12]。

2.运动想象疗法的提出

近年来，针对脑卒中康复的研究快速发展，新型康复训练技术不断涌出，提

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出了强制性使用运动疗法（constraint-induced movement, CIMT）、机器人辅助治疗、双侧上肢结合训练、经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）等大量新的康复治疗手段[13-16]。但大部分已知的康复介入手段所针对的必须是具有一定运动功能的肢体，而针对更为严重的上肢运动功能障碍，甚至是完全性的上肢瘫痪，设计出一套可行的康复训练系统，促进其运动功能恢复，提高这一人群的生活质量将是目前亟待解决的健康和社会问题。

运动想象疗法（motor imagery therapy）[17]是指在不产生任何实际运动的情况下，进行反复的运动想象，根据运动记忆激活大脑特定区域，从而提高瘫痪肢体运动功能。根据功能影像学的研究成果，运动想象疗法从二十世纪90年代起开始应用于脑卒中患者的康复训练，因其训练过程不需要运动输出，故适用于那些严重瘫痪的患者。一项基于正常人的功能性磁共振研究发现[18]，手指的真实运动和运动想象均可激活双侧顶叶、运动前区（pre-motor cortex, PMC）、基底节区及小脑，比较真实运动，执行手指运动想象时会有更多的双侧PMC、额叶前区、辅助运动区（supplementary moter area, SMA）、同侧顶叶后区及尾状核的激活。Kimberley 等的研究则表明[19]，脑卒中患者的执行手部运动想象时，主要激活同侧初级运动区（primary motor cortex, M1）、同侧SMA及对侧初级感觉区（primary sensory cortex, S1），而健康受试者的手部运动想象均接受对侧脑控制。

3.脑机接口、功能性电刺激及二者的结合应用

在实际应用中运动想象疗法难以被广泛推广的重要原因是想象的过程难以被医师或治疗师监督，缺乏直观的方法用于判断患者是否成功地执行运动想象。脑机接口（brain-computer interface, BCI）技术的出现弥补了这一技术空缺，BCI是一种不依赖大脑-外周神经与肌肉这一正常输出通道的控制系统，通过采集和分析人脑生物电信号，在人脑与计算机或其他电子设备间建立起直接交流和控制的通道，这样人就可以通过大脑来表达意愿或操纵设备，而不需要语言或肢体的动作[20, 21]。自BCI出现以来，这一技术被广泛地应用于脊髓损伤、脊髓侧索硬化等多种疾病的康复训练及功能代偿，不同于脊髓层面的损伤，更高级的中枢神经系统——脑的损伤往往存在不同程度皮质或皮质下传导束的破坏，这使得BCI技术成功应用于脑卒中的康复过程面临重大挑战。基于运动想象的脑机交互平台成功地为运动想象过程进行实时在线监控、测量及反馈，为脑卒中患者提供促进神经重塑及

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改善运动行为的新策略。

通常情况下我们认为，对于脑卒中后遗留肢体功能障碍的患者，康复治疗及训练的手段通常分为两类，第一类是直接向大脑输入产自外部的电场或磁场刺激（如经颅直流电刺激、TMS等），第二类是针对外周肢体的训练[16, 22, 23]。BCI这一新型康复训练系统可在不存在外来刺激的条件下对中枢产生刺激作用，启动大脑自身细胞的可塑潜力，比较上述第一类技术，避免了外来刺激直接作用于大脑产生的副作用；比较传统的第二类技术，BCI对中枢神经系统神经生理功能的刺激又更为直接[23]。

功能性电刺激（functional electrical stimulation, FES）属于神经肌肉电刺激的一种，利用预先设定程序的低频脉冲电流刺激肌肉或支配肌肉的神经，引起肌肉收缩，产生功能性活动，从而恢复被刺激肌群的功能，改善肢体活动能力[24]。邓小湘等[25]的一项针对脑卒中患者的静息态fMRI研究表明，在进行了FES治疗后，患者的两侧运动皮层功能连接系数降低，且降低值与上肢运动功能的改善相关。

这一改变可能是由于FES在刺激运动神经和肌肉的同时，也对传入感觉神经进行了刺激，经脊髓向大脑投射，促进了皮质的功能重塑[26]。

正常连接、正常参数调节的情况下，FES所刺激产生的运动高度接近一个正常的协调的运动模式[27, 28]，训练过程中高度集中注意力则是BCI技术的一大特征，而FES及BCI也均已被证实可促进中枢神经系统重塑。由此可见，将BCI和FES 技术进行整合形成全新的康复训练系统，既全面符合运动学习原则，又可促进大脑重塑，既可应用于具有较好运动功能的患者，又可实现对严重瘫痪患者的康复训练，具有成为超越传统康复技术成为新型最佳康复干预方式的巨大潜力。

4.功能神经影像学在大脑可塑性研究中的作用

各种功能神经影像（functional neuroimaging）技术的出现和发展为我们从整体水平和活体状态研究人类大脑及其可塑性提供了可能和有效的手段。功能神经成像不仅从理论方面验证了大脑自主功能和损伤后重塑的机制，更可在实践方面协助相应介入手段的选择，以促进脑损伤后最大限度的功能恢复。目前常用的脑功能成像技术包括血氧水平依赖性功能性磁共振成像（blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI），扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI），脑磁图（magnetoencephalography, MEG），功能性

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近红外光谱（functional near infrared system, fNIRS），正电子发射计算机断层显像（positron emission computed tomography, PET），磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy, MRS）等。除此之外，一些非影像学技术，如高分辨率全脑脑电描记术（electroencephalography, EEG）及TMS等也可用于大脑可塑性的研究。

BOLD-fMRI是一种常用的脑功能成像技术，当神经元兴奋时，局部脑区的血流量增加，同时耗氧量也增加，耗氧量的增加低于血流量的增加，总体效应是局部顺磁性的脱氧血红蛋白浓度降低，横向磁化弛豫时间（T2）缩短效应削弱，被高场磁共振平面回波序列（echo planer imaging, EPI）捕捉，并以此显示脑部激活区[10, 29, 30]。BOLD-fMRI具有较高的空间、时间分辨率，实现了脑解剖检测与脑功能分析的很好结合[31]。

DTI是利用组织中水分子扩散运动存在的各向异性来探测组织微观结构的无创性功能成像方法[29]。脑卒中发生后，与病灶相关的皮质脊髓束（cortico-spinal tract, CST）及其他相关白质纤维常受累，DTI可用于直观地显示白质纤维束，观察其受累情况，并测定其走行及结构完整性[32]。比较其他成像技术，DTI对脑卒中损伤的探测有着独特的优势：可精确定位白质纤维损伤并观察脑白质病灶的恢复，可观察皮质下水平的围病灶重组（神经束支通路改变），可观察神经束支损伤时其他束支或结构的代偿作用，甚至可用于观测大脑神经核团的结构和损伤[33]。

BOLD-fMRI可用于局部皮质精确的功能定位，但皮质下白质纤维结构的改变则无法探测；DTI则主要用于显示白质纤维的走行和完整，对皮层结构却无法显示。

可见二者在对人类大脑结构和功能的探测上具有很好的互补性，结合应用于脑卒中患者的相关研究具有很好的实践意义和很广阔的应用前景。

5.研究现状

应用于脑卒中患者的康复，是近年来BCI研究的新兴方向，世界范围内仅为数不多的课题组进行这一领域的研究。在四千余篇关于脑机接口的SCI收录文献中，仅一百多篇涉及BCI在脑卒中患者中的应用，7项研究涉及BCI-FES在脑卒中患者中的应用。其中仅3项研究[34-36]在训练前后进行了运动功能评价，仅1项[37]对患者进行了大脑可塑性分析，分析所利用的是训练过程中所记录的脑电信号，而非任何一项脑功能成像技术。共3篇文献利用fMRI对脑卒中患者在BCI训练前后或过程中应用进行了大脑可塑性分析。Sitaram等的研究[38]利用fMRI-BCI对脑

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卒中患者和正常人进行训练，并利用训练过程中采集的BOLD信号及TMS进行大脑重塑分析。Ramos-Murguialday等[39]对32名慢性脑卒中患者进行了EEG-BCI诱发上肢支具训练及单纯上肢支具训练的对照研究，训练前后对受试者进行了上肢

运动功能、上肢肌电图及fMRI测试。Caria等[4]的研究是唯一一项既应用fMRI又应用DTI进行可塑性分析的研究，但仅为个案报道，未进行对照研究，且其训练设备为MEG-BCI诱发上肢支具及EEG-BCI诱发机器臂，并非EEG-BCI诱发FES。

也就是说，BCI-FES康复训练系统应用于脑卒中患者，并利用fMRI或DTI对其进行可塑性分析，目前尚无一项类似研究被SCI收录期刊发表。

本研究通过结合基于运动想象的EEG-BCI及FES两项技术，形成一新的脑卒中康复训练平台。通过对照比较BCI-FES训练及单纯FES训练对慢性期脑卒中患者上肢运动功能不同的影响，并利用BOLD-fMRI及DTI检测大脑可塑性的改变，以此来探讨BCI-FES训练系统对脑卒中后上肢运动功能康复的意义及可塑性机制。

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正文

1. 研究对象与实验方法

1.1 研究对象

本研究选取解放军总医院康复医学中心2010年12月至2012年12月接受门诊治疗的脑卒中患者，所有患者均符合全国第四届脑血管病会议制定的脑卒中诊断标准[40]。

1.1.1纳入标准

1）首次发病，有明确的计算机断层扫描（computed tomography，CT）或磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）诊断为单一病灶脑卒中；

2）慢性期患者，病程>6个月；

3）年龄40-80周岁；

4）单侧手运动功能障碍，患手可实现集团屈曲及集团伸展；

5）简易认知功能评分>20分；

6）有较好的运动想象及空间想象能力，运动想象问卷-修订版（movement imagery questionnaire-revised, MIQ-R）（附录1）[41]，S1及S2均达到5或5以上；一项关于手的视觉空间想象能力测试（附录2）正确率>85%。

7）患者本人及至少一名家属对研究知情，签署知情同意书（附录3）。

1.1.2 排除标准

1）生命体征不平稳，既往有其他严重脏器损伤或基础疾病者，听力障碍或视力障碍者；

2）既往有其他影响上肢运动功能疾病者或因骨骼肌肉疾病或外周神经疾病致偏瘫侧上肢严重疼痛者；

3）体内有金属植入物者；

4）严重认知功能障碍、失语症、偏侧忽略症或视野受损者；

5）三个月内上肢接受过常规运动功能训练以外的特殊治疗者；

6）正在接受其他临床研究者。

1.1.3 受试者基本信息

依据纳入标准及排除标准共4名受试者入组并完成研究，基本信息见表1。

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表1 完成研究受试者的基本信息

编号

性别

年

龄

（岁） 病

程

（月）

利手

卒中类型

病灶部位

偏瘫侧

SJ01

男

40

22

左

梗死

右侧大脑中动脉M1 段支配区，右侧脑室旁 （图1）

左

SJ02

男

58

80

右

梗死并 出血

左侧大脑中动脉并小穿支动脉支配区，左侧脑室体旁、基底节区及左侧颞叶、额叶（图2）

右 SJ03 男 80 7 右 梗死 右侧脑桥（图3） 左 SJ04

男

36

7

右

梗死

左侧大脑中动脉M1段支配区，左侧脑室旁及基底节区（图4）

右

图1 受试者SJ01头颅MRI 平扫。黄色箭头指向梗死病灶。

a.T2WI

b.T1WI

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图2 受试者SJ02头颅MRI 平扫。黄色箭头指向梗死病灶。a.T2WI b.T1WI 图3 受试者SJ03头颅MRI 平扫。黄色箭头指向梗死病灶。a.T2WI b.T1WI 图4 受试者SJ04头颅MRI 平扫。黄色箭头指向梗死病灶。

a.T2WI

b.T1WI 万方数据

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1.2训练方法

研究设计为对照研究，受试者SJ01、SJ03、SJ04分入实验组，受试者SJ02分入对照组，实验组接受BCI-FES系统训练，对照组接受单纯FES训练。训练持续4周，5天/周，1次/天，40分钟/次，共20次。其中受试者SJ01在接受4周BCI-FES 训练后经过20周的空白洗脱期再次接受了4周单纯FES训练以进行自身对照。

1.2.1 BCI-FES训练系统及训练方法

BCI-FES训练采用基于表面脑电的脑机交互系统，脑电信号采集使用Neuroscan公司生产的脑电采集装置，脑电帽为8导电极帽，记录电极包括Cz、Fz、C3、C4、C5、C6、CP3、CP4、FC3、FC4，其中Fz为参考电极，Cz为接地电极，C3、C4电极分别记录与运动想象高度相关的C3及C4区域。训练在隔音良好的独立训练室内进行。

训练分为两个阶段，第一阶段为脑-机交互学习阶段，时长20分钟，这一阶段系统随机选择患侧或健侧手执行运动想象任务，同时对受试者脑电信号特征进行学习、适应及在线调整，提高信号分类正确率。训练时受试者注视训练系统屏幕显示器，根据随机出现的屏幕提示信息分别执行左手或右手的运动想象任务，想象内容为手的连续抓握-放松，运动想象速度根据节拍器提示进行，频率设为1Hz。

EEG对采集到的脑电信号进行预处理、空间滤波、特征提取及模式分类，根据双侧大脑手运动代表区电极（C3、C4）采集的皮层μ波能量强度对运动想象状态进行分析。当一侧肢体成功进行运动想象时，对侧大脑感觉运动区出现事件相关去同步（event-related desynchronization, ERD）改变，μ波能量下降，同侧大脑感觉运动区出现事件相关同步化（event-related synchronization, ERS）改变，μ波能量升高。运动想象任务执行同时屏幕底部出现一球型图标并匀速向屏幕上方移动，如系统判断提示侧正在执行运动想象任务，则球型图标向屏幕提示侧移动，系统通过这一可视化过程将受试者运动想象信息即时反馈给受试者，受试者根据反馈可进行在线调整。球型图标每次从屏幕底部移动至顶部耗时6s，如最终运动想象任务成功，屏幕将显示“成功”，当患侧想象任务成功时，BCI将启动与之相连接的FES设备，对患侧上肢执行一次电刺激任务，产生实际运动；当健侧想象任务成功时，不执行电刺激任务。如想象任务失败，则显示“失败、加油”，不执行电刺激。

每次运动想象任务之前有3s的集中注意力准备时间，之后5s休息时间。（图5、

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图6、图7）

第二阶段为强化训练阶段，时长20分钟，紧接第一阶段进行。这一阶段重复进行患侧手运动想象任务，任务内容及过程同第一阶段。当想象任务成功时，执行电刺激任务。

功能性电刺激仪采用广州凡科医疗设备有限公司生产的EMS低频电治疗仪，电极片置于患侧屈腕及伸腕肌群，电流强度以可引起患肢运动且不引起受试者不适进行调整，频率设为40Hz，波宽120ms，动作时间4s，刺激上升时间1s，每一次电刺激任务包含一次伸肌刺激及紧接的一次屈肌刺激。

1.2.2 单纯FES训练系统及训练方法

单纯FES训练采用与BCI-FES训练系统相同生产商相同型号的FES设备。电极片置于受试者患侧屈腕及伸腕肌群，休息时间设为15s，其他参数设置同BCI-FES 系统。每一次电刺激任务包含一次伸肌刺激及一次屈肌刺激。训练过程患者保持清醒状态休息。

图5 一名受试者正在进行BCI-FES系统训练

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图6 BCI-FES康复训练流程设计

图7 BCI-FES康复系统训练示意图

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