对侧控制型功能性电刺激在脑卒中偏瘫康复中应用与研究

陈沫，董璐洁，刘雅丽

脑卒中是目前危害人类健康的重要疾病之一，已成为仅次于心血管疾病排名第二死亡原因的疾病，具有高发病率、高致残率、高死亡率、高复发率、高经济负担等特点[1]。偏瘫是脑卒中后常见的并发症。上肢功能障碍主要表现为屈肌痉挛、手指伸展无力，手掌不易打开和操纵物体困难。下肢功能障碍主要表现为伸肌痉挛、踝背伸无力、足下垂、行走低效或不安全，严重影响了患者日常生活活动能力。因此，促进脑卒中后患者运动功能的恢复有着十分重要的意义。神经肌肉电刺激(neuromuscular electrical stimulation, NMES)是指通过预先设定的程序，利用低频脉冲电流刺激周围的神经或者肌肉，诱发肌肉节律性收缩，从而改善或恢复运动功能。NMES是一种侧重于引起肌肉收缩训练的物理治疗方法。功能性性电刺激(functional electrical stimulation, FES)是其中一种常用的作用于神经肌肉的电刺激，其目的主要是通过预定的电脉冲序列，从而诱发肌肉运动，来完成规定的任务。FES能明显改善脑卒中后患者的运动功能，已成为偏瘫的主要治疗方法之一[2]。脑卒中偏瘫康复强调患者积极主动参与各项活动[3]。对侧控制型功能性电刺激(Contralaterally Controlled Functional Electric Stimulation,CCFES)是一种创新的功能性电刺激疗法，加强了患者的主动运动意识，主要通过采集健侧手运动时的肌电信号，产生一定的电流强度，来控制刺激患侧手时所需要的电刺激强度，刺激患侧相同部位做类似运动。CCFES主要由Knutson[4]于2007年提出，通过采集来自健侧肢体运动时的控制信号，反馈的引导FES装置，从而调节对患侧肢体的电刺激强度，刺激患侧肢体相同部位，使其产生与健侧肢体类似运动。本文旨在对CCFES的装置、原理、优势以及在脑卒中偏瘫康复中的应用现状和前景展望进行综述。

1 CCFES原理及治疗方法

CCFES由刺激器、表面电极和感应装置三部分组成[5]。刺激部位一般是腕背伸肌群、踝背伸肌群、肘伸肌群。可根据不同的部位，一般是前臂、手或腿，选择合适大小的表面电极；感应装置主要用于收集健侧的肌电信号，有研究显示穿戴式传感器更有利于运动意愿信号的采集[6]。治疗时，患者同时进行双侧肢体运动，当健侧的感应装置肌电信号传入时，CCFES治疗仪可以根据健侧收缩的不同强度，给予患侧相应强度的电刺激，从而让患侧产生与健侧类似的动作。因此，CCFES治疗时，患侧的刺激强度与健侧肢体的活动强度是成正比的，即当健侧肢体活动强度越大，给予患侧肢体的电流刺激强度也越大，患侧肢体的被动运动幅度也就越大，且完全由健侧肢体控制。

2 CCFES的作用机制

CCFES增加了健侧肢体上的感应装置，用于采集健侧肢体主动活动的肌电信号，更加强调患者的自主运动意识。其可能的机制如下：

2.1 意向性运动 CCFES治疗时，要求患者主动收缩双侧肢体，让大脑控制患侧肢体。利用意向性运动的原则, 让患者集中注意力于运动的肢体，尽自己最大的努力试着移动患侧，同时去配合健侧的移动。这样患者的运动意向(中枢神经活动)和刺激的运动反应(周围神经活动) 最大程度的同步化，充分调动了患者的主观能动性。这种成比例控制的同步化能促进突触重塑和神经重组，从而改善患侧肢体的中枢控制[7-9]。

2.2 双侧同步运动 正常机体的大脑两侧半球通过交互性半球间抑制，维持大脑半球兴奋与抑制的相互平衡。脑卒中会造成大脑兴奋性的改变，表现为受损半球对未受损半球兴奋性的抑制减弱，解除抑制的未受损半球经胼胝体对受损半球发挥较强的抑制作用，导致患侧大脑半球抑制，而健侧大脑半球过度兴奋。这种兴奋与抑制平衡的破坏严重影响了脑卒中患者的运动功能[10]。CCFES通过健侧肢体控制电刺激强度，刺激患侧相同部位，使双侧同时产生相似的动作。这种双侧同步运动可改善双侧的皮层活性，兴奋患侧半球，增强半球间去抑制，促进半球间兴奋与抑制平衡的正常化[11]。这种去抑制也有可能促进了病变区域残留神经元组建新的神经网络[12]。同时双侧共同运动能募集和活化同侧皮质脊髓束[13]，通过共享健侧半球指挥正常的运动，从而使大脑重组，改善运动功能。

2.3 运动想象机制 CCFES治疗时，患者被提示患侧模仿健侧动作，去尝试活动患侧肢体和健侧保持一致，产生较强的恢复患侧运动控制的知觉，通过幻想提高了患侧的存在意识。病人假想患侧和健侧一起做相同地运动，类似于运动想象、运动观察、镜像疗法机制。Page等[14]研究发现，运动想象能够激活双侧的额叶前区、运动前区、同侧顶叶后区、辅助运动区、及尾状核等部位。说明脑卒中患者可以通过运动想象部分活化损伤的运动网络。CCFES将观察、运动想象和模仿有机结合起来，可能与激活支配患侧的运动神经元网络，促进脑功能重组和运动功能的恢复有关[15-16]。

2.4 目标导向性任务训练 CCFES通过健侧肢体的运动来控制患侧肢体的运动。因此，患者自己控制了患侧肢体的运动范围、速度、休息时间、持续时间，提高了患者的注意力，有利于练习目标导向的功能性任务或者较为精细的运动控制任务。通过健侧手指控制CCFES装置，促使患侧手腕伸展，主动控制完成抓握动作。完成后再由健侧手指控制装置，促使患侧手腕伸展，放下物体，进入下一个循环。下肢可以以电脑游戏为目标任务，健侧信号传入CCFES装置，带动患侧共同运动。主动的(自我启动的)、重复性地、目标导向性的、需要技巧的任务训练对于激发脑卒中后大脑皮质的功能重组和促进运动恢复非常重要[17-18]。

3 CCFES在偏瘫康复中的应用

3.1 CCFES对手功能的影响 手功能障碍是造成脑卒中患者残疾的主要原因之一。Knutson等[2]对3例慢性期脑卒中患者(>6月)进行为期6周的CCFES治疗，治疗策略包括每天2h重复练习手部开放(每小时包括15min训练+5min休息，3个循环)的家庭训练，加上每周2次执行功能性任务(练习手指运动控制任务15min+刺激患手执行功能性任务75min)的实验室训练。结果显示其中2名患者的手指主动伸展活动度从基线到治疗结束时提高，1个月时明显提高。3名患者的手指等长收缩力矩、手指的运动控制及BBT得分从基线到治疗结束时改善，1个月时改善明显。但是3个月时改善效果减弱。为了研究CCFES的持续治疗效果，Knutson等[19]又对3例慢性期脑卒中患者(>6个月)进行为期12周的CCFES治疗，治疗方法同前。结果显示3名患者BBT和上肢Fugl-Meyer评分明显提高，1个月和3个月均持续升高。这些结果提示CCFES对偏瘫后手功能的恢复有积极的影响，且治疗时间越长，效果更好。为了比较CCFES和NMES治疗亚急性(≤6个月)脑卒中患者手功能损害后的效果，Knutson等[20]又进行了一项随机对照研究，将21名患者随机分成CCFES治疗组和普通NMES治疗组，两组均接受为期6周的治疗，治疗方法同前。结果显示治疗结束时、治疗后1个月及3个月，两组各项评价指标均有改善，且经过CCFES治疗的患者各项评价指标均优于经过NMES治疗的患者。暗示了CCFES的治疗效果可能优于NMES的治疗效果。张文通[21]、沈莹[22]研究也证实了这一观点，认为CCFES能明显提高早期脑卒中患者上肢功能，较NMES效果更佳。为了观察CCFES治疗慢性(>6月)脑卒中患者手功能损害的效果，Knutson[23]等将80名患者随机分成CCFES组和NMES组，均接受12周的治疗，结果显示CCFES对提高患侧手功能灵活度优于NMES组。这些研究结果也暗示了CCFES疗法的关键部分(配对的运动想象和运动反应，双侧同步运动，想象疗法，目标靶向任务训练)有助于偏瘫的治疗。但是，目前有关于CCFES的研究相对较少，需要更大的样本含量和更有力的研究证据支持这一结论。

3.2 CCFES对上肢功能的影响 许多脑卒中病人不仅有手功能障碍，也有伸肘困难。因此，上肢CCFES旨在改善患者手功能和伸肘功能障碍。相比于手CCFES，上肢CCFES增加了肘部伸肌群刺激，健侧手臂多了个弯管感受器。其余均和手CCFES相同。Knutson等[24]对4例慢性期脑卒中患者(>6个月)进行为期12周的CCFES治疗。在训练过程中，患者被要求双上肢佩戴支具来放松前臂，以防止肩疲劳和前臂不自主屈曲运动[25]。结果显示4例患者的Fugl-Meyer评分、沃夫运动功能测试均有提高，手臂最大外展度数及同步肘外展和手指分离均有改善。提示CCFES能改善中重度偏瘫患者上肢运动功能障碍。将来可能需要更大的样本含量，以及随机对照试验与其他NMES治疗效果作比较。

3.3 CCFES对踝功能的影响 脑卒中遗留有下肢功能障碍的偏瘫患者不能行走的最主要原因可能是摆动相踝不能背伸。因此，改善患者自主踝背伸能力非常重要。Knutson[26]对3例慢性脑卒中患者(>6个月)进行为期6周的CCFES治疗。治疗策略包括每天家庭CCFES辅助下踝背伸1次，实验室每周两次踝控制训练。结果显示2位患者最大踝背伸角度增加了13°、17°，踝跟踪(循迹)错误降低57%，Fugl-Meyer评分增加4～5分。提示CCFES 对促进踝功能损害的恢复有积极的作用。为了进一步比较CCFES与NMES治疗偏瘫患者踝背伸的效果，26名慢性偏瘫患者(≥6月)随机分成CCFES治疗组和NMES治疗组，两组均接受6周的治疗，治疗策略同前。结果显示两组均能一定程度上改善下肢运动功能损害，但是两组治疗效果没有统计学差异[27]。Knutson[27]认为其原因可能是：①正常人的双下肢之间是反向协调[28-29]，而该项研究中CCFES是双下肢同步作用。因此需要更多的CCFES应用于反向协调的踝背屈训练，即健侧做足跖屈动作，患侧产生足背曲动作。②通过给NMES受试者在电刺激治疗同时施加踝背屈训练，可能减少该组与CCFES组之间的差别。CCFES所倡导的成比例控制的运动意向，在NMES中可能通过增加同步运动达到相同目的，所不同的是刺激强度不由受试者自身控制。③急性或亚急性脑卒中患者比慢性脑卒中患者有更大的神经可塑性潜力，因而会对该研究治疗的效果感应更好。张文通[21]把40例急性脑卒中患者(<1个月)随机分成CCFES组和NMES组，结果表明两组均对踝功能有改善作用，且CCFES组踝部的背伸主动活动度优于NMES组。作者认为两个研究结果差异的可能原因是急性期脑卒中患者对CCFES治疗的敏感性更高。进一步深入针对急性、亚急性、慢性脑卒中患者的研究可能是将来的研究方向。

4 总结与前景展望

综上所述，CCFES作为一种新的功能性电刺激疗法，增加了健侧肢体的感应装置，让患侧和健侧同步运动，且由患者自己控制刺激强度和持续时间，将患者的主动意向与刺激运动反应有机结合起来，强化了患者治疗的注意力，更有利于进行功能性任务训练。目前研究证据初步表明CCFES治疗效果可能优于传统的神经肌肉电刺激疗法。此外，CCFES治疗不要求患者有任何残存的手或者踝的运动。而且设备简便易携带、治疗非常简单，可以在其它临床科室(如早期康复)、家里自己操作，节省了治疗师的时间。因此，CCFES在脑卒中偏瘫康复方面有广阔的应用前景。研究发现CCFES联合手功能运动控制视频游戏治疗，能改善患者手的灵活度、上肢的运动功能，让其更好的回归社会工作[30]。今后可运用CCFES进行更加精细的运动控制任务。在常规CCFES训练(可以注意力不集中)基础上增加与多媒体VR交互的运动控制任务或游戏，以最大化地在CCFES介导的训练中增加认知成分。CCFES运用于踝功能训练时，双侧反向协调运动的CCFES也可能是未来的研究方向。也可以展开更多的刺激形式，背伸肌群联合其他多组肌群接受刺激，更有效的促进功能的恢复。同时，CCFES也可以联合重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation,rTMS)、经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,TDCS)等治疗方法，进一步改善患者的运动功能。

但是，目前对CCFES 的研究尚处于初始阶段，许多机构正在进行大规模随机对照临床研究。关于CCFES对运动功能不同程度损害的治疗效果，脑卒中后不同时期的干预效果、何时开始介入偏瘫康复治疗，每次治疗的时间，以及治疗需要持续多久都需要做进一步的研究。更加深入的研究需要我们进一步探索。

[1] FigueroaSA, Zhao W, Aiyagari V. Emergency and critical care management of acute ischaemic stroke[J]. CNS drugs,2015,29(1):17-28.

[2] HowlettOA,Lannin NA, Ada L, et al. Functional electrical stimulation improves activity after stroke: A systematic review with meta-analysis[J]. Archives of physical medicine and rehabilitation,2015,96(5):934-943.

[3] Rosewilliam S, Roskell CA, Pandyan AD. A systematic review and synthesis of the quantitative and qualitative evidence behind patient-centred goal setting in stroke rehabilitation[J]. Clinical rehabilitation,2011,25(6):501-514.

[4] Knutson JS, Harley MY, Hisel TZ, et al. Improving hand function in stroke survivors:apilot study of contralaterally controlled functional electricstimulation in chronic hemiplegia[J].Archives of physical medicine and rehabilitation,2007,88(4):513-520.

[5] Knutson JS, Harley MY, Hisel TZ, et al. Contralaterally controlled functional electrical stimulation for stroke rehabilitation[J]. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc ,2012,20(2):314-317.

[6] Ruiz-Olaya AF. On the use of wearable sensors to enhance motion intention detection for acontralaterally controlled FES system[C]. 13th IEEE International Conference on Wearable and Implantable Body Sensor Networks(BSN). San Francisco, CA. 2016.

[7] Nudo RJ, Wise BM,Milliken GW, et al. Neural substrates for the effectsof rehabilitative training on motor recovery after ischemic infarct[J]. Science,1996,272(5269):1791-1794.

[8] Rushton DN.Functional electrical stimulation and rehabilitation--an hypothesis[J]. Med Eng Phys,2003,25(1):75-78.

[9] Kimberley TJ, Lewis SM, Auerbach EJ, et al. Electrical stimulation driving functional improvements and cortical changes in subjects with stroke[J]. Exp Brain Res,2004,154(4):450-460.

[10] Hara Y. Brain plasticity and rehabilitation in stroke patients[J]. Journal of Nippon Medical School,2015,82(1):4-13.

[11] Lee MJ, Lee JH, Koo HM, et al. Effectiveness of Bilateral Arm Training for Improving Extremity Function and Activities of Daily Living Performance in Hemiplegic Patients[J]. J Stroke Cerebrovasc Dis,2017,26(5):1020-1025.

[12] HanKJ, Kim JY. The effects of bilateral movement training on upper limb function in chronic stroke patients[J]. J Phys Ther Sci,2016,28(8):2299-2302.

[13] Nakagawa H, Ueno M, Itokazu T, et al. Bilateral movement training promotes axonal remodeling of the corticospinal tract and recovery of motor function following traumatic brain injury in mice[J]. Cell death & disease,2013,17(4):110-126.

[14] PageSJ, Levine P, Sisto SA, et al. Mental practice combined with phys-ical practice for upper limb motor deficit in subacute stroke[J].Phys Ther,2001,81(8):1455-1462.

[15] Lee D, Lee G, Jeong J. Mirror Therapy with NeuromuscularElectrical Stimulation for improving motor function of stroke survivors: Apilot randomized clinical study[J]. Technologyandhealth care,2016,24(4):503-511.

[16] Pérez-Cruzado D, Merchán-Baeza JA, González-Sánchez M, et al.Systematic review of mirror therapy compared with conventional rehabilitation in upper extremity function in stroke survivors[J]. Australian occupational therapy journal,2016,64(2):91-112.

[17] Park J, Yoo C. Effects of task-oriented training on upper extremity function and performance of daily activities by chronic stroke patients[J]. J Phys Ther Sci,2015,27(8):2657-2659.

[18] Peters HT, Page SJ. Integrating Mental Practice with Task-specific Training and Behavioral Supports in Poststroke Rehabilitation: Evidence, Components, and Augmentative Opportunities[J]. Physical medicine and rehabilitation clinics of north America 2015,26(4):715-722.

[19] Knutson JS,Hisel TZ, Harley MY, et al. A Novel Functional Electrical Stimulation Treatment for Recovery of Hand Function in Hemiplegia: 12-Week Pilot Study[J]. Neurorehabilitation and neural repair,2009,23(1):17-25.

[20] Knutson JS, Hisel TZ,Hogan SD, et al. Contralaterally Controlled Functional Electrical Stimulation for Upper Extremity Hemiplegia: An Early-Phase Randomized Clinical Trial in Subacute Stroke Patients[J]. Neurorehabilitation and neural repair,2012,26(3):239-246.

[21] 张文通, 孟殿怀, 陆晓, 等. 对侧控制型神经肌肉电刺激对早期脑卒中患者功能恢复的影响[J]. 中华物理医学与康复杂志,2015,37(1):32-34.

[22] 沈滢殷, 戴文骏,伊文超,等. 对侧控制型功能性电刺激对脑卒中患者上肢功能的影响[J]. 中国康复医学杂志,2014,29(12):1119-1123.

[23] Knutson JS, Gunzler DD, Wilson RD, et al. Contralaterally Controlled Functional Electrical Stimulation Improves Hand Dexterity in Chronic Hemiparesis: A Randomized Trial[J]. Stroke,2016,47(10):2596-2602.

[24] Knutson JS,Hisel TZ,Makowski NS, et al. Contralaterally Controlled F-unctional Electrical Stimulation for Recovery of Elbow Extension and HandOpening After Stroke: A Pilot Case Series Study[J]. Am J Phys Med Rehabil,2014,93(6):528-539.

[25] Miller LC, Dewald JP.Involuntary paretic wrist/finger flexion forces and EMG increase with shoulder abduction load in individuals with chronic stroke[J]. Clin Neurophysiol,2012,123(6):1216-1225.

[26] Knutson JS,Chae J. A Novel Neuromuscular Electrical Stimulation Treatment for Recovery of Ankle Dorsiflexion in Chronic Hemiplegia: A Case Series Pilot Study[J]. Am J Phys Med Rehabil,2010,89(8):672-682.

[27] Knutson JS,Hansen K,Nagy J, et al. Contralaterally Controlled Neurom-uscular Electrical Stimulation for Recovery of Ankle Dorsiflexion[J]. Am J Phys Med Rehabil,2013,92(8):656-665.

[28] Kawashima N, Nozaki D, Abe MO, et al. Alternate leg movement ampli-fies locomotor-like muscle activity in spinal cord injured persons[J]. J Neu-rophysiol,2005,93(2):777-785.

[29] Vasudevan EV, Zehr EP. Multi-frequency arm cycling reveals bilateral l-ocomotor coupling to increase movement symmetry[J].Exp Brain Res,2011,211(2):299-312.

[30] Suder R, Knutson J, Curby A, et al. Contralaterally Controlled Functional Electrical Stimulation and Hand Therapy Video Games for Cerebral Palsy[J]. American Journal of Occupational Therapy,2016,28(9):314-317.