鄭威，于洪麗，王春方，李建波

1. 天津醫(yī)科大學朱憲彝紀念醫(yī)院 設備科，天津 300134；2. 河北工業(yè)大學 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300130；3. 天津市人民醫(yī)院 康復醫(yī)學科，天津 300121

引言

腦卒中是我國發(fā)病率較高的疾病，患者運動功能恢復的緩慢和困難對其日常生活和工作極其不利[1-2]。Bobath技術、Brunnstrom技術、Rood技術及PNF技術等訓練方法是治療腦卒中疾病的傳統(tǒng)康復方法，其對下肢功能的恢復具有積極作用，而對上肢效果較差，因此探究一種新的并且有效的康復治療方法具有重要臨床意義。經(jīng)顱直流電刺激（Transcranial Direct Current Stimulation，tDCS）作為一種非侵入性的神經(jīng)調(diào)控技術被認為是神經(jīng)康復領域中一項非常有前途的方法[3-4]。tDCS具有較高的安全性，可對大腦多個功能區(qū)進行調(diào)節(jié)，增加大腦的可塑性變化，進而促進腦卒中后運動功能的恢復[5-6]。Lefebvre等[7]探討了tDCS聯(lián)合運動技能訓練得出其對慢性腦卒中患者感覺運動皮層的功能網(wǎng)絡具有積極的改善作用。Allman等[8]在一個為期9 d的運動訓練中引入tDCS技術，結果改善了腦卒中患者的臨床治療效果。盡管有證據(jù)顯示tDCS可以調(diào)節(jié)腦卒中患者大腦功能區(qū)，對運動皮層進行刺激以促進患者運動功能的恢復，但仍有許多問題沒有得到解決，如tDCS確切的臨床療效主要是通過臨床量表進行評定，缺少結合神經(jīng)電生理等相應的技術方法，深入分析其作用機理，為評定患者康復情況提供依據(jù)。因此，基于腦電（Electroencephalogram，EEG）的tDCS對腦卒中疾病的療效及機理研究具有重要的應用前景。

為了解決上述問題，本文結合腦卒中患者的EEG數(shù)據(jù)采集實驗，通過EEG信號的偏定向相干性（Partial Directed Coherence，PDC）分析，構建不同受損部位患者tDCS刺激前、中、后的腦網(wǎng)絡。通過對不同狀態(tài)下腦網(wǎng)絡對比和大腦網(wǎng)絡拓撲特性的定量分析表明，tDCS對腦卒中疾病治療效果具有積極作用。

1 材料與方法

1.1 被試的選擇

本研究與天津市人民醫(yī)院康復醫(yī)學科合作，選擇21例腦卒中患者（天津市人民醫(yī)院康復醫(yī)學科患者）作為被試者（17例男性，4例女性），均為右利手，其中10例為左側半球受損，11例為右側半球受損，患者知情實驗內(nèi)容且同意參與實驗。被試入選標準：① 被試首次患病，且符合2005年《中國腦血管病防治指南》診斷標準，經(jīng)CT或MRI確診為單側半球缺血性腦卒中患者；② 被試意識清醒，無認知障礙，可以配合完成本項研究；③ 被試病情穩(wěn)定，且患病時間小于4個月（均處于發(fā)病后的前6個月上肢和手功能康復黃金期）。被試排除標準：① 有精神類疾病或病史；② 有癲癇病、腦外傷疾病或者器質性腦損傷病史；③ 有電休克療法治療史。

左側患者平均年齡（57.6±6.6）歲，患病時間為（52.1±7.9）d，左側患者男性7例；右側患者平均年齡（56.7±6.7）歲，患病時間為（50.6±7.6）d，左側患者男性10例；對被試在年齡、性別、患病時間的基本情況進行ANOVA檢驗，結果表明，差異均無統(tǒng)計學意義（P>0.05）。（其中一名被試年齡82歲，患病時間達102 d未進行統(tǒng)計學分析）。

1.2 實驗設備及實驗參數(shù)的選擇

實驗采用德國Neuroconn公司生產(chǎn)的型號為DCSTIMULATOR PLUS電刺激儀，選取tDCS模式將陽極電極放置于腦卒中患者的患側初級感覺運動區(qū)（Primary Motor Cortex，M1），將陰極電極放置于對側腦區(qū)。實驗選用表面積為2.6 cm×2.6 cm的電極片，設置0.2 mA的電流強度，目的是減小刺激電極對EEG信號采集的干擾。EEG信號測量儀采用Neuracle公司生產(chǎn)的32導無線EEG采集系統(tǒng)，采集被試tDCS前（靜息態(tài)）、中、后的EEG信號。圖1為實驗設計流程圖，圖2為實驗數(shù)據(jù)采集示意圖。實驗采用5 min交替閉眼、睜眼的設計，tDCS刺激時間為20 min。為減小電流后效應[9-10]，患者在完成tDCS實驗后休息10 min，除休息時間外，全程采集患者的EEG數(shù)據(jù)。

圖1 實驗流程圖

圖2 實驗數(shù)據(jù)采集示意圖

1.3 EEG數(shù)據(jù)的采集及預處理

被試在實驗數(shù)據(jù)采集時保持放松無肢體動作。EEG采集場所為弱光暗室、安靜、無人員打擾和電磁干擾。采集EEG時電極阻抗小于10 kΩ，以CPZ作為參考電極，記錄32導頭皮EEG信號，實驗數(shù)據(jù)的采樣頻率為250 Hz。

數(shù)據(jù)預處理部分主要包含匹配電極、去壞電極、濾波（0.5～40 Hz）、重參考（改為平均參考）、使用獨立成分分析去除干擾信號、去偽跡等，該過程通過Matlab軟件eeglab工具包完成。

1.4 處理方法

1.4.1 PDC

PDC是格蘭杰因果用于計算時間序列在頻域上的多變量自回歸方法。歸一化的PDCxj→xk值在[0，1]之間，表示xj流向xk的信號占所有從xj流出信號的比例，接近0說明兩通道之間無聯(lián)系，大于0.1則兩通道間有聯(lián)系[11]。以10 s為單位分析21名被試在閉眼狀態(tài)下tDCS前、中、后全頻段60 s的EEG數(shù)據(jù)，計算6個10 s PDC的平均值作為該狀態(tài)下每名被試的PDC值。具體研究算法如下。

對于多通道AR模型，其表示式如式(1)所示。

式中，

所處理數(shù)據(jù)為32導聯(lián)EEG信號，即32個通道，對應m=32，獲得32導聯(lián)EEG數(shù)據(jù)時域AR模型之后，再對式(1)進行傅里葉變換，得式(2)～ (3)。

式中，I表示維數(shù)為m=32的單位矩陣。xj→xk的PDC可定義為式(4)。

1.4.2 腦功能網(wǎng)絡的構建

本研究通過計算32節(jié)點間PDC值，建立不同受損部位不同狀態(tài)下腦卒中患者的有向加權腦網(wǎng)絡。對于生成的網(wǎng)絡，應用以下4個拓撲參數(shù)進行定量的描述。

（1）節(jié)點度。本研究構建有向網(wǎng)絡圖，故分為入度和出度，入度為此節(jié)點流入邊的數(shù)量，出度為此節(jié)點流出邊的數(shù)量。

（2）集群系數(shù)。表示所構建網(wǎng)絡的集團化程度。節(jié)點i的集群系數(shù)Ci表示和節(jié)點i實際相連的節(jié)點數(shù)值ei與其可能相連的節(jié)點最大數(shù)值[ki(ki-1)/2]的比值，具體計算公式如式(5)所示。

整個網(wǎng)絡的集群系數(shù)為所有節(jié)點集群系數(shù)均值，見式(6)。

（3）中介中心度。用來表征網(wǎng)絡節(jié)點的作用和地位，其數(shù)值越大表示節(jié)點在網(wǎng)絡中的樞紐作用越強，是該網(wǎng)絡的核心節(jié)點，具體計算公式如式(7)所示。

式中，σjk為節(jié)點j到節(jié)點k所有最短路徑的數(shù)值，σjk(i)為節(jié)點j到節(jié)點k的最短路徑中通過節(jié)點i的數(shù)值。

（4）網(wǎng)絡效率。表示為網(wǎng)絡的信息傳輸能力，分為全局效率和局部效率。全局效率計算公式如式(8)所示。

式中，N為節(jié)點，lij為節(jié)點i和j之間的最短路徑長度。局部效率計算公式如式(9)所示。

其中，E(Vi) 的計算公式如式(10)所示。

式中，Vi表示節(jié)點i的鄰居節(jié)點組成的子圖。

為了確定不同受損部位不同狀態(tài)下患者的平均腦網(wǎng)絡，并將其轉化為有向二值腦網(wǎng)絡進行分析，采用如下方法進行：對計算所得PDC值設定不同的閾值μ0(μmin≤ μ0≤ μmax)，其中，最小值 μmin取 0.1，最大值 μmax取節(jié)點個數(shù)N(32)的自然對數(shù)3.46，在取值區(qū)間內(nèi)μ0的遞增量為0.05[12]。本研究選取μ0=0.28為閾值。

利用單尾單樣本t檢驗，假設樣本均值為μ，提出零假設，有H0：μ≤μ0，H1：μ≤μ0。μ0為設定的PDC閾值，檢驗統(tǒng)計量如式(11)所示。

若t落在拒絕域，即拒絕原假設，說明兩導聯(lián)間的連接強度大于閾值μ0，即對應腦網(wǎng)絡中兩節(jié)點間有連接；反之，則說明兩節(jié)點間無連接，以此來構建腦網(wǎng)絡。

運用配對t檢驗方法分析tDCS刺激前、中、后等3種狀態(tài)下計算所得參數(shù)是否具有顯著性差異；由于節(jié)點出度不滿足正態(tài)分布，進行符號秩和檢驗。

2 結果

為減小個體差異性對實驗結果的影響，本文分別計算閉眼狀態(tài)下10例左側半球受損、11例右側半球受損tDCS前、中、后預處理EEG數(shù)據(jù)平均值，以自身作為對照組，用以探究基于EEG的tDCS對腦卒中患者的腦機制是否發(fā)生變化。計算32導聯(lián)間PDC值，得到兩兩導聯(lián)的因果關系和信息流向情況，三種狀態(tài)下腦網(wǎng)絡的連接變化如圖3～4所示。從圖中可以看出，左、右側半球受損患者在三種狀態(tài)下入度均呈現(xiàn)分布較均勻，而出度則不明顯。

圖3 左側半球受損患者不同狀態(tài)下腦網(wǎng)絡圖

圖4 右側半球受損患者不同狀態(tài)下腦網(wǎng)絡圖

2.1 度分布

入度代表信息流入某節(jié)點的情況。由圖5可以得出，左、右側半球受損患者節(jié)點入度較均勻地分布在32個節(jié)點，在tDCS前、中、后基本呈現(xiàn)先增長后減小，但刺激后的值大于刺激前，對節(jié)點入度進行兩兩配對t檢驗，表1結果顯示均具有顯著性差異（P<0.05）。

圖5 腦網(wǎng)絡節(jié)點入度

表1 節(jié)點入度統(tǒng)計結果

出度代表信息流出某節(jié)點的情況。由圖6可以得出，節(jié)點出度只存在于某些節(jié)點且這些有值節(jié)點大多與其他節(jié)點都有連接。左側半球受損患者在位于左半球的FC5、T7、PO3、CB1、O1節(jié)點有值；右側半球受損患者在13個節(jié)點有值，相對自身刺激前對照組，刺激后在左額葉（F5）、中央?yún)^(qū)（C6）、枕葉（O2）有所減小，而頂區(qū)（P5、P2、P6、PO5、PO3）有所增加，由于節(jié)點出度不滿足正態(tài)分布，進行符號秩和檢驗，顯示均無顯著性差異（P>0.05）。

圖6 腦網(wǎng)絡節(jié)點出度

2.2 集群系數(shù)

集群系數(shù)與集團化程度和信息傳輸效率成正比。左側半球受損患者在三種狀態(tài)下平均集群系數(shù)分別為0.0968、0.1613、0.1290，呈現(xiàn)刺激中最高，刺激中及刺激后相對刺激前分別增加66.63%和33.26%。右側半球受損患者平均集群系數(shù)分別為0.1341、0.2025、0.1826，同樣呈現(xiàn)刺激中最高，刺激中及刺激后相對刺激前分別增加51.01%和36.17%。表2為集群系數(shù)統(tǒng)計結果，兩組患者在三種狀態(tài)下的集群系數(shù)均具有顯著性差異（P<0.05）。結果表明，tDCS刺激后左側和右側半球受損患者腦網(wǎng)絡集團化程度均增加，網(wǎng)絡信息傳輸效率均提高。

表2 集群系數(shù)統(tǒng)計結果

2.3 中介中心度

表3為不同受損部位在不同狀態(tài)下中介中心度有值節(jié)點。左側半球受損患者的中介中心度在刺激前有3個節(jié)點有值，均為0.6，說明此狀態(tài)下的樞紐節(jié)點集中分布在上述3個節(jié)點；在刺激中有5個節(jié)點有值，均為0.43；在刺激后有4個節(jié)點有值，均為0.54，相比刺激前和刺激中，網(wǎng)絡樞紐節(jié)點的個數(shù)分別增大1.3倍和減少0.8倍。右側半球受損患者在刺激前有2個節(jié)點有值，均為0.5；在刺激中有3個節(jié)點有值，均為0.33；在刺激后有6個節(jié)點有值，其中 CP6（0.2）、P5（0.16）、P2（0.07）、PO5（0.36）、PO3（0.16）、CB1（0.07），相比于刺激前和刺激中狀態(tài)，刺激后樞紐結點個數(shù)分別增大3倍和2倍，分布更加分散。由此得出，tDCS干預下網(wǎng)絡節(jié)點的地位出現(xiàn)變化，樞紐節(jié)點分散且存在轉移情況，樞紐節(jié)點的核心地位降低。

表3 不同受損部位在不同狀態(tài)下中介中心度有值節(jié)點

2.4 網(wǎng)絡效率

被試在三種狀態(tài)下腦功能網(wǎng)絡的全局效率和局部效率對比結果如圖7所示。左、右側半球受損患者的全局效率和局部效率在刺激前、中、后均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且刺激后比刺激前明顯增加。圖7a中，單一半球受損狀態(tài)下，刺激后的整體呈現(xiàn)水平比刺激中降低但高于刺激前，且對比分析刺激前、中、后的兩側半球受損情況，發(fā)現(xiàn)右側半球受損的全局效率都要高于左側。圖7b中，左側半球受損狀態(tài)與上述結果相同；但右側半球受損狀態(tài)下，刺激后的局部效率遠高于刺激前，并與刺激中基本持平。由表4可以得出，左側半球受損患者的全局效率和局部效率在三種狀態(tài)下均具有顯著性差異（P<0.05）；右側半球受損患者的全局效率和局部效率在刺激中和刺激后的t檢驗均無顯著性差異（P>0.05）。

表4 網(wǎng)絡效率統(tǒng)計結果

圖7 大腦不同受損部位在不同狀態(tài)下全局效率和局部效率的箱線圖

3 討論

本研究運用PDC和有向傳遞函數(shù)方法對腦卒中患者的EEG信號構建腦網(wǎng)絡及大腦有效連接模型，并對不同受損部位患者tDCS刺激前、中、后的腦網(wǎng)絡特性和有效連接強度進行了對比分析，以探究tDCS干預下腦卒中患者的腦連接變化及tDCS對該疾病的治療效果和作用機制。

研究發(fā)現(xiàn)，不同受損部位患者基于EEG的tDCS刺激M1區(qū)在刺激前、中、后3種狀態(tài)下所構建的腦功能網(wǎng)絡存在不同，分析其網(wǎng)絡拓撲參數(shù)發(fā)現(xiàn)，節(jié)點入度相對節(jié)點出度均呈現(xiàn)均勻分布的特點，且節(jié)點入度在tDCS刺激前、中、后均先增加后降低，這說明tDCS可以提高各節(jié)點的信息傳輸[12]。Hordacre等[13]研究卒中后患者接受tDCS是否改變腦功能網(wǎng)絡連接性，結果顯示腦連通性增強。部分學者利用tDCS刺激卒中后失語癥患者的M1區(qū)，結果改善了患者腦功能的整體正常化，增加了網(wǎng)絡內(nèi)部通信[14-16]，這與本結果相一致。出度體現(xiàn)信息流出情況，左側半球受損患者的有值節(jié)點大都位于患者患側，這可能與病灶位置有關，而右側半球受損患者的有值節(jié)點不存在此情況，后續(xù)將進行深入研究。而本文主要研究tDCS對患側的改善，從入度結果發(fā)現(xiàn)tDCS對患側具有明顯的改善作用。

Lee等[17]探究tDCS應用于M1區(qū)，結果改善了腦卒中患者上肢功能。有研究學者發(fā)現(xiàn)在M1區(qū)施加tDCS會誘導相對持久的神經(jīng)元塑性和神經(jīng)元群體之間的關聯(lián)改變并調(diào)節(jié)運動性能[18-20]。Yin等[21]分析腦卒中患者腦網(wǎng)絡拓撲性質，發(fā)現(xiàn)中介中心度、全局效率和局部效率發(fā)生顯著改變。有研究顯示tDCS可以引起大腦半球內(nèi)和半球間連接性的顯著改變[22]。本研究從宏觀EEG角度得出，不同受損部位腦卒中患者tDCS刺激后相對刺激前腦網(wǎng)絡的集團化程度增加，網(wǎng)絡信息傳輸效率上升，核心節(jié)點有所轉移且樞紐節(jié)點的核心地位下降，網(wǎng)絡的全局效率和局部效率明顯增加，這一結果說明tDCS對腦卒中疾病的康復療效具有積極作用。

4 結論

本文基于EEG評估tDCS刺激患側對腦卒中患者的調(diào)控作用，通過對刺激前、中、后的腦網(wǎng)絡及有效連接模型對比分析發(fā)現(xiàn)tDCS有助于改善患者的大腦連接狀況，增加信息流交互作用，提高腦網(wǎng)絡的集團化程度和網(wǎng)絡運行效率，降低樞紐節(jié)點的核心地位的同時，增加左右半球之間的連接。為tDCS應用于腦卒中疾病的治療提供臨床實驗依據(jù)，客觀評估tDCS的作用效果。由于本實驗為單次刺激實驗，未形成刺激的累積效應，按療程進行tDCS刺激將有助于產(chǎn)生累積刺激效應，有可能提高對腦卒中的長期改善作用。