对侧控制型功能性电刺激及其联合疗法在偏瘫康复中的研究进展

张敏杰, 孟兆祥, 金 星, 王 鑫, 柯明慧, 周洪雨

(扬州大学临床医学院/扬州大学附属苏北人民医院 康复科, 江苏 扬州, 225000)

脑卒中常导致严重的上肢、下肢运动功能障碍,上肢的运动障碍表现为过高的屈肌张力和微弱的伸肌力量,造成手指伸展和精细运动困难; 下肢运动障碍表现为伸肌张力高和踝关节易跖屈从而使步态异常及步行耗能增加。其中尤以恢复腕指关节、踝关节伸展运动功能为最困难的环节之一。因此如何有效地改善手部、踝部伸展功能训练方法是脑卒后康复治疗的难点。脑卒中康复治疗常存在以下问题: 在脑卒中早期,康复训练常以被动活动为主,无良好的主动训练方式介入; 疾病康复中期、后期,无法精确量化患者功能变化。

对侧控制型功能性电刺激(CCFES)是应用于脑卒中康复治疗领域的一种改良式功能性电刺激疗法。相较于临床常规使用的低频电刺激-神经肌肉电刺激(NMSE), CCFES可使得偏瘫患肢在疾病早期尽快融入主动训练,达成诱发患肢远端动作的目标,帮助解决偏瘫患者训练中出现的“早期无良好主动运动介入、中后期无法量化患者功能变化”问题。

CCFES最早由KNUTSON J S教授等[1]于2007年进行的“对侧控制型功能性电刺激对改善脑卒中恢复期患者手功能疗效观察”研究中提出。准备工作如下: 先将健侧、患侧靶肌肉部位贴上电极片,记录健侧腕产生最大背伸对应的肌电数值并将此数值设定为健侧肌电阈值,再调节患侧电流强度,电流强度需使得患腕产生与健腕类似的关节活动。治疗过程如下: 贴于健侧肢体上的感应电极监测到肌电数值,与阈值比较后,仪器将根据健侧用力情况等比例地给予患侧电刺激。仅当健侧收集到的肌电信号与阈值相同时,仪器才给予患肢预先设定的电流强度,使得健患侧运动幅度相同; 反之则健患侧运动幅度不一致。

1 工作原理

1.1 意念与运动同步性

患者在进行CCFES训练时,先产生意念再产生动作,此种时序最大程度地提高了中枢神经活动与外周肌肉活动同步性[2]。在中枢-外周、运动-感觉神经通路间高频的、重复的同步性,可加速突触重塑与神经重组,优化患肢运动功能。CCFES提供的训练是可控的,不仅能协助患者控制电刺激的开始,而且在一定程度上可主观控制刺激时间和强度。CCFES可控的特性能调动患者积极性,更可帮助患者保持注意力集中,有益于康复疗程的推动。

1.2 同步双侧运动,减少半球间抑制

正常人体左右侧大脑半球存在相互竞争相互抑制的关系,而脑卒中发生后平衡被打破。患侧大脑半球激活弱化,与此同时健侧大脑半球过度兴奋,随之健侧大脑半球将强化对患侧大脑半球的抑制作用[3]。研究[4]表明,健患侧同步进行相似的运动即双侧运动,使得一侧半球可以共享对侧的运动网络模板,可以协助下调半球间抑制程度。双侧动作源于胼胝体对两侧大脑半球的神经网络连接,而重复的高频双侧运动也可促进重建两侧大脑半球的神经连接[5]。CCFES介导双侧运动,重塑半球间网络,重建半球间平衡。

1.3 运动想象,激活镜像神经元

CCFES训练时,患者尝试使患肢与健肢保持相似的动作,想像与运动联动的运动诱发方式可以同时激活到双侧运动区、辅助运动区、额叶前区等脑区,而上述脑区的活动在卒中患侧大脑是减少的[6]。研究[7]表明,健侧肢体诱导患侧运动、患侧模仿健侧运动的CCFES训练模式,不仅可以增加患侧肢体肌肉收缩频率,改善患侧肢体的运动功能,还可丰富患侧肌肉、关节本体感觉的输入,促进潜在神经突触连接的建立,改善运动感觉神经网络联系,加快大脑可塑性转变的速度。

当电刺激引发的患侧运动被观察到,患者产生视错觉,镜像神经元将被同步激活[8]。患侧越来越多地被使用、运用,降低了习得性废用的发生概率[9]。

1.4 任务导向性训练原理

在应用CCFES提高患侧手指伸展功能的大部分研究[10]中,基于由健侧手控制患侧手的训练形式,患者可以有效地调控手指伸展的时间节点和手指伸展的程度,赋能于较弱功能的患侧手指,使其也可较随意地产生伸展动作,进而使得一些类似于结合抓松球、抓松杯子的任务导向型作业治疗活动变得简单可行。主动、高频的以目标为导向的任务型-运动控制训练对于恢复卒中后的运动功能和促进皮层功能区的重组是有益且重要的[11]。

2 CCFES在脑卒中康复中的应用

2.1 单一CCFES疗法对脑卒中患者功能的影响

2.1.1 对上肢功能恢复的影响: 上肢、手腕、手指伸展困难是脑卒中后造成患肢精细运动障碍的重要原因之一[12]。为了明确CCFES对手腕背伸功能恢复的影响,沈莹等[13]通过将60例病程3个月内的患者,随机分为CCFES组与NMES组,进行每周5次疗程3周的康复治疗。治疗结束后实验组、对照组患者在Fugl-Meyer、偏瘫上肢功能测试-香港版(FTHUE-HK)、上肢运动力指数(MI)、主动腕背伸活动度(AROM)评估结果上较基线评估均有提升,尤以实验组的各项评估差异性更显著且更早呈现出转变趋势。结果提示CCFES相较于常规的NMES有效地提高了恢复期卒中患者的上肢及手伸展运动功能。由于研究周期较短, CCFES组腕背伸AROM虽较实验前有改善,但组间比较缺乏显著性差异,意味着CCFES训练策略应具备长治疗周期特点,从而进一步延续其治疗效应。

国内外对CCFES的研究主要集中在改善偏瘫上肢远端腕手功能,而鲜有针对偏瘫患者近端的研究。为探知CCESS对偏瘫患者上肢近端即肩功能的疗效,周亚飞等[14]基于双侧理论,应用CCFES研究其对偏瘫患者肩功能恢复的影响,实验组、对照组患者健患侧的刺激、感应电极均置于三角肌前束、冈上肌、斜方肌上部,结果发现量表评估部分(包括肩半脱位发生率改善率、肩关节主动关节活动度、Fulg-Meyer上肢部分评分)与客观数据部分即肌肉的表面肌电变化,实验组评估结果均显著优于对照组,进一步验证了CCFES 治疗不仅可以诱发、优化脑卒中患者远端肢体分离动作,而且对脑卒中患者近端功能也有较好的促进作用。与此同时,以上研究采用表面肌电直观客观量化地描述患者功能变化,一定程度上避免了半定量量表缺乏敏感度的问题,客观地阐释了CCFES的疗效。在后续关于CCFES的研究[15]中,实验组在远端肢体—伸指肌放置刺激电极的基础上,还额外对近端肢体—伸肘肌放置了刺激电极,结果显现远端叠加近端电极刺激模式更利于上肢整体运动功能的进步。

2.1.2 对下肢功能恢复的影响: 脑卒中后异常步态、低步行效率等现象,步行摆动相患侧踝不能协同背伸是主要原因之一[16]。先后已有多位康复界学者[17]报道验证了CCFES 在扩大足踝背伸主动活动度、改善步态、提高体位转移能力等方面对脑卒中偏瘫患者具有积极的作用。为明确疗程对效果的影响,刘文权等[18]将60例恢复期偏瘫患者随机分为实验组即CCFES组、对照组即FES(功能性电刺激)组, 2组患者均进行为期4周的治疗。结果表明治疗结束时,实验组患者较对照组在Fugl-Meyer运动下肢部分评分、功能性步行量表分级、起立-行走计时测试方面均展现出更为明显的进步。但中期评估(疗程到达2周)显示,对照组与实验组间各量表评分差异无统计学意义,提示CCFES的治疗效果与疗程呈现正相关性,意味着接受更长CCFES治疗的脑卒中患者将获益更多。为进一步探知CCFES对脑卒中具体步行能力的作用,国外一项研究[19]纳入70例恢复期脑卒中患者,随机分入实验组、对照组分别接受CCFES治疗、NMES治疗, 2组电流强度均需使得患者踝关节背伸15°。治疗周期为3周,频率为5次/周。评定显示虽然CCFES组步行距离远超于NMES组,但是CCFES组步行速度并不快于NMES组。产生这样结果的原因可能是训练时体位仅限于坐位,且健侧、患侧踝关节均同步做主动屈伸活动。坐位无法模拟真实的立位步行过程,且违背步行周期中一个时相内双侧下肢同时收缩的肌群是互为拮抗的规则。CCFES应用于下肢康复治疗过程中,健患侧肌群的反向协调训练应该是未来研究需要关注的因素。

综上所述,CCFES下一步的研究方向可针对不同脑卒中时期来细化,如急性期、亚急性期、恢复期、后遗症期,从而获知CCFES对不同病程偏瘫患者的疗效,同时统一治疗总时程以使脑卒中患者获得最佳治疗效果。步行实际过程是受多因素调控的,下肢功能的提高需综合训练体位、步行周期、步行训练任务等方面丰富化地开展训练。

2.2 CCFES联合疗法对脑卒中患者功能的影响

有研究[20]表明单一的CCFES 治疗虽然可以一定程度上增加脑卒中患者患侧肌肉自主收缩及激活程度,但对整体功能的转化及重度运动功能丧失患者的功能改善仍有限。将CCFES治疗联合其他治疗或许会产生更佳的整体治疗效果。

CCFES联合重复经颅磁刺激(rTMS)应用在偏瘫康复方向,是一种有效的、适宜的、新兴的治疗脑卒中严重运动功能障碍的方法。AKHIL MOHAN等[21]的研究选取病程大于6个月的慢性严重运动功能丧失的72例脑卒中患者,随机分配到CCFES联合rTMS靶点cHMC组(对侧高级皮质)、CCFES联合rTMS靶点iM1组(同侧初级运动皮质)、CCFES联合假rTMS刺激组,经过12周的治疗显示CCFES 联合rTMS靶点cHMC组在Fulg-Meyer、wolf、腕关节伸展活动度上的进步更为显著。这些功能改善与未交叉神经通路的兴奋性增加、半球间平衡的重新恢复有关。在偏瘫患者中,同侧初级运动皮质(iM1)是rTMS最常选取的靶点,通过高频rTMS直接增加患侧iM1的兴奋性,或者通过低频rTMS抑制健侧iM1, 从而降低半球间不平衡程度。脑卒中患侧大脑皮质脊髓通路的严重损伤限制了其iM1功能,而cHMC(对侧高级皮质)却可以通过广泛的双侧半球连接,甚至在缺乏足够的神经连接情况下通过交替的、不交叉的通路作用于患侧,对患侧上肢运动产生积极影响。对于慢性严重运动功能丧失的脑卒中患者而言, cHMC靶点是一个更可取的rTMS刺激位点。

为进一步明确rTMS与CCFES序贯形式,张蓉等[22]将80例脑梗死患者随机分为4组分别为仅常规治疗的对照组, rTMS与CCFES同步治疗组, rTMS后迟1 h后进行CCFES的延后1 h组, rTMS后迟3 h后进行CCFES的延后3 h组。于治疗前、治疗后10 d分别评定4组患者运动诱发电位波幅、中枢运动传导时间、Fugl-Meyer运动功能评分上肢部分及改良Barthel指数,结果发现rTMS后1 h辅助以CCFES治疗效果最优,延后3 h次之,而同步治疗组与对照组治疗后结果无统计学差异。rTMS与CCFES同步进行未能显著改善脑梗死患者的功能,考虑有2种原因,一是rTMS与CCFES联用,诱发交互作用,对大脑起到抑制作用[23]; 二是激活大脑内环境稳态机制,为防止皮质网络短时间内过度兴奋,大脑兴奋效率出现下调[24]。延时1 h组治疗周期结束后得到最显著的运动功能与生活独立性改善,可归因为: 在rTMS上调运动神经元效用时间窗内辅助以CCFES类增强外周神经兴奋性的训练,可产生中枢-外周相互促进的闭环治疗效应。

为分析中风康复期间运动练习量,以及可能影响练习的剂量因素对治疗结果的作用,国外学者[25]对严重运动功能损伤的脑卒中患者应用CCFES开展了312次训练研究,研究结果表明增加CCFES过程中技能参与的运动控制训练时长,可以进一步改善治疗结果。后有研究者提出CCFES与VR的联合可将两者优势叠加升华,利用意图驱动运动、双侧神经活动与重复运动诱发动作出现、最大限度保持患者的注意力、以任务目标激励驱动运动技能等原理扩大联合疗法的治疗效果[26]。

总之, CCFES联合治疗对患者整体功能的改善与转化一定程度上优于单一方案。

3 集成穿戴设备

精确的信号收集、传导是CCFES治疗中的必要条件,然而CCFES皮肤电极在接受肌电信号时易被油脂、汗液等因素干扰,所以增强信号采集敏感性、确保信号准确传输尤为重要。

KNUTSON J S等[27]对67例偏瘫患者应用CCFES促进肘关节、手指关节伸展功能的随机对照研究中,通过在偏瘫患者健肢肘后侧和手指背侧适配关节弯曲感受器,发现关节弯曲传感器更好地收集了双侧运动过程中健侧上肢及手指关节的位置信息,确保健侧肘关节与手指关节产生最大程度的伸展活动,从而使得患侧被给予最大强度的电刺激,达到提高患侧、健侧运动同步化的目标。

弯曲传感器组成的CCFES训练系统常需要复杂的校准,并且容易产生数据偏移。一种基于激光雷达的手部CCFES训练系统[28], 可以有效区分4种常用的偏瘫训练手势,包括手指伸展、握拳、手腕背伸和手腕掌曲。较短的姿势识别时间可以协助患者更有效地同步健患双侧手势。外周刺激伴随受试者的运动意图同频出现,可以上调皮质脊髓对受刺激肌肉的兴奋性,从而使患者更容易地恢复患侧运动功能。

但目前设备还无法适用于腕手屈肌肌张力等级超过改良Ashworth1+级的患者。未来的设备改良可在缓解高肌肉张力方面着手,例如在患侧增加气动手套,实现诱发高屈肌张力患者出现手指伸展动作的目标。

4 局限与展望

就原理、应用情况而言, CCFES是一项适宜的卒中后诱发功能、强化功能的训练方法。就介入时期及治疗周期而言,在脑卒中发病早期,足疗程地介入双侧运动,给予患侧大脑更多的运动与感觉输入,从而降低健侧大脑半球对患侧大脑半球的抑制程度,促进半球间平衡,增强患侧运动皮层区域的激活[29]。

但就评价体系而言,大多数研究所采用的评估量表如Fulg-Meyer、关节活动度AROM、肌力、肌张力等,较主观且难以精确定量,缺乏客观的指标以减少干扰。近年来常被用于康复客观评价的手段有: 外周多采用表面肌电[30](sEMG), 通过将皮肤感应电极放在靶肌肉表面,动态记录单个或一组肌群收缩时的肌电信号,客观即时地将肌肉电信号数字化、量化[31]; 中枢的可塑性变化可尝试使用经颅磁检测治疗前后患者的运动诱发电位波幅、中枢运动传导时间变化或者功能型磁共振检测大脑的脑区激活迁移及脑区活跃程度[32]。可将上述客观化评定应用于CCFES治疗方案中,以精确量化地阐明患者的神经恢复机制。

CCFES集成设备是未来深化研究的方向,如与VR联合,在训练中融合情景游戏或日常生活任务,将运动控制、认知、情绪加入达到丰富康复的目的,如添加激光雷达系统,优良的肌电信号采集系统可更好地辨识健侧姿势,便于优化双侧运动同步性。

综上所述, CCFES还需要更早地介入治疗,更客观地评估体系应用,更优良的设备集成以准确执行治疗过程,更完善的治疗方案以适用不同障碍程度的患者,更长期的治疗后随访以了解其疗效。