基于运动想象的脑机接口技术在脑卒中偏瘫患者上肢康复中应用的研究进展

崔乔义，邵丽丽，迟冰梅，邵鹏，

（1.烟台市烟台山医院康复医学科，山东烟台 264000；2.烟台市口腔医院开发区门诊部，山东烟台 264000）

脑卒中是威胁中老年人群健康的常见病、多发病之一，其发病年龄趋于年轻化[1]。偏瘫侧上肢功能障碍作为脑卒中患者最常见的临床表现，对患者日常生活能力和社会参与能力可造成严重影响，成为临床康复治疗重点、难点之一。

脑卒中后，虽然患者的中枢神经系统存在自我修复机制，但其内源性再生能力有限，患者仍需进行一系列的康复治疗来增强神经可塑性，促进功能恢复。目前，针对脑卒中偏瘫患者上肢运动功能障碍的康复训练方法包括肌力和耐力训练、关节活动度训练、神经生理学方法等，以及新兴的康复训练技术，如强制性运动疗法、运动再学习方案等。运动想象（MI）疗法作为一种主动式中枢干预方法，越来越受到广泛关注；同时，脑机接口（BCI）技术亦作为新兴的康复措施之一，在临床中得以应用。因此，基于MI 的BCI 有望成为一种促进偏瘫患者上肢功能恢复更加有效的治疗措施。本文将对基于MI 的BCI 技术在脑卒中偏瘫患者上肢康复中的应用进行综述，以期为脑卒中康复选择更加合理的治疗方案提供理论依据支持。

1 MI 疗法

20 世纪90 年代初，MI 技术开始作为一种康复治疗措施被用于脑卒中患者康复。近年来，大量临床研究表明，MI 疗法作为激活运动网络、促进大脑皮质可塑性的一种手段，其不依赖于患者残存功能，对脑卒中偏瘫患者上肢运动功能恢复有效，并被推荐作为脑卒中后上肢功能训练的补充治疗技术[2-4]。

1.1 MI 定义

MI 疗法是指通过反复进行运动动作方面想象，并在此期间不需要任何运动动作的输出，通过运动记忆激活大脑的某一特定区域，进而达到提高运动能力的目的[5]。一般将MI 分为两类：动觉MI 和视觉MI。两种MI 方法均被用于提高运动功能，且研究显示，采用动觉MI 对训练手运动准确性更加有效[6]。

1.2 MI 能力

脑卒中患者大脑受到损伤，MI 能力亦可能受损，但大部分患者仍保留MI 能力，且MI 能力与年龄、性别、病变部位、病程阶段与认知水平有关[7]。脑卒中患者如果想从MI 疗法中收益，前提条件是必须能参与MI，因此，训练前需对患者MI 能力进行评估，以便更加有针对性的制定MI 治疗方案，并保证其顺利实施。临床常用的评估患者MI 能力的工具包括：动觉和视觉运动想象问卷调查（KVIQ）、手心理旋转实验、心理计时测验及时相一致性测验等[8]。目前，用于运动障碍患者MI 能力评定的量表主要为KVIQ，其中KVIQ-10 对运动能力要求不高，且更节省时间，适合脑卒中患者使用[9]。值得注意的是，国内外较多关于MI 的临床研究均未涉及想象能力的测试，这在一定程度上影响了研究结果的准确性，不利于MI 疗法的推广[10]。

1.3 MI 疗法应用

MI 疗法作为一种主动式的中枢干预方式，可能是适用于脑卒中康复的有效的辅助治疗手段[11]，并可在脑卒中康复期的任何阶段使用，以起到改善上肢运动功能、提高日常生活活动能力的作用[12]。国内外学者就MI 疗法用于脑卒中患者上肢功能恢复中的康复效果、作用机制等方面进行了大量的、深入的研究。MI 疗法用于脑卒中偏瘫后上肢功能训练获得了较好的康复效果。Stevens 等[13]的研究中，2 例脑卒中偏瘫患者想象手腕部活动，每周3 次，每次1 h，持续治疗4 周，发现患者上肢功能明显改善，且效果持续3 个月仍有效。贺郁琳等[14]选取120 例脑卒中后偏瘫患者为研究对象，并将其随机分为两组，两组患者均接受常规康复治疗方法，研究组在此基础上辅以MI 疗法，结果显示，治疗后研究组Fugl-Meyer 上肢运动功能评定量表（FMA）评分、肌张力Lovett 分级、上肢动作研究量表（ARAT）评分均明显优于对照组，提示在常规康复疗法基础上辅以MI 疗法可显著改善患者上肢运动功能。

有研究发现，动觉MI 和视觉MI 在脑卒中后偏瘫患者上肢功能恢复方面发挥的作用无明显差别。Nilsen 等[15]观察对比脑卒中患者接受每周2 次、每次30 min、持续6 周的第一方想象（动觉MI）与第三方想象（视觉MI），发现两者在上肢功能改善方面均效果显著，且两者的康复效果无明显差异。高家欢等[16]随机将45 例脑卒中偏瘫患者分为动觉MI 组、视觉MI 组、对照组，干预4 周后，结果显示与对照组相比，动觉MI 组、视觉MI 组的上肢运动功能及生活活动能力均较对照组明显改善，且两组患者功能改善程度差异无统计学意义（P＞0.05）。

MI 疗法适用于各阶段脑卒中偏瘫患者，且联合其他康复治疗措施疗效更加显著。Page 等[17-19]通过系列研究发现，MI 用于不同阶段脑卒中患者均效果显著。赵欣等[20]综述MI 结合作业疗法在脑卒中患者康复训练中的研究进展，发现二者联合作用具有一定优越性，可进一步提升患者康复进程，有利于患者功能恢复。谷鹏鹏等[21]通过将MI 分级，即将MI、镜像动作观察及镜像动作模仿三者联合运用，循序渐进，分成不同的阶段用于脑卒中偏瘫患者康复训练之中，发现患者上肢运动水平和抓握能力均可明显提高。

此外，MI 已在临床中得到广泛应用，研究者正尝试为其制定统一的、规范的、标准的指导语。章惠英等[22]在循证基础上，针对脑卒中偏瘫患者构建了一套经过专家论证且与评价指标密切结合的MI 训练指导语和训练方案，并开展持续8 周的临床研究发现，在常规康复训练的基础上加用MI 疗法可更好地促进卒中患者上肢功能恢复，尤其适用于手部精细运动功能改善。

1.4 机制研究

目前，关于MI 疗法治疗机制的理论主要有心理神经肌肉理论（PM 理论）、符号学习理论、生物信息理论等，研究者认为PM 理论更为合理[13]。PM 理论认为，患者的中枢神经系统中可能早已存储着进行某一专项运动的计划，即“流程图”，若患者实际运动过程中所涉及的流程与进行MI 时所涉及的“流程图”相同，那么在想象过程中就有可能使该“流程图”得到强化或改善，从而提高相应肢体的运动功能[23]。

近年来，随着神经影像学技术的不断进步，MI 疗法的机制研究日趋增多，为MI 疗法在脑卒中康复中的应用提供了充分的理论依据。各种脑功能成像技术，如功能性磁共振成像（fMRI）、脑电图、正电子发射断层现象等，已被应用于MI 疗法在中枢神经系统中的作用机制研究。杨帆等[24]将40 例脑卒中后偏瘫患者随机分为两组——常规康复治疗组、MI+常规康复治疗组，经过6 周治疗发现，MI 疗法可有效地促进脑卒中恢复期患者运动功能和日常生活活动能力恢复，且通过MRI 的弥散张量成像（DTI）测量发现，MI 疗法对脑卒中受损白质纤维的恢复可能有帮助。孙莉敏等[25]研究发现，MI 疗法联合常规治疗促进上肢功能改善可能与有效连接模式重塑有关，如治疗后脑卒中患者MI 相关脑区和损伤对侧小脑到损伤测MI 的有效连接增强，而损伤对侧额中回到损伤侧MI 的有效连接代偿效应解除。由此可见，MI 疗法与实际某项运动所激活的脑部区域相似，MI 作为对大脑组织的一种内部刺激，可促进脑组织损伤后功能重建，进而可促进脑卒中偏瘫患者上肢功能恢复。

MI 疗法不需要特殊的设备、场地，且在治疗方案方面，包括想象方式、治疗时间、治疗频率、持续时间等均进行了大量的临床研究，为其在临床康复中应用提供了坚实的理论基础。MI 疗法联合其他疗法往往能取得更好的治疗效果，且疗效持续时间更长，提示MI 疗法可作为脑卒中临床康复中现有常规康复治疗手段的有效补充[26]。

2 基于MI 的BCI 技术

MI 作为中枢的自我刺激手段，可内在精确地作用于大脑靶点，不受大脑可塑性及个体差异性的限制[27]。MI 结合新兴的BCI 技术用于脑卒中偏瘫患者上肢康复治疗中有望实现更好的临床效果。

2.1 BCI 技术

BCI 是指将采集的脑电信号进行放大、滤波、模数转换等处理，进而转换为可以被计算机识别的信号，计算机对脑电信号进行预处理和特征提取等，最后转换为控制外部设备的指令，即将大脑的动作意图通过计算机进行传输，由外部驱动设备转换为实际动作[28]。现行多数BCI 脑电信号均源于头皮脑电图，其特点为损伤小、时间分辨率高、价格低廉、便携性好，成为目前应用最广泛的神经影像模态。BCI 技术现已被广泛地应用于脑卒中康复医学领域[29-30]。

何艳等[31]对BCI 技术在脑卒中患者上肢运动康复中应用进展进行分析发现，BCI 技术可以作为卒中后患者上肢功能恢复的有效干预措施，提高患者大脑神经功能的可塑性，且与其他康复方法联合应用，可提高康复效果。李玲玲等[32]检索国内外相关文献资料，系统评价BCI 技术对脑卒中偏瘫患者上肢运动功能的康复疗效，并比较不同BCI 治疗策略的疗效差异，发现BCI 技术可改善脑卒中患者上肢运动功能和日常生活能力，且以使用电刺激仪作为驱动设备的策略效果最佳。

2.2 基于MI 的BCI 技术应用现状

MI 是BCI 技术最常见的范式之一[33]。脑卒中患者进行该技术训练时，其脑电信号由其自主通过MI产生，无需借助外界因素刺激，并不需要引出肢体活动，且MI 时损伤侧皮质的脑电信号具有与健康人类似的特征，这些特征均为基于MI 的BCI 技术在脑卒中康复中的应用提供了理论依据[34]。

Nuttawat 等[35]对一名53 岁男性脑卒中后左侧偏瘫患者进行个案研究，干预前患者无法产生任何手腕和手指伸展活动，对其进行干预，干预方式为每周3次、持续4 周的基于动作观察和MI 的BCI 技术联合的功能性电刺激治疗，治疗期间不接受任何常规的康复训练，结果显示，治疗后患者的FMA-UE 评分、腕关节活动度均明显改善，并且大脑活动模式亦有所改变。从而指出该技术在改善脑卒中患者功能方面可能是一种很有前途的干预策略，但需要更多的受试者参与，且需要与其他治疗方法做对比。

新加坡的Ang 等[36-38]对BCI 技术在脑卒中上肢功能康复中的应用进行了一系列随机对照试验研究。其应用两种不同的BCI 技术策略，第一种为BCI 侦测MI 并触发感觉运动反馈（矫形器），第二种为BCI侦测MI 并控制机器人提供MI，结果发现：（1）大多数的慢性脑卒中患者可以利用基于脑电的BCI 系统进行神经康复训练；（2）策略一同利用机器人被动训练所产生的康复效果无明显差异；（3）策略一需要持续4 周患者的康复效果才明显，2 周时患者的功能未见明显变化；（4）应用6 周策略二训练的患者康复效果明显优于应用策略一的患者；（5）推荐进行每周3 次、至少6 周的康复训练。

Lee 等[39]亦发现动作观察训练结合BCI 控制的功能性电刺激（刺激腕伸肌），可显著改善脑卒中患者上肢运动功能和皮层活性。Frolov 等[40]将基于MI 的BCI技术控制的手部外骨骼系统训练用于脑卒中后上肢功能严重受限患者的康复中，发现同伪BCI 技术的训练相比，持续30 min、共计10 次的训练可以显著改善不同病程、严重程度及卒中部位的患者的运动功能，并发现该训练方式最主要的不良反应为疲劳，但并无患者因此原因而终止训练。

尽管目前大量研究发现基于MI 的BCI 技术可以显著改善脑卒中偏瘫患者上肢运动功能，但关于BCI 技术对脑卒中患者上肢运功能康复效果实现的机制研究相对较少[41]。李明芬等[42]通过临床试验研究发现，基于BCI 电刺激技术应用于脑卒中患者上肢功能康复具有可行性，其治疗机制可能与其促进患侧运动相关脑区的激活相关。但此项研究样本量仅为5例，且仅进行了1 次训练，研究中缺少对照组，因此，未来关于相关机制的研究仍需大样本量及多模态工具进行脑功能评价。刘霞等[43]通过检索基于MI 的BCI 用于脑卒中瘫痪患者脑功能激活和神经网络重塑的相关研究资料发现：BCI 技术可促进脑卒中患者脑功能激活，表现为脑电信号频率增强、持续时间延长且更加稳定；影像学资料表明，BCI 技术可使脑卒中患者双侧脑半球间及患侧脑半球内功能的连接显著增加。Hu 等[44]选取脑卒中患者和健康人作对照进行研究，发现单纯的基于MI 的BCI 技术，以及联合应用经颅直流电刺激均可显著改善脑卒中患者运动功能；但是fMRI 检查结果显示两种干预方式对大脑功能重组施加不同甚至相反的影响；两者的结合应用，仍需进一步研究观察。

3 展望

MI 疗法在脑卒中患者的临床康复中已经得到广泛的应用，并取得了较好的康复效果；BCI 技术为脑卒中康复提供了更好的训练手段；两者结合应用于脑卒中患者康复逐渐成为研究热点之一；基于MI 的BCI技术结合功能性电刺激有望取得更好的治疗效果；在进行该治疗前需对患者MI 能力进行科学评估，并尽可能采用动觉MI 方式。尽管国内外学者做了大量相关研究，但是干预措施各不相同，训练频率、训练强度、持续时间等方面差异较大，且样本量偏少，MI 能力评估不足，有关基于MI 的BCI 技术对脑卒中患者上肢功能恢复的疗效、最佳干预时间、与常规康复治疗的效果比较等方面仍需进一步研究证实。同时，基于MI 的BCI 技术促使脑卒中患者上肢功能恢复效果得以实现的机制仍需进一步深入研究，以更好地为脑卒中患者制定个体化康复计划提供理论依据支持。