本篇学习报告基于期刊Frontiers in Neuroscience（中科院一区，IF=4.3）在2023年2月接收的文章《Motor imagery brain–computer interface rehabilitation system enhances upper limb performance and improves brain activity in stroke patients: A clinical study》，本篇论文主要研究了MI-BCI康复训练对脑卒中患者上肢运动功能和大脑活动的影响，通过对MI组和对照组的康复治疗和数据采集，发现MI-BCI康复训练可以显著提高脑卒中患者的上肢运动功能，并且可以改善大脑活动。这些结果表明MI-BCI康复训练是一种有效的康复治疗方法，可以帮助脑卒中患者恢复上肢运动功能。

一、研究背景

脑卒中是一种常见的神经系统疾病，其主要症状之一是肢体运动功能障碍。传统的康复治疗方法包括物理治疗、药物治疗和手术治疗等，但这些方法存在一些局限性，如治疗效果不稳定、康复时间长、费用高等。

随着脑科学和计算机技术的发展，越来越多的BCI研究关注于解码与全身运动学/动力学、运动想象、各种感觉以及神经假肢和神经康复设备相关的EEG信号。MI-BCI是一种主动交互模式，可以通过招募和增强未受损神经元的活动来促进受损脑区域和神经通路的重组。MI-BCI不仅可以帮助肢体运动障碍的人有效地控制外部设备，还可以为脑卒中患者的康复治疗提供新策略。

本研究设计了一种MI-BCI康复应用系统，使用EEG和视觉、听觉、肌电刺激反馈，将40名脑卒中患者随机分为MI组和对照组，比较两组的临床评分、NCCT和EEG，验证MI-BCI系统在脑卒中患者上肢康复中的可行性和有效性。 

二、实验原理

1. 研究对象

研究对象的选取需要满足以下两个标准，最终选出40名患者并根据随机分配方法和个人意愿将患者分为MI组（20例）和对照组（20例）

1）纳入标准：符合中国急性缺血性脑卒中诊断和治疗指南2019版的诊断标准，35-70岁，无明显认知功能障碍，处于良好的精神状态，未接受正规的运动想象治疗。

2）排除标准：危重患者、各种原发性恶性肿瘤、严重心脏、肝脏、肺脏、肾脏、内分泌、血液、免疫系统等严重疾病患者，关节炎、类风湿、骨折等影响上肢运动功能的疾病或症状，精神异常或相对抗拒治疗的患者。

2. 数据采集和预处理

本实验对脑卒中患者进行情景脑电采集和上肢康复训练，使用64通道EEG系统和功能性肌电刺激设备，收集EEG和肌电信号。如图1所示MI-BCI上肢康复系统，EEG数据采集过程中，使用了国际扩展10-20系统的28个电极，采样频率为1000Hz。肌电数据则通过Pico EMG传感器从16块肌肉进行采集。图1（A）是理想的MI-BCI 系统，图1（B）是实际使用的情况图。

图1  

MI组接受了MI-BCI康复训练和常规康复训练。在MI-BCI康复训练期间，患者坐在舒适的椅子上，观看上肢日常动作的动画。这些动画包括抓握、放置、举起、放下、旋转等动作。脑电信号采集系统识别患者的信号，然后将其转换为运动命令，控制肌电刺激系统刺激患者的肢体肌肉。专业的康复理疗师协助患者完成动作，并确保患者避免非主观性的动作，如瘙痒、咳嗽、打哈欠和眨眼等。患者每天接受45-60分钟的治疗，每周5天，为期3周。除了MI-BCI康复训练外，MI组还接受了常规康复训练，包括平衡训练、站立训练、行走训练和日常生活能力训练。理疗师根据患者的情况调整康复计划，并评估训练效果。对照组只接受常规康复训练，其训练时间、频率和内容与MI组相同。

3. 功能评估

研究使用了多种评估工具来评估患者的康复效果。主要的评估工具包括Fugl-Meyer评估（FMA）和运动评定量表（MAS），以及大脑中动脉高密度征 (HMCAS)。此外，还使用了脑部地形图来直接反映大脑的神经活动情况。

1. Fugl-Meyer Assessment (FMA)：用于评估MI组和对照组患者的上肢运动功能，忽略了患侧的上肢感觉、 被动关节活动度和疼痛部分，以及反射部分，仅使用上肢部分的33个项目进行评估，每个项目的总分为0-2分，总分为0-66分，其中肩部和肘部得分为34分，手腕和手部得分为22分，运动协调得分为10分，总体得分越高，表示上肢运动功能越好。
2. 运动评定量表(MAS)：用于评估身体的综合运动功能和肌肉张力，能有效观察受影响一侧的感觉运动的治疗效果和康复情况。该评估仅使用四个项目：上肢功能、手部功能和一般肌肉张力，忽略了姿势变化和步行等五个功能。每个项目的得分范围为0-6分，总分范围为0-24分。较高的得分表示上肢的综合运动功能更好。
3. 大脑中动脉高密度征(HMCAS)：指在非对比CT（NCCT）扫描中，患病的脑动脉相对于对侧动脉呈现出更高的密度信号。这一征象表明脑动脉闭塞，通常与脑梗死在受影响区域有关。NCCT扫描可以根据可见血管区域的密度变化区分脑出血和缺血，并提示患者存在急性血栓形成和血流受阻的风险。HMCAS的高密度信号可能导致急性血栓形成，进而导致血流缓慢、淤滞和甚至动脉闭塞。简之，HMCAS是NCCT扫描中脑动脉闭塞的放射学指标，提示受影响区域可能存在急性脑梗死。它有助于区分脑出血和缺血，并提示患者存在急性血栓形成和血流受阻的风险。
4. 临床疗效评估：中国脑卒中患者的神经功能缺陷评分被用作评定疗效的标准。功能损伤评分包括FMA、MAS和HMCAS。当其中三项中有两项达标时，患者被纳入相应级别。完全康复：残疾等级为0，功能损伤评分减少91%至100%；显著康复：残疾等级1-2，功能损伤评分减少46%至90%；一般康复：残疾等级3-4，功能损伤评分减少18%至45%；无变化：疾病无改善；恶化（包括死亡）：功能损伤评分较康复前增加。康复训练后，一般康复、显著康复和完全康复可被视为有效康复；无变化或恶化可被视为无效康复。
5. 脑部地形图：是一种以不同颜色代表脑波各频带功率数值的头皮球面图。当大脑皮层的某一区域被各种因素激活时，该区域的血流和代谢活动随着激活强度的增加而改变。随着刺激的增加，大脑信息调节的效果减弱，α和β频带的脑电信号幅度减小，这被称为事件相关去同步（ERD）。相反，在休息状态下，大脑信息调节效果提高，脑电信号谱振幅的现象被称为事件相关同步（ERS）。ERD和ERS可以通过脑部地形图来表示。
6. 统计分析：采用了SPSS 26.0进行数据分析。当双侧p值<0.05时，差异被认为具有统计学意义，使用Shapiro-Wilk检验检验定量数据的正态性。符合正态分布的测量数据以(x ± s)表示。定性数据则通过案例数和组分比（n [%]）进行描述。采用t检验比较连续变量的差异，采用χ2检验比较分类变量的差异。

三、结果分析

表1描述了研究对象的基本信息，包括MI组和对照组的性别、年龄、病程等方面的情况。MI组包括8名男性和12名女性，年龄范围为40-72岁，平均年龄为61.5岁，病程范围为14-38天，平均病程为20.1天。对照组包括9名男性和11名女性，年龄范围为38-67岁，平均年龄为61.0岁，病程范围为16-40天，平均病程为20.6天。作者还指出，MI组和对照组之间的差异在统计学上没有显著性（P>0.05）。

表1

如表2所示比较了康复训练前后运动想象（MI）组和对照组的总Fugl-Meyer评定（FMA）得分。表格列出了康复训练前后MI组和对照组的平均FMA得分，以及差异和统计显著性（t值和p值）。结果表明，在康复训练后，两组患者的总FMA得分均显著提高，差异具有统计学意义（p < 0.05）。

表2

如表3所示比较了康复训练前后运动想象（MI）组和对照组受影响侧的运动评定量表（MAS）得分。表格列出了康复训练前后MI组和对照组的平均MAS得分，以及差异和统计显著性（t值和p值）。结果表明，在康复训练后，两组患者的MAS得分均高于治疗前，差异具有统计学意义（p < 0.05）。

表3

如表4所示，大脑中动脉高密度征象是大脑动脉闭塞引起的脑梗死的间接征象。高密度成分表示脑动脉腔内的血块、血栓或栓子。血流CT值约为40Hu，与血红蛋白浓度呈线性相关。康复治疗前NCCT动脉高密度征象较高，康复训练治疗后两组NCCT动脉高密度征象值均低于康复治疗前，且MI组低于对照组，差异均有统计学意义(P < 0.05)。

表4

如表5所示，完全康复、显著康复和一般康复均可视为有效康复;没有变化或恶化可视为无效康复。心肌梗死组总有效率为95%(19/20)，高于对照组(75%，15/20)。

表5

在研究中，通过对触觉刺激反馈下的EEG信号的空间频谱特征进行分析，计算了每个通道的平均功率谱密度（PSD），并将PSD值映射到地形图上，以确定脑振荡的空间频谱特征，研究提取了所有受试者在典型频率范围（8-30 Hz，alpha：8-13 Hz，beta：14-29 Hz）的事件相关谱扰动功率，并绘制了脑部地形图。如图2研究结果显示，在进行了3周的MI-BCI、EMG刺激和反馈的康复训练后，与被动常规康复相比，患者在8-30 Hz的频段（alpha波和beta波）上表现出显著更高的事件相关去同步（ERD），表明大脑积极参与了身体活动。此外，研究还发现，在运动想象期间，双肢的PSD地形图相似，双侧感觉皮层区域被激活。对比康复前后两组的脑部地形图，完全康复患者对MI-BCI刺激的反应最强，显著康复患者次之，一般康复患者没有明显反应，无变化患者则没有反应。研究结果表明，积极参与的MI-BCI和FES上肢康复系统能够有效地调动患者的多传感器参与康复治疗，其康复效果显著优于被动常规治疗。然而，并非所有患者都对MI-BCI康复系统产生治疗效果，这可能与脑卒中患者大脑特殊情况、注意力集中程度以及运动功能障碍等因素有关。

图2

研究结果表明，基于闭环反馈的MI-BCI上肢康复系统可以促进患侧运动功能的恢复并引起大脑神经的变化。这些结果验证了MI训练后，中风患者的运动皮层激活程度和相关皮层功能网络的连接水平得到了显著改善。与常规康复训练相比，通过运动想象和FES实现了大脑、肌肉和神经的主动诱发刺激，从而提高了康复效果。

四、总结

本研究发现MI-BCI康复训练可以有效改善中风患者的运动功能，多感官刺激反馈，包括视觉、听觉和触觉刺激，可以增强康复效果。该研究使用临床评分和脑电图地形图来全面评估MI-BCI的康复效果，结果显示MI组的评分显著高于对照组。研究还发现，积极参与MI-BCI康复训练可以有效促进神经重塑，改善康复效果。然而，中风患者的脑损伤、运动功能障碍、言语障碍和痉挛等不良因素可能影响脑电图采集的准确性和MI-BCI康复疗法的有效性。

撰稿：罗伟贤

审稿：梁瑾