一种与基于脑机接口的运动训练同步的闭环经皮迷走神经刺激系统用于卒中后上肢康复

摘要

本研究展示了一种与基于脑机接口的运动训练同步的闭环经皮迷走神经刺激（ta-VNS）系统的标准化方案。此外，通过比较与基于脑机接口的运动训练同步的闭环ta-VNS系统与假刺激ta-VNS的疗效，为该系统在脑卒中康复中的临床应用提供了重要证据。

摘要

经皮耳迷走神经刺激（ta-VNS）通过电极对耳甲区域施加电刺激，激活迷走神经传入纤维，启动从外周至脑干的上行通路，最终刺激中枢迷走神经投射并促进神经可塑性。既往研究表明，将ta-VNS与运动训练相结合，可对卒中后的运动功能恢复产生协同增益效应。然而，这些联合干预方法通常采用参数固定的开环刺激模式，缺乏对动态神经活动的实时闭环响应能力。为克服这一局限，我们开发了一种新型闭环ta-VNS系统，并将其与基于脑电图（EEG）触发的脑-机接口（BCI）运动训练同步。该系统旨在增强皮质脊髓耦合并促进突触可塑性。我们建立了在卒中患者中应用该闭环ta-VNS系统与基于BCI的运动训练同步干预的标准化操作方案。通过基于脑电图的功能评估，比较了闭环ta-VNS联合基于BCI的运动训练与伪刺激ta-VNS联合基于BCI的运动训练的效果。本研究为该方法在卒中康复中的临床应用提供了方法学与理论基础。

引言

经皮耳迷走神经刺激（ta-VNS）是一种非侵入性神经调节技术，用于改善卒中后的运动功能障碍¹。该方法通过电极刺激耳甲腔，激活迷走神经的耳支。这种刺激可启动孤束核（NTS）-蓝斑核（LC）通路²，进而上行至运动皮层、额叶、丘脑和小脑中的中枢迷走神经投射区域，从而增强神经可塑性和脑网络重组³。与传统的侵入性迷走神经刺激相比，ta-VNS在保留治疗效果的同时，降低了手术风险和并发症发生率⁴。这些优势使其成为康复科学领域的重要研究焦点^5,6,7。

临床证据支持联合使用经皮迷走神经刺激（ta-VNS）与运动训练以增强卒中后的运动功能。Chang 等人⁸将36名伴有上肢功能障碍的卒中患者随机分为两组：一组接受主动ta-VNS联合机器人辅助运动训练，另一组接受假性ta-VNS联合机器人训练。主动ta-VNS组在上肢痉挛程度和肌电图活动方面的改善显著优于假性刺激组，表明其运动功能恢复更佳。进一步支持这一发现的是，Zheng 等人⁹采用运动诱发电位证明，与仅接受机器人训练的患者相比，接受ta-VNS 同步 机器人训练的卒中患者其初级运动皮层（M1）兴奋性（波幅）增加，传导效率提高（潜伏期缩短）。这表明联合ta-VNS可促进功能性皮层重组，从而增强运动功能恢复。

然而，现有的联合干预方法通常采用固定参数的开环刺激，缺乏对神经状态的动态闭环响应能力。为解决这一局限性，我们设计了一种新型的脑电图（EEG）触发闭环系统，将经皮耳迷走神经刺激（ta-VNS）与基于脑-机接口（BCI）的运动训练相结合（图1），该系统包含四个组成部分：同步系统、脑电采集单元、用于手部康复的气动手套以及ta-VNS设备。脑电采集单元通过解码脑电信号来捕捉与运动意图相关的脑活动，并利用实时的脑活动特征作为生物标志物，触发气动手套和ta-VNS设备¹⁰。这两个设备通过有线串口连接至同步主机。当脑活动水平达到预设阈值时，设备同步启动，实现与运动训练精确匹配的闭环ta-VNS干预。该同步机制被认为可增强运动皮层与脊髓运动神经元之间的突触效能，因为先前研究表明，ta-VNS与运动训练结合能够调节皮层兴奋性和突触功能¹¹。相反地， 若脑活动值低于阈值，则不触发ta-VNS。预计该系统可能增强皮质脊髓耦合并促进突触可塑性，因为已有研究显示，与运动同步的闭环ta-VNS在改善运动功能恢复方面具有潜力¹²，因而对神经康复研究具有重要意义。

该系统主要适用于上肢运动功能障碍的卒中患者。纳入标准要求患者具备足够的认知能力以配合完成任务，并且生命体征稳定。主要禁忌症包括体内植入电子设备、耳部刺激部位存在皮肤病变或异常、已确诊的颈迷走神经病变或特定类型的心律失常。操作限制包括需要由经过培训的专业人员实施干预，并在初始治疗阶段进行持续监测，以确保患者对刺激的耐受性及操作安全性。

鉴于该集成系统的创新性，制定标准化的应用方案对于确保方法的一致性实施和可重复性至关重要。因此，本方法学文章的主要目的是提出一种与基于脑机接口（BCI）的运动训练同步的闭环经皮迷走神经刺激（ta-VNS）系统的标准化操作流程。 此外，通过在代表性病例中采用基于脑电图（EEG）的功能评估，我们旨在初步探索与假性ta-VNS联合BCI运动训练相比，闭环ta-VNS系统联合BCI运动训练所产生的神经调节效应。 本研究建立了该同步干预方法的方法学基础，并初步验证了其在临床环境中应用的可行性。

方案

本研究于2025年4月30日获得中山大学第七附属医院（中国深圳）医学伦理委员会（批准编号：KY-2025-318-01）批准。试验于2025年6月16日在中国临床试验注册中心注册（注册编号：ChiCTR2500104317）。受试者签署了知情同意书。

1. 招募

1. 纳入标准
   1. 招募受试者 符合第四届全国脑血管病学术会议制定的卒中诊断标准（包括脑出血和脑梗死）。
   2. 通过头颅CT或MRI确诊为首次发病的脑出血或脑梗死患者，病程在2周至6个月之间。
   3. 招募18至80岁的受试者。
   4. 招募简易精神状态检查（MMSE）得分≥21的受试者。
   5. 招募患有卒中后上肢及手部运动功能障碍的受试者。
   6. 招募生命体征稳定的受试者。
   7. 招募签署自愿知情同意书的受试者。
2. 排除标准
   1. 排除有双侧/单侧迷走神经损伤或手术史的受试者。
   2. 排除装有起搏器或神经刺激器的受试者。
   3. 排除存在认知功能障碍的受试者。
   4. 排除在刺激部位有感染、溃疡或瘢痕的受试者。
   5. 排除心率异常的受试者 <60 bpm
   6. 排除妊娠和哺乳期女性。
   7. 排除存在严重视觉或听觉障碍而无法感知实验线索的受试者。

2. 基本信息收集

1. 收集并记录受试者的基本信息，包括年龄、性别、病程、卒中类型、偏瘫侧别、手部Brunnstrom分期以及上肢运动功能Fugl-Meyer评估（FMA-UE）。
2. 采用受试者内交叉设计，每位受试者均完成两种干预条件：与基于脑机接口的运动训练同步的闭环经皮迷走神经刺激（ta-VNS）以及与基于脑机接口的运动训练同步的假刺激ta-VNS，两种干预之间间隔6天的洗脱期。

3. 基于脑机接口运动训练同步的闭环经皮迷走神经刺激系统

1. 受试者准备
   1. 在正式干预前，所有参与者均接受了实验流程的全面讲解，并完成一次简短的练习环节，以确保其理解运动想象任务，并能清晰感知所有视觉和听觉提示。
2. 预测试准备
   1. 通过将4.5 g氯化钠加入150 mL纯水中，配制 3% NaCl电解液溶液 ，然后剧烈震荡至完全溶解。
   2. 将电解液倒入容器中，浸入32块棉垫，在室温下浸泡3–5分钟。
   3. 挤出棉垫中多余的水分。
   4. 沿卡槽将棉垫支架插入电极底座中。
   5. 捏住电极底座并顺时针旋转，直至听到“咔哒”声。
   6. 依次安装30个脑电（EEG）电极和2个眼电（EOG）电极，参考电极置于CPz，接地电极置于FPz。
   7. 佩戴脑电帽，并使用国际10-10系统定位Cz点。
      1. 使用32通道盐水型无线多通道脑电采集与分析系统采集脑电信号。根据国际10-10系统，参考电极置于A1（左耳垂），接地电极置于AFz（额中线）。系统包含30个记录电极和2个眼电电极。
      2. 放大器参数设置如下：输入阻抗为1 GΩ，输入噪声< 0.4 µV，共模抑制比为-120 dB。记录期间保持电极-皮肤界面阻抗低于5 kΩ，脑电信号采样频率为250 Hz。
   8. 将Cz电极置于头顶点——即双耳垂连线（耳间线）与鼻尖至眉间连线（鼻-前囟线）的交点。
   9. 将放大器轻轻插入脑电帽的插口，并固定于脑电帽上。
   10. 将耳夹刺激电极连接至ta-VNS主机。
   11. 取出酒精棉片，清洁受试者耳甲腔。
   12. 将刺激电极贴附于耳甲腔。
   13. 佩戴气动手套，并调整至舒适贴合，防止过紧或过松影响训练效果。
3. 软件操作
   1. 按住ta-VNS主机右侧的绿色按钮并持续按压，以开启设备。
   2. 通过USB接口将ta-VNS刺激器连接至基于脑机接口（BCI）的运动训练系统。
      注：ta-VNS刺激器通过USB转TTL模块与计算机连接，经由USB线缆建立串行通信，以实现与基于BCI的运动训练系统的同步。串口配置为波特率38400 bps，1个停止位，无奇偶校验。
   3. 启动脑功能测试软件（BCIServer-V1.0.0）。
   4. 点击右上角的“启动设备”按钮，随后点击左侧的“阻抗检测”按钮，确保所有电极阻抗均低于5 kΩ。在所有电极阻抗未降至≤5 kΩ且指示灯未变为绿色/黄色之前，不得开始运行。
      1. 若检测到高阻抗（红色指示），可通过以下方式调整：(1) 轻轻扭转电极底座，(2) 向头皮重新添加盐水，(3) 逐个优化各电极，直至指示灯变为绿色/黄色。
      2. 若某电极持续显示高阻抗，应取出棉垫托盘，重新用盐水浸润后装回电极底座，并轻轻扭转，直至阻抗降低。
   5. 启动与基于BCI的运动训练软件（HandGame-V1.0.0）同步的闭环ta-VNS系统，并输入受试者的人口学信息：姓名、性别和出生日期。
   6. 进入训练设置界面，配置以下参数：收缩速度：高，训练部位：左手，运动想象难度：低，训练时长：20分钟。
      注：收缩速度参数定义了气动手套指关节的角速度。“高”档对应约68°/s，“低”档对应30°/s。参数选择应根据患者肌张力进行调整；例如，痉挛型患者不宜使用“高”速。本例患者处于Brunnstrom I期（弛缓期），肌张力较低，故选择“高”速设置。运动想象难度由在5秒任务周期内激活基于BCI的运动训练系统所需的最小脑激活阈值定义。“低”级阈值设为50，“中级”为60，“高级”为80。本例患者首次训练选择“低”难度。后续难度调整依据患者表现，主要参考训练过程中成功触发运动想象的次数。
   7. 调节电流强度，初始默认值为1 mA，可调范围为0–8.0 mA，以0.2 mA为增量逐步增加电流，直至患者报告有明显但舒适的刺痛感，且无疼痛或不适。若患者出现疼痛或任何不适（如灼热感、肌肉抽搐、头晕、心悸或呼吸困难），应立即停止刺激。
      注：ta-VNS预设参数固定为：频率：20 Hz，脉宽：300 µs，刺激时长：5 s。
   8. 开始训练。
   9. 执行循环式运动想象训练。
   10. 按照 图2所示的结构化循环，依次进行个体化的运动想象训练任务：
   11. 静息阶段（5秒）：在此阶段记录基线脑电数据，用于后续校准与分析。
   12. 运动想象与脑电采集（5秒）： 
       1. 进行由视觉/听觉提示诱发的手部抓握想象训练，同步采集脑电信号。脑激活度是从脑电信号中提取的无量纲指标，用于量化运动想象过程中的注意力集中程度。 
       2. 以250 Hz采样脑电信号，并通过8–30 Hz带通滤波器保留目标频率成分。采用滑动窗处理（窗长：4秒，步长：1秒）。
       3. 对每个时间窗通过快速傅里叶变换（FFT）计算功率谱密度（PSD），计算α波段（8–13 Hz）和β波段（14–30 Hz）的能量（E_α 和 E_β），并求其比值 R = E_β / E_α。随后将比值R归一化至0到100之间。再利用公式计算脑激活度： 脑激活度 = 100 × (R - min) / (max - min)，其中经验常数max = 3.50，min = 0.35，由前期校准数据集确定¹³。
   13. 反馈与刺激阶段（5秒，条件触发）： 若在任务周期内脑激活度值大于或等于预设阈值50，则同时启动气动手套运动和真实ta-VNS刺激，持续5秒，构成同步化的BCI-ta-VNS干预。否则，不提供气动反馈或ta-VNS刺激，并给予听觉提示以鼓励患者继续坚持。
   14. 训练结束后，关闭与基于BCI的运动训练软件同步的闭环ta-VNS系统。

4. 与基于脑机接口的运动训练同步的假性经皮迷走神经刺激（sham ta-VNS）

1. 完全按照步骤 3.1 至 3.3 进行操作，但在步骤 3.3.7 中，将基于脑机接口的运动训练所用的经皮迷走神经刺激（ta-VNS）电流强度降低至零。除 ta-VNS 电流外，所有参数均与第 3 节所述相同。训练持续时间为 20 min。

5. 离线脑电图数据处理与分析

注意：离线脑电图（EEG）数据处理与分析使用 MATLAB R2021a 并结合 EEGLAB（v2024.2）和 ERPLAB（v12.00）工具箱完成。处理流程包括两个主要阶段：预处理和分析性分析。

1. 数据预处理
   1. 执行数据导入和通道配置：
      1. 将采集到的.csv格式连续脑电图（EEG）数据转换为.mat格式并导入EEGLAB。将采样率设置为250 Hz。
      2. 加载与EEG帽相对应的通道位置文件，并绘制电极位置以验证其坐标。移除未使用的EOG电极。
   2. 滤波：对两种干预条件下的任务态EEG数据应用双向有限冲激响应（FIR）带通滤波器（0.1–40 Hz），以去除基线漂移并抑制高频噪声。
   3. 执行分段。
      1. 根据事件标记对数据进行分段。标记1表示运动想象任务的开始。提取相对于标记1从-2000 ms到+5000 ms的时间段作为片段，但仅选择成功触发的试验（即导致“成功”结果的试验），因为主要分析聚焦于有效试验期间的大脑状态。
      2. 使用刺激前-2000 ms至-1000 ms的时间段进行基线校正。导出EVENTLIST以记录标记的数量和时间点。
   4. 去除伪迹。
      1. 目视检查分段后的数据，识别并剔除异常片段和坏通道。对识别出的坏通道进行插值修复。随后对数据进行独立成分分析（ICA）。
      2. 使用ICLabel工具箱自动分类独立成分，并移除被识别为眼动或肌电伪迹且概率超过90%的成分。在自动剔除后，进行人工检查以确认伪迹相关成分已被清除。
   5. 重参考：将数据重参考至所有通道的平均值。
2. 数据分析
   1. 时频分析：对任务态EEG数据应用小波变换进行时频分析。使用-2000 ms至-1000 ms时间段进行基线校正。在电极C4处分析0 ms至5000 ms时间窗口内的事件相关去同步化（ERD）现象。
   2. 功率谱和地形图分析：在提示后500 ms至3000 ms时间窗口内，使用快速傅里叶变换（FFT）计算alpha和beta频段（8–30 Hz）的平均功率。绘制平均频段功率的地形图，以可视化感觉运动皮层激活的空间分布。

结果

一名37岁的男性卒中患者先后接受了两种干预：与基于脑机接口的运动训练同步的闭环经皮迷走神经刺激（ta-VNS）系统，以及与基于脑机接口的运动训练同步的假性ta-VNS系统。基线特征见表1，系统干预参数见表2。

对于卒中患者，记录了两种干预方案中成功完成的运动想象试验次数。在20分钟基于脑机接口（BCI）运动训练同步闭环经皮迷走神经刺激（ta-VNS）期间，共记录到54次成功触发，每次触发启动5秒的气动手套运动与真实ta-VNS同步刺激，累计有效刺激时间为270秒（计算方式为成功触发次数 × 5秒）。在20分钟基于BCI运动训练同步假性ta-VNS期间，共43次成功触发激活气动手套，每次持续5秒，同时施加假性ta-VNS（0 mA），导致气动手套总有效激活时间为215秒。

在数据采集之前，需验证电极阻抗以确保信号质量。系统软件界面的截图如图3所示，确认在任务开始前所有电极的阻抗均达到或低于5 kΩ的阈值...

讨论

既往研究证实，将经皮耳迷走神经刺激（ta-VNS）与传统运动训练同步进行，可通过精确的神经调节增强神经重组，从而优化卒中后运动功能恢复的治疗效果^8,14。基于上述证据，我们建立了一项标准化的实验方案，并采用脑电图（EEG）生物标志物来监测干预过程中感觉运动皮层的激活模式，特别是α和β频段拓扑分布所反映的皮层活动特征。

闭环系统的实施与实验完整性依赖于若干关键步骤：首先，必须根据国际10-10系统（步骤3.2.7–3.2.8）精确放置脑电图（EEG）电极，并进行阻抗验证（步骤3.3.4）。30个EEG电极和2个EOG电极的优化定位决定了信号质量¹⁵，进而影响运动想象解码的准确性，并促进同步经皮迷走神经刺激（ta-VNS）干预的实现。其次，干预前的准备需要对ta-VNS电流强度进行个体化滴定（步骤3.3.7），以确保安全性和有效性。第三， 通过USB接口实现硬件同步（步骤3.3.2），协调ta-VNS刺激器与脑机...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
酒精棉片	Steady Medical Group Co., Ltd.		皮肤消毒
电解液瓶	西安臻泰智能科技有限公司		容量：150 mL，用于储存电解液
上肢运动功能Fugl-Meyer评估	由瑞典学者Fugl-Meyer开发的标准评估方法	FMA-UE	主要用于临床评估脑卒中患者上肢的反射活动、运动控制能力和肌力
手功能康复训练与评估系统	西安臻泰智能科技有限公司	ZhenTec-H1	该训练系统以气动方式控制康复训练手套，通过多模式训练帮助患者逐步实现手部肌肉的康复训练 训练过程趣味性强、沉浸感高，并具备评估功能，可对患者手功能恢复情况进行评估 恢复状态
心率监测仪	深圳市慧影电子科技有限公司	HY-HRV-001	监测心率
灵克棉	西安臻泰智能科技有限公司		用于吸收盐水并传导信号
简易精神状态检查	由Marshal F. Folstein等人开发的标准评估工具	MMSE	成人认知功能障碍的快速筛查
纯水	华润天博饮料（中国）有限公司	怡宝纯净水	150 mL用于配制电解液
盐水电极无线多通道脑电采集与分析系统	西安臻泰智能科技有限公司	ZhenTec-NT1-G	脑电采集设备为32导盐水电极无线多通道脑电采集与分析系统。依据国际10-10系统，共设置30个采集电极和2个眼电电极。设备输入阻抗为1 GΩ，输入噪声小于0.4 μV，共模抑制比为-120 dB。电极佩戴阻抗低于5 kΩ，脑电采样率为500 Hz
氯化钠	西安臻泰智能科技有限公司		4.5 g，用于配制电解液
经皮耳迷走神经刺激仪	深圳市慧影电子科技有限公司	HY-TVNS-001	产品主要由无创迷走神经刺激仪主机、无创迷走神经刺激仪体表电极和充电线缆组成。刺激仪电极可通过软件控制，刺激参数包括频率、脉宽、时间、模式等
润湿瓶	西安臻泰智能科技有限公司		容量：250 mL，用于浸泡脱脂棉