基于 fNIRS 研究不同类型运动对右半球损伤患者上肢功能恢复的影响

摘要

在这里，我们研究了功能性职业治疗联合辅助主动或被动运动对右半球损伤患者上肢功能的影响，并探讨了功能性近红外光谱对脑功能重塑的影响。

摘要

通过分析功能性近红外光谱 （fNIRS），探讨功能性职业治疗 （FOT） 联合不同类型运动对右半球损伤 （RHD） 患者上肢运动功能恢复和脑功能重塑的影响。招募北京博爱医院的 RHD 患者 （n = 32） 并随机分配接受 FOT 联合被动运动 （N=16） 或 FOT 联合辅助主动运动 （N=16）。被动运动组 （FOT-PM） 每次接受 20 min 功能性职业治疗和 10 min 被动运动，辅助主动运动组 （FOT-AAM） 接受 20 min 功能性职业治疗和 10 min 辅助主动运动。两组均接受常规药物治疗和其他康复治疗。治疗每天进行一次，每周 5 次，持续 4 周。治疗前后使用 Fugl-Meyer 评估上肢 （FMA-UE） 和改良 Barthel 指数 （MBI） 评估运动功能和日常生活活动 （ADL） 的恢复情况，并用 fNIRS 分析双侧运动区的脑激活。研究结果表明，FOT 联合 AAM 在改善 RHD 患者上肢和手指的运动功能、提高日常生活活动能力以及促进运动区脑功能重塑方面比 FOT 联合 PM 更有效。

引言

大脑半球损伤可导致对侧肢体的感觉和运动功能障碍 ^1,2,3，^对患者的运动控制、活动和功能学习产生不同程度的负面影响⁴，从而给家庭和社会带来沉重的负担⁵。对于右半球损伤 （RHD） 患者，恢复速度不尽如人意。然而，在大多数 RHD 病例中，受影响的左肢位于身体的非优势侧，没有得到患者和护理人员的充分关注。鉴于上肢和手功能障碍严重影响日常活动能力和生活质量，需要一种更合适的方法来改善 RHD 患者上肢功能的康复效果 ^6,7,8,9,10。

运动疗法是帮助患者恢复肢体功能的重要方法。对于脑损伤患者的早期康复，通常采用被动运动 （PM） 和辅助主动运动 （AAM） 训练方法。AAM 需要通过自身肌肉力量和外部帮助的结合来完成特定关节的活动¹¹。关键是患者积极参与辅助康复。人脑的激活准备可以帮助刺激和整合运动系统到运动控制的循环中。许多研究表明，AAM 可以诱导神经可塑性变化，从而导致患者功能恢复增加^12,13。

功能性近红外光谱 （fNIRS） 是一种基于光学原理的成像技术。根据组织中光衰减与光吸收物质浓度不同的相关性，fNIRS 可以定量分析脑组织中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化，从而监测大脑皮层的功能活动¹⁴。许多研究表明，fNIRS 是监测大脑半球损伤后脑氧合和能量代谢的重要手段 15,16,17。因此，fNIRS 可能是研究脑半球损伤后与上肢运动功能恢复相关的大脑皮层变化的合适监测方法。

不同感觉输入方法产生的运动信号和感觉皮层的调整状态是不同的^18,19。被动和主动运动产生的感官刺激与感知的稳定性和构建对环境的准确表征的能力密切相关，从而指导一个人的行为²⁰。本研究旨在通过分析 fNIRS 数据，探讨不同运动方式对脑半球损伤患者早期上肢康复和脑激活的影响，为未来患者的综合康复提供科学策略。

本研究的目的是探讨 FOT 联合不同类型运动对 RHD 患者上肢功能和大脑重塑的影响。我们假设 FOT-AAM 在改善 RHD 患者的上肢功能和大脑激活方面比 FOT-PM 更有效。

研究方案

本研究为单盲随机对照试验，经中国康复研究中心伦理委员会 （CRRC-IEC-RF-SC-005-01） 批准，并在中国临床试验注册中心 （MR-11-23-023832） 注册。

1. 参与者

1. 根据现有文献²¹，以实验组和对照组治疗 4 周后报道的 Fugl-Meyer 评估上肢 （FMA-UE） 评分为标准，计算样本量。当估计效应量为 0.28、检验水平 （α） 为 0.05、Z 值的双侧分布和功效 0.8 时，计算的样本量为 28。假设 dropout 率为 10%，最终必要的样本量为 32。
2. 从中国康复研究中心职业治疗科招募患者。根据以下纳入标准选择患者： 首次发作右半球损伤 （RHD） 的诊断;3 个月内起效时间;年龄在 18 至 75 岁之间;简易精神状态检查 （MMSE） 评分²²> 20;Brunnstrom I 期或 II 期²³ 用于上肢和手部;和右撇子。
3. 排除有明显抑郁、焦虑或并发严重躯体疾病的患者和不配合训练的患者。
4. 仅包括在研究前签署知情同意书的参与者。招募流程图如图 1 所示。

2. 随机化和分配

1. 将符合实验标准的患者随机分配到实验组 （EG） 和对照组 （CG）。指派一名不参与受试者评估或选择的治疗师使用计算机上的随机数据生成器 （https://www.randomizer.org/） 执行随机化程序。

3. 干预

1. 给两组进行常规药物治疗和常规康复治疗。每天给所有患者 20 分钟的功能性职业治疗 （FOT） 和 10 分钟不同类型的上肢锻炼（EG 进行主动辅助运动，CG 进行被动运动），每天总共 30 分钟，每周 5 天，持续 4 周。为确保干预的一致性，请选择一名治疗师来执行所有干预，并为该治疗师提供研究前培训。
2. 功能性职业疗法 （FOT）：
   注意：患者使用受影响手指的掌指关节和指间关节进行由健康一侧的手套驱动的手指抓握动作。
   1. 让治疗师被动地移动患肢的肩膀、肘部、手腕、拇指和手指约 1 分钟。
   2. 被动运动后，指导患者使用健侧肢体和手驱动患肢和手进行活动，例如推动泡沫轴、举起木钉、举起小木棍和握球。根据患者的情况，每次训练选择 2 到 3 项活动。
3. 辅助主动运动 （AAM）
   1. 为将要训练的手部选择康复训练设备。该设备旨在帮助患者进行被动或主动运动。选择 Smart Mirror Mode 并将 Time 设置为 10 分钟。询问患者的感受，并根据患者的经验和容忍度从 1-10 级中进行选择。然后点击 Start 开始 按钮。
   2. 当未受影响的手进行自愿抓握时，指导患者观察运动并尝试在手套的帮助下用受影响的手抓握（图2A）。
   3. 由于健侧手是自愿张开的，因此指导患者观察运动，并尝试在手套的帮助下张开患手的手指（图2B）
      注意： 当未受影响的手抓握时，未受影响的手套上的传感器无法检测到阻塞的光信号，未受影响的一侧的手套将被触发抓握。当健患手套张开时，健患手套上的传感器会检测到光信号，并触发健患手套上的手套张开。
   4. 循环重复上述过程 10 分钟，之后设备将自动结束训练过程。
4. 被动运动 （PM）
   1. 让患者使用相同的设备进行被动抓握和手部张开。将相应的手套戴在患手上。选择 被动模式，将 时间 设置为 10 分钟，根据患者的感觉将强度从 1-10 级调整，然后单击 开始 按钮。
   2. 指导患者保持放松，并在手套的帮助下闭合和打开受影响的手（图 2C）。让患者继续 10 分钟，之后设备将自动结束训练。

4. 评估

1. 让另一位治疗师进行临床评估，而不是对小组作业视而不见。让这位治疗师对每位患者进行评估两次：一次在干预前，一次在干预 4 周后立即。
   1. 收集患者基本信息，包括年龄、性别和受伤类型。
   2. 使用上肢 Fugl-Meyer 评估 （FMA-UE） 评估干预前后的上肢运动功能²⁴。此外，使用 FMA （FMA-WH） 的手腕组件来评估患者的手部功能。
   3. 使用改良的 Barthel 指数 （MBI） ²⁵ 评估进行日常活动的能力。
   4. 使用 fNIRS 监测被动运动任务期间初级运动区域的激活。
   5. 功能性近红外光谱数据采集
      1. 获得研究型近红外脑功能成像系统，用于收集 fNIRS 数据。这种系统使用三种波长的近红外光（780、805 和 830 nm）来监测氧合血红蛋白 （Δ[Oxy-Hb]）和脱氧血红蛋白 （Δ[Deoxy-Hb]）浓度和总血红蛋白浓度 （Δ[Hb]）的变化;其采样率为 13 Hz。
      2. 按照国际 10-20 系统，在双侧初级运动皮层（M1）上放置 4 个光源发射器和 4 个探测器，共 20 个通道。具体位置见 图 3 。
   6. 任务程序
      1. 如步骤 4.1.6.2-4.1.6.9 所述，在模块化范式（休息 [15 s] - 任务 [30 s] - 休息 [15 s]）中连续 5 次试验进行 fNIRS 评估（见图 4）。
      2. 打开 fNIRS 计算机界面并输入患者的基本信息。然后，选择 2X4（R）、2X4（L） 的光电排列方式。选择 15-30-15 任务范例，并将评估时间设置为 5。
      3. 根据光电的布局，将近红外系统设备放置在患者身上。调整发射器和检测器的位置，小心去除毛发，使光灯与头皮紧密接触。调整完成后，单击 OK 按钮。
      4. 进入系统自动信号调整界面，点击 Standby，调整所有通道显示绿色（信号良好）。
      5. 将手套戴在患者患手上。选择 Passive Exercise 模式。由于训练频率会随力量而变化，因此在测试期间为每个科目选择平均力量，即 5 档。
      6. 点击 Start 开始 fNIRS 计算机界面上的按钮。分 3 个阶段执行任务。测量 15 秒的初始静止阶段，从 15 秒到 0 秒倒计时。在这个过程中，指导病人安静地坐在椅子上，保持静止，尽量不要想其他事情，让大脑处于放松的状态。
      7. 当时间倒计时到 0 秒时，单击手持设备的 开始 按钮。患者受影响的手将在手套的帮助下开始被动抓握和张开动作。此时，计算机将从 30 秒开始倒计时，这是被动运动的持续时间。当倒计时达到 0 秒时，点击手持设备的 Stop 按钮结束锻炼。抓取和打开的频率由设备设置;在 30 秒的任务中，将完成 3 次抓握和打开的 3 次循环。
      8. 如前所述开始另一个 15 秒的休息时间。此间隔过后，第一个 rest-task-rest 测试结束。
      9. 重复上述 rest-task-rest 测试 5 次，然后结束 fNIRS 测试。
   7. 近红外数据分析：
      1. 对于此分析，请使用安装在 fNIRS 系统中的数据分析软件，如下所述。
      2. 消除所有通道中由严重运动伪影和丢弃的数据引起的异常值数据。
         注意：执行此协议时，消除了 EG 中的 1 个异常值、CG 中的 1 个异常值和 CG 中的 2 个数据丢失情况。
      3. 丢弃任何具有明显运动伪影的通道。
      4. 分别对左右声道（每侧 10 个声道）进行叠加平均。
      5. 使用带通滤波器 （0.01-0.08 Hz） 去除信号中具有明显周期性波动的噪声分量，包括机械噪声和生理噪声。必须消除的生理噪声类型包括心率（约 1 Hz）、呼吸（约 0.2-0.3 Hz）、迈耶波（约 0.1 Hz）和极低频率的生理波动（<0.01 Hz）。
      6. 以实验任务开始前后的 15 s 为基线，取一个块（休息 [15 s]-任务 [30 s]-休息 [15 s]）为测试单元。叠加 5 个块并取平均值。
      7. 使用 Savitzky-Golay 方法进行平滑。将平滑点数设置为 5，将平滑次数数设置为 1²⁶。
      8. 预处理后，计算积分和质心值。
      9. 使用 Shapiro-Wilk 检验 （Shapiro-Wilk， SW） 检验两组干预前后质心值的正态性、积分值及其差异;如果得到的 P 值为 >0.05，则考虑正态分布的数据。
      10. 使用独立样本 t 检验比较干预前后两组之间的数据。使用配对样本 t 检验比较干预前后两组内的质心值和积分值。

5. 统计

1. 使用 SPSS 进行统计分析。
2. 使用 SW 检验检验数据的正态性。
3. 使用 Fisher 精确检验或独立样本 t 检验比较每组中患者的一般数据。
4. 使用重复方差分析比较组间和组内的行为数据，并将其描述为平均值±标准差。

讨论

本研究利用近红外光谱技术，探讨了不同运动模式下 FOT 联合上肢功能训练对 RHD 患者早期康复的影响。FOT 帮助患者被动地移动僵硬的上肢，以促进后续的训练。关键是健康的手会引导患手执行有目的、重要和实用的功能任务，使用现实生活中的物体，并尽可能多地模拟真实场景²⁸。这可以激发患者对治疗的热情，并最大限度地发挥患者的主动运动。AAM 最关键的一点是患者的运动是由未受影响的肢体和手驱动的，而患肢和手会自发地主动尝试，这是区别于被动运动的最重要特征。康复设备为患者提供实时视觉和触觉反馈，并在康复训练中完成中枢神经系统和外围之间的闭环²⁹。

康复任务的训练不涉及复杂的技术，但在评估 fNIRS 患者时需要考虑许多注意事项。为了确保良好的 fNIRS 信号并防止运动伪影干扰测试结果，我们通常会在受试者前面的桌子上放置一个头部支架。我们调整桌子的高度，使拍摄对象的下巴靠在头枕上而不会引起不适。这有助于减少运动过程中的头部摇晃。此外，头皮上的皮肤油脂会影响光信号;因此，我们在实验前用吸油纸擦去患者头部的油脂，以确保信号质量。根据以往的经验，我们还发现，减少自然光和声音的影响可以提高 fNIRS 信号的收集;因此，我们在黑暗和安静的环境中收集所有数据³⁰.

既往研究表明，MT 可以有效改善中风后手指的灵活性 ³¹，尤其是对于亚急性患者的上肢康复³²，因此在脑半球损伤后恢复运动功能和提高日常活动能力方面显示出巨大的前景 33,34,35,36.当患者移动他们未受影响的手臂时，由镜子形成的视错觉被患者认为是他们受影响的手的运动，这增加了他们的视觉和体感皮层区域的活动，从而增强了患者的注意力并减少了单侧忽视的可能性^37,38。这样，患者可以有意识地选择更频繁地使用受影响的肢体³⁹。在传统 MT 的基础上，我们通过 AAM 设备直接向患肢提供体感刺激和视觉反馈，减少了患手本体感觉和视力不同步引起的不愉快感觉⁴⁰，从而显示出比传统 MT 更广泛的治疗潜力。我们的培训设备具有简单的操作程序和强大的安全性，可选择通过单击关闭按钮立即停止培训，以避免在测试期间可能发生的紧急情况。此外，一些研究表明，MT 可以通过调节 M1 的兴奋性来促进卒中后半球平衡的正常化。在后续研究中，我们将使用 fNIRS 评估大脑皮层的静息态功能连接，以进一步验证 RHD 患者治疗后大脑半球的变化⁴¹。

这项研究有几个局限性。首先，为近红外光谱测试选择的任务范式是被动的，而大脑激活可能更多地发生在主动运动中。因此，主动尝试的任务范式可能比被动移动更合适。其次，我们只监测了 M1 区域，但 MT 还增加了涉及注意力分配和认知控制区域的神经活动，这可以通过增加运动控制中的认知作用来促进运动功能的恢复⁴²;因此，可能还需要监测前额叶血流动力学。此外，由于住院患者的治疗计划数量众多，每天仅进行 10 分钟的手部康复训练。今后应延长训练时间，以更好地探索康复效果。需要后续研究来观察这种培训的长期效果。未来，大样本多中心研究有望为早期 RHD 患者提供最合适的康复策略。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Hand Active Passive Rehabilitation Trainer	Soft Robot Technology Co., Ltd.	H1000	FOT-AAM group training/FOT-PM group training
Near-Infrared Brain Functional Imaging System	Shimadzu (China) Co.,Ltd.	LIGHTNIRS	Assessment