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

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。
   ....

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