实时触觉反馈装置对卒中后手指功能障碍感觉运动整合的影响：单病例实验多基线研究

《Neurology International》：Tactile Feedback Device Effects on Sensory-Motor Integration in Post-Stroke Finger Impairment: A Single-Case Experimental Multiple-Baseline Study

　　

背景/目的：卒中后功能障碍（PSI）常导致上肢感觉运动缺陷，包括感知指尖摩擦力的能力下降，从而限制精细运动。研究人员评估了一种触觉感觉替代装置（"Yubi-Reco"）的效果，该装置通过振动将实时指尖摩擦信息传递至双侧颞骨，并探索PSI中潜在的神经生理变化。方法：本研究采用单病例实验多基线设计。三名PSI患者完成了为期15天的AB阶段方案。基线期（A）由每日感觉运动任务组成，不使用Yubi-Reco；干预期（B）在相同任务中加入通过Yubi-Reco提供的实时摩擦反馈。结局指标包括脑电图（γ功率）、Purdue钉板测试、手指麻木数字评定量表（NRS）、运动活动日志-14（使用量[AoU]、运动质量[QoM]）及能动感（SoA）。效应量采用Tau-U计算。结果：Purdue钉板测试表现观察到非常大的变化（Tau-U = 0.80），手指麻木NRS评分观察到大的变化（Tau-U = 0.79）。病例I显示额区和中央区γ功率增加，病例II表现为右侧额区和顶区附近相对衰减，病例III显示双侧中央区γ功率降低，提示记录位点附近存在神经生理改变。所有参与者的AoU和SoA均有改善。两例AoU超过最小临床重要差值（0.5分）。结论：使用Yubi-Reco的实时感觉替代反馈可能改善PSI患者的上肢感觉运动功能，并诱导初步的神经生理变化。该干预似乎增强了精细运动能力和SoA，并与感觉运动网络间初步的、探索性的神经生理转变相吻合。

研究背景：卒中后功能障碍（post-stroke impairment，PSI）是卒中的严重且常见后遗症，表现为上肢感觉运动功能障碍及手指感觉运动损伤，严重影响日常生活能力和生活质量。感觉反馈对促进PSI后功能恢复至关重要，在有目的的运动中反复激活感觉反馈可增加运动皮层兴奋性并改善运动训练表现。当运动意图与感觉反馈同步处理时可支持能动感（sense of agency，SoA）的产生，反馈延迟超过200 ms即开始削弱SoA。然而，现有感觉反馈干预对PSI的康复效果有限，提供与手指垫和物体间运动摩擦相对应的连续反馈刺激存在困难。研究人员此前已通过单病例研究证明了实时触觉感觉替代的概念可行性，但缺乏严格的内部效度验证和定量神经生理评估；后续多基线设计（multiple-baseline design，MBD）研究针对颈段脊髓损伤，未在卒中人群中验证；且该研究的脑电图（electroencephalography，EEG）分析仅限于中线通道，而卒中脑病理涉及半球病灶和潜在半球间代偿，需要详细评估半球偏侧性。为此，本研究旨在通过在三名卒中患者中应用交错MBD建立内部效度，同时在MIDLINE和双侧电极通道进行定量EEG分析，评估实时摩擦反馈（Yubi-Reco）对手部精细操作、感觉症状、日常手部使用和SoA的治疗效果，并纵向追踪神经动力学。研究假设：（1）引入B阶段将诱导超越基线趋势的阶段依赖性功能增益和感觉缓解；（2）实时反馈将增强真实世界手部活动（MAL-14）和SoA；（3）纵向EEG分析将揭示严重程度和区域依赖性的γ带调制，捕捉中线和偏侧化半球间神经生理转变。

研究方法：研究采用单病例实验多基线设计。参与者处于亚急性至早期慢性恢复阶段，发病间隔约69、86和142天。从康复科住院和门诊患者中依据预设纳入排除标准筛选候选人，采用便利抽样。通过MMSE（≥27）和连线测验A部分（TMT-A < 60 s）确认无高级脑功能障碍。病例I、II、III的基线期分别为4、5、8天，干预分别于第5、6、9天开始。所有参与者瘫痪手指Brunnstrom恢复阶段≥II。手指麻木严重程度采用11点NRS评估（0=无麻木，10=最严重麻木）。运动损伤采用上肢Fugl-Meyer评估。干预方法：Yubi-Reco（Tech Gihan Co., Ltd.，日本宇治）是一种触觉反馈装置，以1000 Hz采样接触摩擦，调制成振动刺激（50–250 Hz），通过双侧颞部执行器呈现，系统延迟<15 ms。振动检测传感器缠绕于食指远端指间（distal interphalangeal，DIP）关节，调制后的振动信息通过附着于双侧颞骨的振动器呈现。每日干预包括三项感觉运动任务，各10分钟（每次共30分钟），在严格一对一治疗师监督下进行：（1）方块堆叠（10分钟，注重抓握-释放重复）；（2）钉操作（10分钟，力求最大精确钉插入）；（3）触觉辨别训练（10分钟，参与者主动辨别应用于食指掌侧指垫的表面纹理，五种粒度#40、#80、#150、#240、#400随机顺序呈现）。从B阶段起，受试者在执行每项运动任务时佩戴Yubi-Reco。纵向评估包括每日神经生理、运动和感觉功能评估；干预前后评估包括运动活动和真实世界功能转移评估。EEG在每次运动任务结束后立即记录1分钟，每日两次，在Peg任务期间进行，标准化采集时间表。EEG在安静环境中坐位放松状态下不使用Yubi-Reco记录。使用便携式脑电图仪（StEEG）（Creact Co., Ltd.，东京，日本），电极放置符合国际10–20系统，双侧耳垂为参考电极，8个位置：Fp1、Fp2、C3、C4、O1、O2、Fz和Pz，采样频率1000 Hz。感觉功能采用NRS作为手指麻木的主观指标，每日运动任务后评估一次。采用运动活动日志-14（Motor Activity Log-14，MAL-14）评估学习变化和上肢使用变化，评估14项日常活动的使用量（Amount of Use，AoU）和运动质量（Quality of Movement，QoM），均为6点量表（0–5）。此外，参与者对每项MAL-14条目进行SoA NRS评分（0=完全没有，10=极强地感觉自己在执行该运动）。安全性和可行性通过每次会话系统监测潜在不良事件评估。分析方法：采用独立成分分析（independent component analysis，ICA）作为预处理步骤分解混合EEG信号，使用MATLAB R2023b中EEGLAB工具箱的FastICA算法。为最小化高频γ带（40–100 Hz）中潜在的肌电（electromyographic，EMG）伪迹污染，参与者被明确指示在记录期间放松下颌和面部肌肉。原始EEG迹线在时频分析前进行视觉检查，系统剔除被瞬态高波幅肌肉爆发、尖锐肌电棘波或眼伪迹污染的时段。时频分解采用MATLAB R2023b中的连续Morlet小波变换。每个电极的功率谱密度以μV2/Hz计算，并转换为log10(power + 1)对数变换γ带功率值。提取γ带功率（40–100 Hz）评估神经活动，每个时间段和电极的γ带功率跨频率箱采用几何平均汇总为单一代表值。每日两次1分钟EEG记录的指标平均为每个电极的单一每日神经生理值。半球偏侧性分析电极包括FP1和FP2（额区）及C3和C4（中央区），中线活动采用Fz（额区）和Pz（顶区）评估。Tau-U计算用于确定效应量，源自Kendall秩相关和Mann–Whitney U检验，为非参数指标，量化阶段非重叠同时控制单调趋势。对于较低值表示临床改善的结局（如麻木NRS），评分反向编码使正Tau-U值一致反映有益干预效果。在评估总体干预效果前，评估A阶段的单调趋势；当识别到统计学显著基线趋势时，应用基线趋势控制。三例的联合Tau-U按每例配对比较数加权计算。效应评估分类：0–0.19为"无变化或小变化"，0.20–0.59为"中等变化"，0.60–0.79为"大变化"，0.80–1.00为"非常大变化"。Tau-U分析使用Single Case Study Web-Based Calculator for SCR Analysis（version 2.0），启用基线校正选项。电极水平γ带功率变化（Tau-U效应量）使用BrainNet Viewer映射。设备状态声明：本研究所用设备（Finger Recorder）为市售设备，未经任何监管机构批准为医疗器械。评估者盲法：由于单臂概念验证性质，结局评估由非盲物理治疗师进行。治疗保真度通过标准化操作清单严格一对一实施，所有会话方案依从性监测显示计划训练组件100%完成。

研究结果：（1）EEG γ功率变化：病例I显示γ功率增加，尤其在左侧额区位点（Fp1，Tau-U = 0.80）和中线额区位点（Fz，Tau-U = 0.53）附近。病例II在右侧额区位点（Fp2，Tau-U = ?0.30）附近表现出中等负向变化。病例III在右侧中央区位点（C4，Tau-U = ?0.68）附近显示大的负向变化。（2）Purdue钉板测试：所有病例总体改善（联合Tau-U = 0.80）。病例II（Tau-U = 0.86，p = 0.0101）和病例III（Tau-U = 0.86，p = 0.0065）观察到统计学显著改善，病例I显示描述性改善但未达统计学显著性（Tau-U = 0.62，p = 0.1172，90% CI [?0.027, 1]）。（3）手指麻木NRS：联合Tau-U指示大的总体效应量（联合Tau-U = 0.79）。病例I（Tau-U = 0.95，p = 0.0090）和病例III（Tau-U = 0.70，p = 0.0279）显示统计学显著变化。病例II显示大的效应量（Tau-U = 0.75），代表强统计学趋势而非传统显著性（p = 0.0662）。（4）日常功能和主观感知能动感：MAL-14（AoU和QoM）和SoA NRS在所有参与者干预B阶段后显示一致的积极转变。视觉分析显示功能改善、感觉症状缓解和神经生理转变直接依从于B阶段开始而非时间推移。病例III（8天基线）在延长基线期（第1–8天）Purdue钉板表现和麻木NRS评分保持稳定，B阶段第9天开始后表现即时水平变化和渐进改善。病例I和II同样显示与B阶段开始（分别为第5天和第6天）精确吻合的阶段依赖性水平变化，确认观察到的变化由Yubi-Reco干预驱动而非15天时间线内的自然恢复。所有三名参与者完成全程干预方案，无会话中断，未报告任何不良事件。

讨论部分总结：病例I中，EEG γ功率在双侧额区头皮电极（Fp1/Fp2，Tau-U：0.39–0.80）、右侧中央电极（C4，Tau-U：0.25）和中线电极（Fz/Pz，Tau-U：0.27–0.53）附近增加。体感区在大脑中精确再现手形，整合必要运动指令并选择性激活操作物体等活动所需的肌肉。运动前区、辅助运动区和前额叶皮层基于体感区接收的感觉信息准备和执行运动。双侧神经招募概率随瘫痪严重程度增加，手运动功能与双侧感觉运动皮层大小相关。B阶段中感觉运动区神经活动增加与精细任务对应的手指运动改善相关，可能与Peg测试中观察到的大变化一致。右侧中央电极位点（C4，Tau-U：0.25）显示出比对侧更大的效应，提示受影响感觉运动记录位点附近的电生理活动调制可能反映运动任务执行期间增强的神经招募，同时承认8通道EEG空间分辨率有限。关于感觉功能，前额叶皮层作用于下行疼痛抑制和疼痛调制系统。从基本神经回路模型外推，运动期间相关感觉输入可能允许感觉运动区抑制无关感觉噪声并强化关键反馈。因此，额区和中央电极通道的协调转变可能不仅与运动功能相关，还与感觉调制相关，可能反映麻木NRS中观察到的非常大变化。病例II中，EEG偏侧性评估显示B阶段右侧额区电极（Fp2）附近中等负向变化（Tau-U：?0.30），提示前额叶皮层γ波过度活跃可能与门控障碍相关。病例II提示右侧额区电极附近γ功率降低伴随NRS麻木的显著改善。中线评估中，顶区电极位点（Pz）附近也观察到中等负向变化（Tau-U：?0.32）。运动功能恢复良好的个体中，任务执行期间感觉运动区内神经激活据报道减少，反映更高的计算效率。如基本细胞神经生理模型所提示，运动执行期间高效的感觉运动处理被认为过滤冗余感觉输入。这些变化可能反映精细运动期间顶区记录通道附近更高效的感觉运动处理，与麻木抑制和精细操作改善相关。病例III中，右侧中央电极位点（C4）附近观察到大的负向变化（Tau-U：?0.68），左侧中央电极位点（C3）附近观察到中等负向变化（Tau-U = ?0.38）。此外，中线电极位点（Fz/Pz）附近观察到中等负向变化（Tau-U = ?0.27至?0.25）。虽然感觉运动头皮通道捕捉手指运动期间的关键电生理动力学，观察到的γ功率降低可能反映记录位点附近增强的神经效率——抑制冗余电生理招募和感觉噪声以改善运动表现。这些发现可能与中央记录通道附近优化的感觉处理一致，可能反映适应性运动策略伴随麻木感觉减少。此外，由于参与者进入研究时处于亚急性至早期恢复阶段（约69、86和142天卒中后）而非慢性期，自发神经恢复的潜在贡献必须与干预效果一并仔细考虑。虽然多基线设计中B阶段干预的交错引入有助于减轻时间依赖性内部效度威胁，观察到的功能和神经生理增益可能反映实时感觉反馈效应和持续自然神经恢复的组合。总之，γ功率的对比方向转变——病例I功率增加 versus 病例II和III功率降低——可概念化为严重程度依赖的神经生理适应谱。对于严重损伤（病例I），触觉反馈似乎促进记录电极附近额外感觉运动资源的招募。对于轻至中度损伤（病例II和III），γ功率衰减可能反映冗余电生理活动的抑制。而非提出确定性神经功能机制，"自下而上感觉整合"或"内部模型优化"等概念在此仅作为广泛的、概念性工作假设使用，以帮助组织这些电极水平观察以供未来研究。关于MAL，病例I和III的AoU在B阶段高于A阶段，超过最小临床重要差值0.5。感觉运动皮层γ波调制反映运动预测意图和感觉反馈之间的比较状态。先前文献提示与运动意图一致的实时感觉反馈可能促进SoA的产生，进而被认为支持运动再学习。虽然已有研究表明AoU和SoA相关，且受影响初级运动皮层招募有助于克服习得性废用，实时触觉替代、能动感和皮层动力学之间的复杂相互作用应理解为工作假设而非既定序贯事实。在此背景下，当前干预导致病例I和III的AoU改善超过MCID，提示观察到的增益可能反映取决于瘫痪严重程度的独特神经重组模式。具体而言，表现为严重瘫痪的患者I显示受影响中央电极位点附近γ功率增加，而表现为轻度瘫痪的患者III exhibit γ功率降低模式，可能反映记录位点附近更高效的神经处理。重要的是，超越统计效应量指标（Tau-U），这些MAL-14评分的改善超过既定最小临床重要差值阈值，确认观察到的增益代表临床有意义的功能变化。本研究中观察到的临床有意义功能改善和神经生理转变可能与实时摩擦替代的独特生理特征密切相关。与依赖间接认知翻译并增加心理负荷的传统视觉或听觉反馈，或静态振动触觉提示不同，动态物体操作依赖指尖连续摩擦信号以快速更新内部运动预测模型。通过骨传导振动将摩擦信号传递至双侧颞区利用完整的颅神经三叉神经通路，为脊髓-丘脑上行通路受损的卒中患者提供有效的感觉绕行。此外，双侧颞部刺激招募半球间感觉运动网络，促进皮层整合和能动感的产生，而不物理限制瘫痪手的运动。这与先进神经接口的最新概念一致，强调双向信息交换——将运动意图与闭环感觉反馈耦合——对实现直觉运动控制至关重要。虽然侵入性神经假体模式针对截肢者，非侵入性触觉替代框架成功将该闭环概念适配于卒中康复。局限性：第一，小样本量（N = 3）和病灶部位及基线严重程度的临床异质性限制发现的可推广性。第二，参与者处于亚急性至早期慢性阶段（发病间隔约69–142天），不能完全排除自发神经恢复的潜在贡献。第三，研究采用单臂非盲设计，无假对照条件或盲法评估者，引入潜在治疗师/评估者偏倚。关键的是，干预不可避免地纳入实时摩擦反馈之外的非特异性治疗因素，包括机械振动、对瘫痪手的注意力增强、设备新颖性和广泛感觉刺激。由于未实施使用延迟、随机或非耦合机械振动的假条件，无法确定观察到的临床和神经生理转变是否特异来源于实时摩擦关联感觉反馈，或部分受这些非特异性元素和患者期望影响。此外，由于Peg测试同时作为每日训练任务和主要结局指标，每日重复测试固有地引入潜在练习和学习效应。同样，每日NRS自报告可能受与使用新型设备相关的期望和安慰剂效应影响。关于主观评定量表的具体局限性：轻度基线病例（如病例II，NRS = 3.0至2.1）中麻木NRS降低受地板效应限制，限制了感觉症状临床改善的可测量范围。未来研究应建立严重程度分层方案，优先轻度病例的精细运动精细操作，同时针对严重病例的感觉缓解。此外，虽然SoA-NRS与MAL-14一起用于捕捉主观运动意识，但该量表在卒中人群中缺乏正式心理测量验证。因此，麻木和SoA NRS评分变化应谨慎解释为探索性指标而非确定性标准化指标。关于神经生理评估，EEG设置限于8通道蒙太奇，限制空间分辨率并排除逆源定位分析。此外，高频EEG信号——特别是γ带（40–100 Hz）——可能仍易受颅面部肌肉活动的轻微残留污染，特别是在靠近面部/额肌的前部通道（Fp1和Fp2），尽管严格视觉时段剔除。因此，观察到的γ带调制应谨慎解释为提示潜在神经生理转变而非确定性皮层源定位神经重组。此外，由于EEG信号在离线状态下记录而未佩戴Yubi-Reco设备，生理结局特异性捕捉跨阶段持续转变和累积神经重组，而非即时在线感觉诱发反馈调制。从分析角度看，评估3例6个头皮电极通道而未进行多重比较正式α校正增加I型错误风险。报告未校正p值以在此初步研究中防止II型错误，多通道电生理发现应适当谨慎解释。此外，病例I的4点基线代表应用Tau-U趋势校正时潜在的不稳定性来源，因为单病例指标中的统计功效和趋势估计对短基线阶段敏感。最后，短干预持续时间和缺乏长期随访限制评估观察到的功能和神经生理转变的保留和长期可持续性的能力。未来需要纳入更大随机对照队列、假条件和高密度EEG的前瞻性研究来验证这些探索性观察。

研究结论翻译：对三名PSI患者实施了使用该设备的干预。Peg测试显示所有三例联合效应量非常大的变化，而麻木NRS显示大的变化。在EEG分析中，中度至重度PSI的病例I显示感觉运动电极位点γ功率增加，可在推测性自下而上感觉整合框架内解释。中度至轻度PSI的病例II和III显示感觉运动电极通道附近γ功率相对衰减，与推测性内部模型优化框架一致。总体而言，这些探索性观察而非建立直接神经功能证据，提供了根据PSI严重程度的潜在感觉运动重建的高度推测性框架，仅作为指导未来研究的工作假设而非确定性机制结论。感觉运动功能、神经生理和真实世界运动活动评估（MAL-14）的结果显示所有三例在交错干预期间感觉运动功能一致改善，表明交错实验结构有助于在单病例约束内减轻时间依赖性内部效度威胁。这与使用MBD和Yubi-Reco在颈段脊髓损伤后不同程度手指感觉运动损伤个体中的干预研究发现一致。总体而言，这些发现提示Yubi-Reco可能改善感觉运动功能，尽管结果仍为探索性并需要进一步对照试验。需要更多病例和统计验证的研究来进一步验证该设备的有效性。此外，缺乏长期干预后随访限制关于这些临床增益持久性和保留的结论。通过结合长期随访和神经影像分析，进一步阐明作用机制并验证其临床应用可能性也是必要的。