一套闭环TA-VNS系统，配合基于BCI的运动训练，用于中风后上肢康复

摘要

本研究展示了一套与基于BCI的运动训练同步的闭环ta-VNS系统的标准化协议。此外，研究比较了闭环ta-VNS系统与基于BCI的运动训练同步的疗效，与假TA-VNS系统在中风康复中的临床应用提供了重要证据。

摘要

经皮耳廓迷走神经刺激（ta-VNS）通过电极对耳甲施加电刺激。这激活迷走神经传入纤维，启动从外周向上通路到脑干，最终刺激中枢迷走神经投射并促进神经可塑性。以往研究表明，将ta-VNS与运动训练结合，对中风后运动恢复具有协同效应。然而，这些结合方法通常采用固定参数的开环刺激，缺乏对动态神经活动的实时闭环响应能力。为解决这一限制，我们开发了一种新型闭环TA-VNS系统，与脑电图（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。我们建立了一套标准化方案，用于将这一闭环ta-VNS系统与基于BCI的运动训练同步应用于卒中患者。利用基于脑电图的功能评估，我们比较了闭环ta-VNS系统与基于BCI的运动训练同步的效果，与假TA-VNS同步配合基于BCI的运动训练效果。本研究为该方法在中风康复中的临床应用提供了方法学和理论基础。

引言

经皮耳廓迷走神经刺激（ta-VNS）是一种非侵入性神经调节技术，用于缓解中风后运动^障碍1.该方法通过电极刺激耳甲，激活迷走神经的耳支。这种刺激启动孤束核（NTS）-蓝斑核（LC）通路²，该通路上升至运动皮层、额叶、丘脑和小脑的中央迷走神经投射。这一过程增强了神经可塑性和网络重组。³.与传统的侵入性迷走神经刺激相比，ta-VNS在降低手术风险和^{并发症发生率}的同时，保持了治疗效果这些优势使其成为康复科学中重要的研究重点 ^5,6,7。

临床证据支持结合ta-VNS与运动训练增强中风后运动功能的疗效。Chang等人将36名上肢受损的中风^{患者随机分为} 两组：主动型TA-VNS配合机器人运动训练组与假TA-VNS配合机器人训练组。主动的ta-VNS组在上肢痉挛和肌电图活动方面显著改善，显示运动恢复增强。作为补充，Zheng 等^人9利用 运动诱发电位，证明接受与机器人训练同步的 ta-VNS 中风患者表现出初级运动皮层（M1）兴奋性（幅度）增强和传导效率提升（降低潜伏期），相较单纯接受机器人训练者。这表明结合ta-VNS促进功能性皮层重组，促进运动恢复。

然而，现有的联合干预通常采用固定参数开环刺激，缺乏对神经状态的动态闭环响应。为解决这一限制，我们设计了一种新型脑电图（EEG）触发闭环系统，将ta-VNS与基于脑机接口（BCI）的运动训练整合（见图1），由四个组件组成：同步系统、EEG采集单元、用于手部康复的气动手套和ta-VNS设备。脑电图采集单元通过解码脑电信号捕捉运动意图相关的大脑参与，利用实时参与特性作为生物标志物，触发气动手套和ta-VNS设备¹⁰。两台设备通过有线串口连接到同步主机。当大脑参与达到预定阈值时，设备同步激活，实现与运动训练精确匹配的闭环TA-VNS干预。这种同步被假设用于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配合运动训练可以调节皮层的兴奋性和突触功能¹¹。相反，如果大脑参与值低于阈值，则不会触发ta-VNS。鉴于闭环ta-VNS与运动同步显示出提升运动恢复结果的^{潜力，预计}该系统可能增强皮质脊髓联结并促进突触可塑性，从而对神经康复研究具有重要前景。

该系统主要适用于中风患者，患者患有上肢运动功能障碍。资格要求患者具备足够的认知能力以适应任务遵循，并且生命体征稳定。主要禁忌包括植入电子设备、耳刺激部位皮肤病变或异常、已诊断的颈部迷走神经病理或特定心律失常。操作限制包括需要受过培训的人员进行干预，并在初始会谈期间持续监测，以确保刺激耐受性和程序安全。

鉴于该集成系统的新颖性，标准化的应用协议对于确保方法的管理和复制一致至关重要。因此，本文的主要目标是提出一个与基于BCI的运动训练同步的闭环ta-VNS系统的标准化方案。此外，我们利用基于脑电图的功能评估在一个代表性案例中，初步探讨了闭环ta-VNS系统与基于BCI的运动训练同步的神经调节效果，与假TA-VNS与基于BCI的运动训练同步的差异。本研究奠定了方法学基础，并展示了在临床环境中应用这种同步干预的初步可行性。

方案

该研究于2025年4月30日获得中山大学第七附属医院医学伦理协会（深圳）批准（审批号：KY-2025-318-01）。该试验于2025年6月16日在中国临床试验注册处（注册号：ChiCTR2500104317）注册。受试者签署了知情同意书。

1. 招募

1. 纳入标准
   1. 招募符合第四届全国脑血管疾病学术会议确定的中风诊断标准（包括脑出血和梗死）的受试者。
   2. 招募首次发作、通过颅CT或MRI确认脑出血或脑梗死，病程2周的受试者≤病程≤6个月。
   3. 招募对象年龄在18至80岁之间。
   4. 通过微型精神状态检查（MMSE）≥21招募受试者。
   5. 招募中风后上肢和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. 招募有自愿签署知情同意的受试者。
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. 排除使用起搏器或神经刺激器的受试者。
   3. 排除认知功能障碍的受试者。
   4. 排除刺激部位有感染、溃疡或疤痕的受试者。
   5. 排除心率<60次/分钟的受试者。
   6. 排除孕期和哺乳期的女性。
   7. 排除严重视觉或听觉障碍导致无法感知实验线索的受试者。

2. 基础信息收集

1. 收集并记录受试者的基本信息，包括年龄、性别、疾病持续时间、中风类型、偏瘫侧、手部布伦斯特罗姆期以及上肢运动功能Fugl-Meyer评估（FMA-UE）。
2. 实施受试者内交叉设计，受试者完成两种干预条件：闭环ta-VNS与基于BCI的运动训练同步，以及假TA-VNS与基于BCI的运动训练同步，中间有6天的洗净期。

3. 闭环TA-VNS系统，与基于BCI的运动训练同步

1. 科目准备
   1. 在正式干预前，所有参与者都接受了对实验程序的全面说明，并完成了简短的练习，以确保他们理解运动意象任务，并能清晰感知所有视觉和听觉线索。
2. 测试前准备
   1. 将4.5克氯化钠加入150毫升纯水，然后用力摇晃至完全溶解，制成3%氯化钠电解质溶液。
   2. 将电解液放入容器中，然后浸入32片棉片，在室温下浸泡3–5分钟。
   3. 挤出棉垫里多余的水分。
   4. 将棉垫套插入电极底座的卡片槽。
   5. 顺时针旋转时捏住电极底座，直到听到“咔嗒”声。
   6. 依次安装30个脑电极和2个电极，参考电极位于CPz，地面电极位于FPz。
   7. 戴上脑电图帽，使用国际10-10系统定位Cz点。
      1. 使用32通道基于生理盐水的无线多通道脑电采集与分析系统获取脑电信号。根据国际10-10系统，参考电极位于A1（左耳垂），接地电极置于AFz（额中线）。该装置包括30个记录电极和2个EOG电极。
      2. 放大器规格设定为：输入阻抗为1 GΩ，输入噪声<0.4 μV，共模抑制比为-120 dB。记录时保持电极-表皮界面阻抗低于5 kΩ，并以250 Hz采样脑电信号。
   8. 将醖电极置于顶点——即连接两侧耳垂的耳间线与鼻-网管线（从鼻尖延伸至鳞片）的交点
   9. 安装时，可以轻轻地将放大器插入脑电图电容的插头，并固定在电容上。
   10. 将耳夹刺激电极连接到ta-VNS主机。
   11. 取出酒精棉签，清洁受试者的耳甲。
   12. 将刺激电极应用于耳甲。
   13. 戴上气动手套并调整到舒适的佩戴感，以防止过度紧或松动影响训练效果。
3. 软件实现
   1. 通过按住位于ta-VNS主机设备右侧的绿色按钮来开机。
   2. 通过USB接口将ta-VNS刺激器连接到基于BCI的运动训练系统。
      注意：ta-VNS刺激器连接到一个USB转TTL模块，通过USB线与PC建立串行通信，以同步基于BCI的运动训练系统。串口配置为38400 bps波特率，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. 点击右上角的启动装置按钮，然后点击左侧的“阻抗检测”按钮，确保电极阻抗保持在5 kΩ以下。在所有电极阻抗≤ 5 kΩ且指示灯变为绿色/黄色之前，不要继续运行。
      1. 如果检测到高阻抗（红色指示），请通过以下方式调整：（1）轻轻旋转电极底座，（2）重新给头皮注射生理盐水，（3）依次优化每个电极，直到指示器变为绿色/黄色。
      2. 对于任何电极持续存在高阻抗，取出棉垫托盘，重新用生理盐水饱和，重新装入电极底座，轻轻扭转直到达到阻抗降低。
   5. 启动闭环ta-VNS系统，配合基于BCI的运动训练软件（HandGame-V1.0.0），输入受试者的人口统计信息：姓名、性别和出生日期。
   6. 访问训练设置并配置：收缩速度：高，训练部位：左手，运动影像难度：低，训练时长：20分钟。
      注意：收缩速度参数定义了气动手套指关节的角速度。“高”档位约为68°/s，“低档”对应30°/s。选择应根据患者的肌肉张力进行调整;例如，“高速”不适合痉挛患者。本案选择了“高”设置，因为患者（布伦斯特罗姆I期，软化期）肌肉张力偏低。运动影像难度由激活基于BCI的运动训练系统所需的最低脑部参与阈值定义，该阈值在5秒任务周期内完成。阈值设置为“低”级50，“中”级60%，“高”级80。在该患者的初次训练中，选择了“低”难度等级。随后根据患者的表现调整难度，主要考虑训练过程中成功触发的运动意象触发次数。
   7. 使用默认起始1 mA和允许范围0–8.0 mA调整电流强度，逐步增加0.2 mA电流，直到患者报告强烈但舒适的刺痛感，且无疼痛或不适。如果患者感到疼痛或不适（如灼烧感、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赫兹，脉冲宽度：300微秒，刺激持续时间：5秒。
   8. 开始培训。
   9. 执行周期性运动意象训练。
   10. 按结构化循环顺序进行单个运动意象训练任务，如图2所示：
   11. 休息阶段（5秒）：在此阶段记录基线脑电数据，以便后续校准和分析。
   12. 运动影像与脑电图采集（5秒）：
       1. 通过同步脑电图采集进行视觉/听觉线索诱导手抓取意象训练。大脑参与是一种无量纲指标，源自脑电信号，用于量化运动影像中的注意力集中。
       2. 在250 Hz采样脑电图信号，并用8–30 Hz带通滤波器处理，以保留感兴趣的频率。应用滑动窗口（长度：4秒，步距：1秒）。
       3. 通过快速傅里叶变换（FFT）计算每个窗口的功率谱密度（PSD）。计算阿尔法（8-13 Hz）和贝塔（14-30 Hz）（E_α和E_β）波段的能量，并推导其比值 R = E_β / E_α。然后，将比值R归一化为0到100之间的值。随后使用公式计算脑参与值：脑参与度=100 ×（R - min） / （最大值 - 最小），其中经验常数max = 3.50和min = 0.35，均基于先前校准数据集¹³。
   13. 反馈与刺激阶段（5秒，视成功而定）：如果在任务期间脑部参与值大于或等于预定阈值50，则同时启动气动手套运动和verum ta-VNS，持续5秒，构成同步BCI-ta-VNS干预。除此之外，既没有气动反馈，也没有出现声动声刺激，并且通过听觉提示鼓励患者坚持。
   14. 训练后终止与基于BCI的运动训练软件同步的闭环ta-VNS系统。

4. 假TA-VNS与基于BCI的运动训练同步

1. 步骤3.1到3.3保持相同，但在步骤3.3.7中，将基于BCI的运动训练中的ta-VNS电流强度降至零。除ta-VNS电流外，所有参数均与第3节所述相同。培训时长为20分钟。

5. 离线脑电数据处理与分析

注意：离线脑电数据处理和分析使用MATLAB R2021a，配合EEGLAB（v2024.2）和ERPLAB（v12.00）工具箱进行。处理流程主要分为两个阶段：预处理和分析。

1. 数据预处理
   1. 执行数据导入和通道配置：
      1. 将获得的连续脑电图数据转换为.mat格式.csv并导入EEGLAB。采样率设为250 Hz。
      2. 加载对应脑电盖的通道位置文件，绘制电极位置以验证坐标。移除未使用的心电极。
   2. 滤波：对两次干预的任务状态脑电图数据施加双向FIR带通滤波器（0.1–40 Hz），以消除基线漂移并抑制高频噪声。
   3. 执行分期分析。
      1. 根据事件标记对数据进行细分。标记1表示运动成像任务的开始时间。提取相对于标记1的-2000毫秒到+5000毫秒的历元，但只选择那些成功触发的试验（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）进行后续分析。
      2. 在刺激前，使用-2000毫秒到-1000毫秒之间的间隔进行基线修正。导出EVENTLIST以记录标记的数量和时间。
   4. 移除伪影。
      1. 通过直观检查时代数据，识别并剔除异常片段和不良通道。插值识别出不良通道。随后，将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，并以超过90%概率去除被识别为眼部或肌肉伪影的成分。自动拒绝之后，进行了人工检查以确认已移除与伪影相关组件。
   5. 重新引用：将数据重新引用为所有通道的平均值。
2. 数据分析
   1. 时间-频率分析：对任务状态脑电图数据应用小波变换以进行时频分析。使用-2000毫秒到-1000毫秒这段时间作为基线校正。在0毫秒到5000毫秒的时间窗口内分析电极C4的事件相关脱同步（ERD）现象。
   2. 功率谱和地形图分析：利用FFT计算提示后500毫秒至3000毫秒间阿尔法和贝塔波段（8–30赫兹）的平均功率。绘制平均能带功率的拓扑图，以可视化感觉运动皮层激活的空间分布。

结果

一名37岁男性中风患者先后接受了两种干预：一个与基于BCI的运动训练同步的闭环ta-VNS系统，以及一个与基于BCI的运动训练同步的假TA-VNS系统。基线特征见 表1。系统干预参数见 表2。

对于中风患者，记录了两种干预方案中成功的运动影像试验数量。在20分钟闭环ta-VNS与基于BCI的运动训练同步进行中，记录了54次成功触发，每次触发5秒同时气动手套运动和verum ta-VNS，总有效刺激时间为270秒（计算为成功触发次数×5秒）。在20分钟内，假TA-VNS配合基于BCI的运动训练，43次成功触发，每个触发激活气动手套5秒，同时进行假TA-VNS（0 mA），总有效手套激活时间为215秒。

在数据采集前，电极阻抗进行了验证以确保信号质量。 图3提供了系统软件接口的截图，确认所有电极阻抗在任务开始前均处于或低于5 kΩ阈值。<...

讨论

先前研究证实，将ta-VNS与传统运动训练同步，有助于优化中风后运动恢复的治疗效果，这很可能通过精确的神经调节促进神经重组（^8,14）。基于这些证据，我们建立了标准化实验方案，并利用脑电图生物标志物监测感觉运动皮层激活模式，特别是在干预期间阿尔法和贝塔波段拓扑分布中有所体现。

闭环系统的实现和实验完整性依赖于若干关键步骤：首先，根据国际10-10系统（步骤3.2.7–3.2.8）精确放置脑电极，并进行阻抗验证（步骤3.3.4）。30个脑电图和2个电极的最佳定位决定信号质量¹⁵，这决定了运动影像解码的准确性并促进同步的视神经内行神经刺激干预。其次，干预前设置需要个体化调整ta-VNS当前强度（步骤3.3.7），以确保安全性和疗效。第三，通过USB接口进行硬件同步（步骤3.3.2）协调ta-VNS刺激器和脑机接口训练设备。运动影像识别通过专用接口同时触发干...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
酒精卫生巾	稳健医疗集团有限公司		皮肤消毒
电解液瓶	习安振泰智能技术有限公司		容量：150毫升，用于储存电解液
Fugl-Meyer上肢运动功能评估	瑞典学者Fugl-Meyer开发的标准化评估	钢之炼金术师-UE	它主要用于临床评估中风患者上肢的反射活动、运动控制和肌力。
手部功能康复培训与评估系统	习安振泰智能技术有限公司	真泰克-H1	训练系统以气动方式控制康复训练手套，帮助患者通过多模式训练 手部肌肉康复训练逐步实现康复训练。培训内容非常有趣，沉浸式，并具有评估功能，可以评估患者的手部功能 康复状态。
心率监测仪	深圳汇英电子科技有限公司	HY-HRV-001	监测心率
林克棉	习安振泰智能技术有限公司		用于吸收盐水并传输信号
迷你精神状态检查	由Marshal F. Folstein等人开发的标准化评估。	MMSE	成人认知障碍的快速筛查
纯净水	中国资源天博饮料有限公司	宜宝净水	150毫升用于制备电解液
生理盐水电极无线多通道脑电采集与分析系统	习安振泰智能技术有限公司	真泰克-NT1-G	脑电采集设备为32导联生理盐水电极无线多通道脑电采集与分析系统。根据国际10-10系统，拥有30个采集电极和2个眼科电极。器件的输入阻抗为1 G和Ω;输入噪声小于0.4 & μ;共模抑制比为-120 dB。电极磨损阻抗低于5 k和Ω，脑电采样率为500Hz。
氯化钠	习安振泰智能技术有限公司		4.5 克，用于制备电解液
经皮耳廓迷走神经刺激器	深圳汇英电子科技有限公司	HY-TVNS-001	该产品主要由无创迷走神经刺激器宿主、非侵入性迷走神经刺激器表面电极、充电线组成。刺激器的电极可由软件控制，刺激参数包括频率、脉冲宽度、时间、模式等。
湿润瓶	习安振泰智能技术有限公司		容量：250毫升，用于浸泡棉絮