用于表征幻肢痛镜像疗法相关神经关联的 MRI 实时视频投影

摘要

我们提出了一种新颖的结合行为学与神经影像学的实验方案，该方案采用实时视频投影技术，旨在在磁共振成像扫描环境中表征伴有幻肢痛的下肢截肢受试者在接受镜像疗法时相关的神经活动特征。

摘要

镜像疗法（MT）被认为是一种有效的康复策略，可用于缓解患有幻肢痛（PLP）的截肢患者疼痛症状。然而，由于在磁共振成像（MRI）扫描仪环境中难以有效实施该疗法，因而明确与MT治疗相关的神经机制仍具挑战性。为了表征与此康复策略相关的皮层区域的功能组织，我们开发了一种结合行为学与功能性神经影像的实验方案，适用于下肢截肢受试者。这种创新方法使受试者能够在MRI扫描仪环境中接受镜像疗法，通过摄像头实时捕获的视频图像进行观察。受试者平躺在扫描床上，通过一套镜面系统和显示器观看这些图像。由此，可针对MT的直接应用，表征感兴趣皮层区域（如感觉运动皮层）的功能变化。

引言

幻肢痛（PLP）是指截肢后在缺失肢体对应区域感受到的疼痛感^1,2。该病症构成重大的慢性医疗负担，并可能对个体的生活质量产生显著影响^3,4。研究表明，大脑结构与功能的改变在PLP的发生及其神经病理生理过程中起着根本性作用^5,6。然而，疼痛症状发展的潜在神经相关机制，以及治疗干预如何缓解疼痛的神经基础仍不明确。这一知识空白主要源于在神经影像环境（如MRI）限制下实施特定治疗手段所面临的技术挑战与局限性^5,7,8。

多项研究结果表明，幻肢痛（PLP）的发展与感觉运动皮层及其他脑区发生适应不良的神经可塑性重组有关。例如，已有研究显示，在肢体截除后，邻近区域对应的感觉运动皮层表征区会发生位移。因此，邻近区域似乎开始侵入原本对应于被截除肢体的皮层区域^9,10。为了缓解与PLP相关的疼痛症状，镜像疗法（MT）或运动想象等治疗方法可能有效^9,11,12。据推测，症状的缓解可能通过观察未受影响肢体的镜像反射所引发的跨模态传入信号重建而实现^{12,13,14,15,16,17}。通过这些视觉反馈，受试者能够看到对侧健康肢体的反射影像，而非已被截除的肢体，从而产生双侧肢体均仍存在的错觉。Diers等人此前在健康受试者中研究了这种错觉和沉浸效应，通过功能磁共振成像（fMRI）比较了使用普通镜盒或虚拟现实完成任务后的脑功能激活情况¹⁸。然而，与逆转适应不良性神经可塑性变化及症状缓解相关的神经机制仍不清楚。此外，由于导致PLP发生的明确病理生理学改变尚未完全阐明，且已有研究报道了相互矛盾的结果，PLP的潜在机制仍是当前研究的课题^5,19。如上所述，许多研究者将疼痛的发生归因于传入阻断及受影响脑区（即被截除肢体对应区域）的皮层重组^6,7,8；然而，Makin及其合作者却报道了相反的结果，他们发现疼痛的存在与脑结构的保留相关，而疼痛的发生可能源于脑区间功能连接性的降低¹⁹。鉴于这些相互矛盾甚至相反的研究发现，我们认为，本文所提出的创新方法将为PLP的研究提供新的重要信息，并使科研人员能够在实时环境中评估MT对脑激活程度的影响，同时结合本研究完整方案中所测量的疼痛水平进行比较分析¹⁹。

关于这一主题的既往文献表明，镜像疗法（MT）是治疗幻肢痛（PLP）最合适的心理行为疗法之一，因其实施简便且成本低廉¹²。事实上，既往对这种技术的研究已显示出证据，表明镜像疗法可逆转伴有幻肢痛的截肢者初级感觉运动皮层中的适应不良性改变^8,20,21。尽管镜像疗法可能是治疗幻肢痛最经济且最有效的方法之一^12,22,23,24，但仍需开展更多研究以确认其疗效，因为部分患者对该疗法无反应⁸，且目前尚缺乏大规模随机对照临床试验以提供高等级循证医学证据²⁵。

MT 能够减轻 PLP 的假设之一是，未截肢肢体的镜像有助于重新组织和整合本体感觉与视觉反馈之间的不匹配²⁶。MT 的潜在机制可能与躯体感觉系统中不良适应性映射的逆转有关^8,27,28。

对于镜像疗法（MT），受试者需要使用其健全的肢体执行多个运动和感觉任务（例如屈曲和伸展），同时观察位于受试者身体中线处的镜子中的影像，从而在截肢区域产生生动且精确的运动表征²⁹。

为了进一步深化对幻肢痛（PLP）相关病理生理机制的科学认识，至关重要的是要更准确地表征截肢后引起的神经可塑性变化，以及镜像疗法（MT）对疼痛症状的改善作用。在这一领域，神经影像学技术（如功能性磁共振成像，fMRI）已成为强有力的工具，有助于阐明与皮层重组相关的病理生理机制，并为在临床实践中优化幻肢痛患者的康复策略提供线索^30,31。此外，fMRI所提供的高空间分辨率（相较于脑电图等技术）使得对大脑感觉运动皮层及其他脑区的手指和手指表征等脑反应进行更精确的定位成为可能³²。

迄今为止，与手法治疗（MT）相关的神经生理学机制仍不明确，这在很大程度上是由于在扫描仪环境中实施该操作存在诸多挑战（例如，个体在扫描仪内平躺时难以进行治疗操作）。本文介绍一种方法，可使个体在仰卧于扫描仪狭窄孔道内时，实时观察自身腿部的运动。通过使用摄像机实时捕捉移动腿部的影像，并结合镜面系统和受试者可直接观看的显示器，即可准确再现手法治疗所引发的生动且沉浸式的感受。

以往的研究曾尝试采用视频录制、虚拟现实和预先录制的动画等技术作为呈现视觉刺激的手段，以克服这些技术挑战^9,16,33,34。然而，这些技术在有效性方面存在局限^{35,36,37,38,39}。特别是在使用预先录制的视频时，受试者的动作与视频中提供的动作之间常常存在同步性差的问题，同时缺乏时间精度，导致个体难以产生其自身腿部正在运动的真实感。为了增强这种感觉运动沉浸感，研究人员尝试了其他技术，例如虚拟现实和数字化动画。然而，由于图像分辨率低、视野有限、人体动作不真实或非自然，以及存在运动延迟（即动作不同步），这些方法未能产生令人信服的视觉感受。此外，缺乏精确的建模，以及对摩擦、动量和重力等其他特征的控制不足，进一步阻碍了生动且沉浸式体验的形成⁴⁰。因此，对于截肢者而言，探索确保受试者充分参与认知任务（观察）并沉浸于缺失肢体运动错觉中的策略具有重要意义。最后，开发和实施这些复杂策略所需资源可能耗时较长，且成本高昂。

我们介绍了一种新方法，该方法能够营造出逼真且生动的沉浸感，使参与者在进行镜像疗法³¹的过程中，能够实时看到其自身肢体投影图像的实况视频。该方法在个体位于扫描仪孔内时即可实施，无需高昂成本或复杂的技术开发。

本方案是一项由美国国立卫生研究院（NIH）研究项目资助（RO1）的临床试验的一部分，旨在评估一种神经调节技术——经颅直流电刺激（tDCS）——与行为疗法（镜像疗法）联合应用对幻肢痛的缓解效果³¹。我们通过疼痛视觉模拟评分（VAS）在基线期、每次干预前及干预后评估疼痛变化。功能性磁共振成像（fMRI）被用作神经生理学工具，以评估大脑功能的结构变化及其与幻肢痛（PLP）缓解之间的相关性。因此，首先获取一次基线fMRI，以建立受试者大脑结构组织的初始图谱，该图谱可显示是否存在皮层适应不良性重组^{5,6,8,11,13,14,18,28}，或显示不存在此类重组¹⁹；同时，研究人员可观察镜像疗法（MT）任务在基线期激活了哪些脑区，以理解这些脑区对MT的激活反应；最后，可在干预后获取第二次fMRI，以检测联合tDCS与MT治疗后是否引发了皮层重组的变化（调节），并分析这些变化是否与疼痛程度的改变相关或存在关联。因此，本方案使研究人员能够评估幻肢痛患者在进行镜像疗法期间大脑结构重组的变化，并有助于判断fMRI中观察到的这些变化是否与幻肢痛的改变相关，从而进一步揭示镜像疗法如何影响大脑结构与功能活动以调节幻肢痛的机制。

方案

1. 受试者的准备

1. 在参与之前，让受试者填写知情同意书，并完成MRI安全性筛查评估，后者由扫描机构的神经影像技术人员实施，以确保受试者不存在任何已知的扫描禁忌症（例如体内有金属、幽闭恐惧症史或妊娠）。
2. 向受试者提供有关实验流程的详细说明。
3. 让受试者聆听一段指导性录音音频，以确保其能够理解并在扫描过程中遵循所提供的指令。
4. 在模拟扫描仪中进行一次预演，以帮助受试者熟悉扫描环境中的任务指令。
   注意：模拟扫描仪在各方面均与实际采集数据的MRI扫描仪相同，但无工作磁体。
5. 明确指示受试者避免残肢和幻肢的任何运动，以防残端肌肉收缩干扰脑信号。

2. 实验准备

注意：实验方案与先前用于研究与想象上肢运动相关的神经活动的研究中所描述的方法类似。在此，我们已将该方法调整用于下肢运动的研究。具体而言，行为任务包括以下内容。

1. 进入扫描室前，要求参与者取下假体及所有金属物品。
2. 让MRI技术人员确认参与者体内或体表无任何可能带来风险的金属物体。
3. 使用MRI兼容的轮椅将参与者转运至MRI检查室；随后，请参与者自行转移到MRI扫描仪检查床上。
4. 对于MT检查，当参与者仰卧于扫描床时，将其双腿之间放置一个由三角支架支撑的单件式、MRI兼容的水平镜（10,000 mm x 255 mm x 3 mm）。使用沙袋以确保镜面稳定并获得更佳定位效果。将镜面支架连接至可调节臂，使其能够根据受试者的身高和体位进行调整，且不接触身体任何部位（ 图1）。

图1：摄像头与镜子的设置。 镜子置于双腿之间，角度约为45°，具体角度根据受试者的身高和截肢水平进行调整。目标是遮挡残肢，使其对视频系统不可见。使用沙袋固定镜子至正确位置。摄像头的位置也可调节，可通过三脚架或可调云台（改变摄像头角度）轻松调整。请点击此处查看该图的放大版本。

5. 为提供视觉反馈，将一台与 MRI 兼容的数码相机安装在靠近受试者未受伤腿侧的可调节三脚架支架上（图 1）。
   注：所用相机列于材料表中，价格约为 217 美元。该相机的图像分辨率为 1,080 像素。由于相机本身未置于 MRI 扫描孔内，因此无需使用更昂贵的 MRI 兼容系统。相机通过一根可弯曲的模块化软管连接至 MRI 安全的输液架，以便调整位置。
6. 将相机固定在三脚架上，以便适当调节视角和视野范围。
7. 在 MRI 头线圈上放置第二面镜子，使受试者在完全位于扫描仪孔内平躺时，能够直接看到显示器上呈现的图像（图 2）。

图2：扫描环境中摄像机与图像投射的示意图。 镜像疗法系统的实时视频投射包含三个子系统。1）摄像机与显示器子系统：视频被传输至显示器，使受试者能够实时观察腿部与镜像腿部的运动。2）带有附着镜面的头部线圈：头部线圈内的镜面使参与者无需移动头部即可观察显示器，镜面位于眼睛水平位置，呈45°角。3）镜面与沙袋：将MRI兼容的镜面小心地放置于双腿与残肢之间，使其覆盖残肢，并确保显示最佳图像。请点击此处查看该图的放大版本。

8. 设置通过计算机控制系统传输的实时视频图像，并将其投影到扫描仪孔后端（靠近受试者头部位置）的显示器上。
   注意：投影与实际动作捕捉之间无明显时间延迟。实际动作与视觉反馈之间的间隔小于一秒，不会影响受试者对实时性的感知。

3. 扫描与数据采集

1. 使用配备8通道相控阵头线圈的3 T磁共振扫描仪采集fMRI数据。
2. 获取成像序列，包括高分辨率T1加权结构像（TE：3.1 ms，TR：6.8 ms，翻转角：9°，各向同性体素大小为1 mm）（解剖扫描），以及基于多层梯度（快速场）回波平面成像（EPI）方案并采用标准参数（TE：28 ms，TR：2 s，翻转角：90°，各向同性体素大小为3 mm，轴向定位并覆盖全脑）的血氧水平依赖（BOLD）fMRI信号测量。
   注意：整个扫描过程持续约30分钟，包括初始4分钟的结构（解剖）扫描和四次功能任务扫描，每次持续6分钟。在每次任务（功能扫描）期间，受试者需以每秒1次的频率进行脚部点动。
3. 扫描过程中，要求受试者在整个扫描期间佩戴符合MRI要求的隔音耳机（例如Westone），以便听清研究人员的听觉指令。
4. 当受试者平躺在扫描仪内时，播放听觉音频，使受试者接收到执行指定行为任务的一系列听觉提示。
5. 使用以下指令：1）“腿”表示残肢侧腿部运动（见步骤3.11后的说明）；2）“镜像”表示在观看实时视频记录的同时移动健侧腿（从而通过镜像效应观察到腿部在残肢位置的运动）；3）“休息”表示受试者停止任何腿部运动，闭眼静卧。此外，研究人员应说出“开始”和“结束”，分别表示实验运行的开始和结束（ 图3）。

图3：任务设计。 任务设计包含三个步骤。在第一个“腿部”步骤中，要求受试者闭眼，以大约每2秒一次动作的频率活动腿部（屈脚），在20秒内完成10次动作。在第二个“镜像”步骤中，受试者需在观看显示腿部实时镜像视频的显示器的同时，继续完成相同的腿部运动（20秒内10次动作）。最后一个步骤要求受试者静止休息。

6. 让参与者闭眼时用未截肢的下肢执行一个动作（例如，以大约每2-3秒一次的频率重复进行足部的跖屈和背屈运动）。
7. 让参与者执行相同的腿部动作，但此时参与者通过实时视频捕捉观察其 intact 腿运动时在截肢侧位置上呈现的镜像画面。
8. 让参与者执行静息状态，即保持静止不动，双腿不进行任何运动。
   注意：每个条件持续20秒（即一个实验区块=60秒），整个运行时长为6分钟（每个区块重复六次实验运行）。
9. 在单次会话中完成每位参与者的全部数据采集。
10. 指导研究人员记录任何不必要的动作，并在每次运行之间提醒参与者保持正确的节奏和动作。
11. 确保操作完成后，研究人员将数据转移至加密的U盘，并存放在机构内的安全位置。
    注意：在本方案中，“腿”一词用于替代“足”。尽管参与者仅进行足部运动（由于MRI设备的限制），但他们中的大多数截肢部位涉及下肢更大范围，因此被称为截肢者（leg amputees），而非足部截肢者。

4. 分析

1. 使用标准技术分析功能神经影像数据^30,41，采用纵向分析设计（基线与治疗后）及FMRIB软件库（FSL）软件包中的处理流程^42,43.
   1. 对每个功能扫描，使用首个体积对齐进行三维运动校正，采用高通滤波去除时间线性趋势，进行切片时间采集校正，并进行空间平滑处理（高斯核，半高全宽 [FWHM] 5.0 mm）。
      1. 使用 FSL 的运动离群值检测处理流程，标记任何方向上运动幅度超过 0.9 mm 的数据体积，并在最终分析中通过数学方法将其“擦除”⁴⁴.
         注意：如果超过25%的容积被标记为需去除，则应将整个采集数据从总数据集中排除。
   2. 将每个预处理后的功能像与高分辨率解剖像进行配准，然后将其转换至标准的Talairach空间。
   3. 将一般线性模型（GLM）拟合到体素时间序列，其中每种实验条件由一个框车回归量建模，并使用双伽马血流动力学响应函数进行平滑。
   4. 使用高分辨率解剖T₁-加权的解剖体积图像构建膨胀的皮层表面网格，以观察脑沟内的激活，然后将每位受试者每个感兴趣对比的个体图谱投影到该受试者重建的网格上。
      注意：投影图应显示来自广义线性模型（GLM）的显著性数值。将统计显著性阈值设定为标准标准 p < 0.001，经多重比较校正，采用簇大小阈值调整。
2. 进行感兴趣区域（ROI）分析。
   1. 使用 FreeSurfer 的 Desikan 图谱广泛定义初级感兴趣区域（ROI）⁴⁵ 初级感觉运动皮层，然后在基线扫描期间利用受试者在腿部运动与静息状态下的特异性功能激活，对每个受试者进行个体化优化。
   2. 将优化后的初级感兴趣区域（ROI）映射到对侧半球的同源区域（即完整下肢同侧初级感觉运动表征区）。
   3. 使用标准的 FreeSurfer 解剖学 Desikan 图谱⁴⁵ 用于定义次要感兴趣区域（ROI）的整个（双侧）枕叶视觉皮层。

结果

利用实时视频投影产生与MT相关的感知是可行的。参与者主观报告称，所感知的视频图像逼真，且具有沉浸感。

此外，在扫描仪环境中与镜像治疗（MT）相关的皮层激活模式（即：腿部运动并观察投射的镜像）十分显著。在一项初步研究中，采用fMRI记录了一名左下肢截肢参与者（男性，56岁，因创伤导致左小腿膝下截肢）按照上述任务方案执行MT时的皮层反应。将腿部运动与静息状态进行比较，结果显示对侧（即左侧）半球腿部感觉运动区出现显著激活。同时，在同侧皮层的感觉运动腿部区域也观察到激活（图4A）。镜像条件与静息状态的比较也证实了对侧和同侧皮层腿部感觉运动区均存在显著激活。此外，在后部枕叶（即视觉）皮层区域也观察到显著的皮层激活，这些区域与观察运动腿部的投射图像相关。

所述的激活模式代表基线条件下的...

讨论

本方案描述了一种新颖且可行的实验流程，可使研究人员准确表征伴有幻肢痛（PLP）个体中与MT相关的神经活动特征。

如前所述，以往的研究尝试通过结合视频录制、虚拟现实和预录制动画等多种技术来探究与镜像疗法（MT）治疗相关的神经机制^9,33,34。然而，这些方法在有效性方面存在局限性^37,38,39。在本研究所述的方案中，我们采用简单、市售且低成本的组件，在磁共振成像（MRI）环境中营造出逼真且沉浸式的镜像疗法体验。所使用的所有设备均符合MRI兼容要求（即由非铁磁性材料制成），并可根据每位受试者进行轻松调整和修改。该装置的关键部分由三个主要子组件构成：（1）摄像机和显示器；（2）安装在头部线圈上的反射镜；（3）大型反射...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
扫描仪	Phillips	NA	3 Tesla Philips Acheiva MRI scanner
摄像头	Logitech	NA	HD Pro Webcam C910
显示器	Cambridge Research Systems	NA	3D BOLD screen for MRI
镜子	TAP Plastics	99999	Mirrored Acrylic Sheets (Cut­to­Size) ­ Clear 1/8 (.118)" Thick, 10" Wide, 40" Long
镜架		NA	镜架由合作研究人员使用一块矩形木板自行制作
耳机	Westone Sensimetrics	PN 79245	通用型耳塞的替换用符合性泡沫耳塞套。耳道尺寸：标准，6个/3对  磁共振兼容入耳式耳机
MRI 扫描仪	Phillips		3.0 T Philips Achieva System