經顱直流電刺激（tDCS）已成為卒中后康復治療的新手段，并且逐漸被人們所接受。然而，tDCS治療腦卒中的神經生理機制仍需進一步探討。本文納入了30例大腦左側受損的腦卒中患者，隨機分為tDCS真刺激組（15例）和tDCS偽刺激組（15例）。采集兩組受試者刺激前、后的靜息態腦電（EEG）信號，分析對比刺激前、后EEG信號δ、θ、α和β頻帶的功率譜密度差異，并計算了δ/α功率比值（DAR）。結果發現，真刺激后δ頻帶能量在左顳葉區明顯降低，差異具有統計學意義（P < 0.05）；α頻帶能量在枕葉區明顯增強，差異具有統計學意義（P < 0.05）；θ和β頻帶能量在整個腦區的差異不具有統計學意義（P > 0.05）。偽刺激前、后δ、θ、α和β頻帶能量在整個腦區的差異不具有統計學意義（P > 0.05）。另一方面，真刺激后腦卒中患者的DAR值明顯降低，差異具有統計學意義（P < 0.05），偽刺激后DAR值差異不具有統計學意義（P > 0.05）。本研究在一定程度上揭示了tDCS治療腦卒中的神經生理機制。
引用本文： 劉蒙蒙, 徐桂芝, 于洪麗, 王春方, 孫長城, 郭磊. 經顱直流電刺激下腦卒中患者腦電功率譜密度研究. 生物醫學工程學雜志, 2022, 39(3): 498-506. doi: 10.7507/1001-5515.202110081 復制
引言
腦卒中是當今社會造成癱瘓的首要疾病，嚴重損害了患者的獨立生存能力[1-2]。目前，臨床上最常用的卒中后干預療法是通過刺激外周神經從而引起大腦受損部位的神經功能變化[3]。隨著世界各國“腦計劃”啟動，人們對大腦的認識逐漸加深，出現了一系列直接針對患者大腦神經系統的干預方法。經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一種神經調控技術，通過放置在頭皮上的電極片輸出微弱的直流電，其中陽極電極增強神經興奮性，陰極電極抑制神經興奮性[4-5]。tDCS具有安全、低成本、易于接受等優點，在腦卒中等神經損傷疾病的治療中被廣泛關注[6-7]。
近年來，越來越多的研究證明tDCS能夠改善腦卒中患者的運動功能[8-9]。王偉等[8]研究tDCS對腦卒中患者上肢運動功能的影響，采用上肢運動功能評分量表和日常生活活動能力評定量表等量表評估。結果發現，真刺激組各項評分明顯優于偽刺激組，證明tDCS能夠改善腦卒中患者上肢活動。Bolognini等[9]研究tDCS治療腦卒中的臨床效果，采用美國國立衛生研究院卒中量表評估，并且測量了刺激前后患者的手握力。結果發現，接受tDCS干預的患者上肢肌力有明顯改善。然而，相關領域絕大多數的研究側重于tDCS對腦卒中患者肢體的改善效果，缺乏神經生理機制方面的探究。
腦電圖（electroencephalogram，EEG）可以監測神經電生理信號，具有易操作、價格低、無創傷等特點，通過高時間分辨率的電信號來反映潛在的神經元活動，常用于各種神經損傷疾病的預測、診斷、臨床康復評估[10-11]。Saes等[12]分析了21例腦卒中患者和11例健康受試者的EEG信號頻譜差異。結果發現，腦卒中患者半球間頻譜能量不對稱，且以低頻最為明顯。Finnigan等[13]采集18例腦卒中患者和28例正常人的EEG信號，并分析EEG頻譜的7項特征。結果發現，δ/α功率比值（delta/alpha power ratio，DAR）在腦卒中患者和正常人的區分中準確率最高，認為DAR是評估腦卒中患者臨床治療的指標之一。
基于上述研究，本研究招募了30例大腦左側受損的腦卒中患者，隨機分成真刺激組和偽刺激組。采集兩組受試者靜息態EEG信號，分析對比真/偽刺激前、后EEG信號δ、θ、α和β頻帶的能量差異，并計算了頻譜特征DAR值。本文探究了tDCS干預下腦卒中患者的神經電生理變化，在一定程度上揭示了其治療腦卒中疾病的神經生理機制。
1 試驗內容與處理方法
1.1 試驗對象
本研究從天津市人民醫院篩選了30例大腦左側受損的腦卒中患者，將其隨機分為tDCS真刺激組（15例）和tDCS偽刺激組（15例）。選入標準：① 首次患有缺血性腦卒中，且符合《中國腦血管病防治指南》診斷要求；② 年齡大于18歲；③ 患病時間不超過4個月；④ 病情穩定，能夠配合完成試驗。排除標準：① 患有中樞神經疾病，如帕金森；② 有精神病史或卒中后抑郁；③ 有電休克治療史；④ 患有創傷性腦損傷。每個腦卒中患者在加入試驗之前都簽訂了知情同意書。研究內容由河北工業大學生物醫學倫理委員會審查并通過。
兩組受試者的基本信息如表1所示，其年齡、性別和病程的差異不具有統計學意義（P > 0.05）。
表1
受試者基本信息
Table1.
Basic information of subjects
1.2 試驗設備及參數選擇
電刺激儀（DC-STIMULATOR PLUS, Neuroconn, 德國）主要由電流發生裝置和2個電極片構成，刺激參數借鑒以往的tDCS相關研究[14-15]。施加刺激時，陽極電極片放置在患者患側（左側）半球的初級運動皮層，陰極電極片放置在患者健側（右側）半球的初級運動皮層。電極片面積為2.6 cm × 2.6 cm，電流強度為0.2 mA，刺激時長為20 min。EEG信號采集使用Neuracle可穿戴無線EEG信號采集系統（博睿康科技（常州）股份有限公司，中國），其配套32導無線電極帽，電極位置符合10-20國際標準。信號采集時，保持頭皮與電極之間的阻抗低于10 kΩ，采樣頻率為250 Hz。
1.3 試驗方法
腦卒中患者在同樣條件下分別接受tDCS真/偽刺激，刺激設計參考相關研究[16-17]。為了給予兩組受試者同樣的肢體感受，施加偽刺激時，在前40 s有正常電流輸出，40 s后設備自動切斷電流輸出。信號采集時確保患者無大幅度肢體活動，環境要求安靜、無外界刺激。
試驗設計如圖1所示，所有腦卒中患者在刺激之前采集5 min靜息態EEG信號，然后施加tDCS真/偽刺激20 min，最后再次采集5 min靜息態EEG信號。
圖1
試驗流程圖
Figure1.
Flow chart of experiment
1.4 腦電數據分析方法
1.4.1 信號預處理
EEG信號預處理采用科學計算軟件Matlab（2014a，MathWorks，美國），處理步驟如下[18]：① 導入數據并匹配電極位置；② 預覽EEG信號，采用差值校正的方法取代壞電極；③ 重參考，選擇平均參考；④ 濾波（0.5～40 Hz）；⑤ 獨立成分分析，去偽跡；⑥ 截取最優數據段。
1.4.2 功率譜密度分析
設置采樣頻率為250 Hz，快速傅里葉變換點數為2 048，使用漢寧（hanning）窗，窗口長度250，每段重疊率為50%。計算每個導聯以下4個頻帶功率值：δ、θ、α和β。
1.4.3 DAR評估
頻譜特征DAR值是評估腦卒中患者治療效果的重要參數，DAR值越低說明卒中后臨床康復效果越好[19]。一個導聯c，其δ頻帶平均功率與α頻帶平均功率的比值稱為 
，定義如式(1)所示：
 |
其中，
代表δ頻帶的平均功率，
代表α頻帶的平均功率。所有導聯的全局DAR定義如式(2)所示。其中，N代表全局導聯數量：
 |
1.4.4 統計學分析
統計學分析采用統計產品與服務解決方案軟件SPSS（19.0，SPSS Inc.，美國）。兩組受試者性別比較采用χ2檢驗，年齡和病程比較采用獨立樣本t檢驗。試驗結果分析中，真/偽刺激前、后各頻帶能量和DAR值比較采用配對樣本t檢驗，真刺激前和偽刺激前DAR值比較采用獨立樣本t檢驗。P < 0.05，表示差異具有統計學意義。
2 結果
2.1 功率譜密度分析結果
計算兩組受試者在全腦區中δ（0.5～4 Hz）、θ（4～8 Hz）、α（8～13 Hz）和β（13～40Hz）頻帶的平均能量，tDCS真/偽刺激前、后4個頻帶的能量對比如圖2所示，圖2中可以看出tDCS真刺激后腦卒中患者EEG信號能量在δ頻帶明顯降低，在α頻帶明顯升高。而tDCS偽刺激前、后腦卒中患者EEG信號各頻帶能量沒有明顯變化。
圖2
刺激前、后EEG平均能量對比
Figure2.
Comparison of EEG average energy before and after stimulation
計算tDCS真刺激前、后各導聯處4個頻帶能量如表2所示，計算tDCS偽刺激前、后各導聯處4個頻帶能量如表3所示。繪制真刺激前、后EEG信號4個頻帶的能量地形圖，如圖3所示。圖3中可以看出，在真刺激之前大腦左側受損的腦卒中患者EEG信號δ頻帶能量主要集中在額葉和左顳葉區。施加tDCS之后，δ頻帶能量在左顳葉區明顯降低，且差異具有統計學意義（P < 0.05）；在真刺激之前θ頻帶能量主要集中在受試者患側（左側）半球，且施加tDCS后θ頻帶能量在整個腦區的變化不具有統計學意義（P > 0.05）；在真刺激之前α頻帶能量主要集中在額葉和枕葉區。施加tDCS之后，α頻帶能量在額葉區有所增強，但差異不具有統計學意義（P > 0.05），α頻帶能量在枕葉區明顯增強，且差異具有統計學意義（P < 0.05）；在真刺激之前β頻帶能量主要集中在受試者健側（右側）半球，且施加tDCS后β頻帶能量在整個腦區的變化不具有統計學意義（P > 0.05）。繪制偽刺激前、后EEG信號4個頻帶的能量地形圖，如圖4所示。圖4所繪制的大腦左側受損腦卒中患者EEG信號各頻帶能量分布與圖3基本相同，且偽刺激前、后各頻帶能量差異不具有統計學意義（P > 0.05）。繪制真、偽刺激前EEG信號4個頻帶的能量地形圖，如圖5所示。圖5中可以看出兩組受試者刺激前各頻帶能量差異不具有統計學意義（P > 0.05），說明試驗分組對分析結果不構成影響。
表2
真刺激前、后各導聯處頻帶能量
Table2.
Frequency band energy of each channel before and after real stimulation
表3
偽刺激前、后各導聯處頻帶能量
Table3.
Frequency band energy of each channel before and after sham stimulation
圖3
真刺激前、后EEG平均能量地形圖
Figure3.
Topographic maps of EEG average energy before and after real stimulation
圖4
偽刺激前、后EEG平均能量地形圖
Figure4.
Topographic maps of EEG average energy before and after sham stimulation
圖5
真、偽刺激前EEG平均能量地形圖
Figure5.
Topographic maps of EEG average energy before real and sham stimulation
2.2 DAR分析結果
計算兩組受試者EEG頻譜特征DAR值，并求其平均值及標準差如圖6所示，圖6中可以看出真刺激后，DAR值明顯降低，差異具有統計學意義（P < 0.05），而偽刺激組DAR值差異不具有統計學意義（P > 0.05）。分析結果說明，tDCS可以降低腦卒中患者EEG信號δ頻帶能量，增強α頻帶能量，對其臨床康復具有積極作用。并且兩組受試者刺激前的頻譜特征DAR值差異不具有統計學意義（P > 0.05），證明試驗分組對結果不構成影響。
圖6
刺激前、后平均DAR值對比
*
*
3 討論
本文通過分析受試者EEG信號δ、θ、α和β頻帶的能量變化，探究tDCS干預腦卒中患者的神經生理機制。EEG信號主要分為δ、θ、α和β頻帶，其中δ頻帶常在成年人極度疲勞或病理等狀態出現，θ頻帶常在中樞神經系統受到抑制時出現，α頻帶常在成年人清醒、安靜、閉眼狀態出現，β頻帶常在大腦興奮時出現[20]。Min等[21]分析12例恢復良好和14例恢復不良的腦卒中患者，以及12例健康人的EEG信號功率譜密度。結果發現，EEG信號中低頻帶能量增強是腦卒中患者神經功能障礙的特征之一。程振仕[22]對比腦卒中患者和健康人的EEG頻譜，研究表明，腦卒中患者δ頻帶能量高于健康組，α頻帶能量低于健康組。本研究同樣發現，兩組左側大腦受損的腦卒中患者在施加刺激之前EEG信號低頻帶能量主要集中在大腦左側，高頻帶能量主要集中在大腦右側。分析其原因，可能是受試者大腦左側組織受到損傷，相應部位神經興奮性降低。
有研究發現，腦卒中患者運動功能障礙的原因是大腦受損部位神經功能受到損傷，進而損害了受損部位與運動皮層之間的神經通路，導致受損半球的運動皮層調節局部神經元活動的能力減弱，同時根據半球間互抑制理論，健側半球運動皮層興奮性會異常升高[23]。此外，有研究證明tDCS可以調節神經元膜電位，陽極刺激引發去極化，陰極刺激引發超極化，使受刺激的神經元或多或少產生動作電位[24-25]。當tDCS刺激大腦初級運動皮層時，陽極能夠增強皮層興奮性，陰極能夠抑制皮層興奮性[26-27]。本研究中，tDCS真刺激后大腦左側受損的腦卒中患者δ頻帶能量在左顳葉區明顯降低，差異具有統計學意義（P < 0.05）；α頻帶能量在枕葉區明顯增強，差異具有統計學意義（P < 0.05）。其原因可能是陽極刺激增強了受損半球初級運動皮層的神經興奮性，而陰極刺激抑制了健側半球初級運動皮層的神經興奮性，其改善了初級運動皮層對局部神經元活動的調節能力。程振仕[22]研究腦卒中患者溶栓后EEG信號頻譜變化，試驗將溶栓后的患者按條件分成兩組，一組為溶栓后運動功能改善，另一組為溶栓后運動功能無改善。結果發現，溶栓后運動功能改善的患者EEG信號δ頻帶能量明顯降低，差異具有統計學意義（P < 0.05）；α頻帶能量明顯升高，差異具有統計學意義（P < 0.05）。運動功能無改善組各頻帶能量則無顯著變化，證明EEG信號δ、α頻帶的能量變化能夠間接反映出患者的運動功能恢復情況。Finnigan等[28]研究頻譜特征DAR值在卒中后病情發展中的監測和預測作用，結果發現DAR值和美國國立衛生研究院卒中量表評分相關，證明DAR值是評估腦卒中患者臨床康復情況的有效指標之一。本研究發現，tDCS真刺激后腦卒中患者頻譜特征DAR值明顯降低，而偽刺激前、后DAR值差異不具有統計學意義，說明tDCS對腦卒中患者的臨床康復具有積極作用。而tDCS后腦卒中患者δ頻帶能量整體下降，α頻帶能量明顯升高，差異具有統計學意義（P < 0.05），這或許是tDCS治療腦卒中疾病的神經生理機制之一。本文主要探究了即時tDCS后腦卒中患者EEG信號頻譜變化，未來將加大病例數量，研究長時程tDCS對患者EEG信號頻譜的作用效應。
4 結論
本文通過分析tDCS真/偽刺激前、后腦卒中患者EEG信號δ、θ、α、β頻帶的能量變化以及頻譜特征DAR值，探討tDCS干預腦卒中患者的神經生理機制。結果發現，tDCS真刺激后受試者δ頻帶能量在左顳葉區明顯降低（P < 0.05），α頻帶能量在枕葉區明顯增強（P < 0.05），且頻譜特征DAR值明顯降低（P < 0.05）。本研究證明了tDCS對腦卒中患者的臨床康復具有積極作用，在一定程度上揭示了其治療腦卒中疾病的神經生理機制。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：作者徐桂芝和于洪麗參與了論文的選題，試驗設計，論文內容審核；作者劉蒙蒙參與了試驗設計，數據采集和分析，論文寫作；作者王春方和孫長城參與了試驗設計，數據采集；作者郭磊參與了試驗設計和論文修改。
倫理聲明：本研究通過了河北工業大學生物醫學倫理委員會的審批（批文編號：HEBUThMEC2021028）。
引言
腦卒中是當今社會造成癱瘓的首要疾病，嚴重損害了患者的獨立生存能力[1-2]。目前，臨床上最常用的卒中后干預療法是通過刺激外周神經從而引起大腦受損部位的神經功能變化[3]。隨著世界各國“腦計劃”啟動，人們對大腦的認識逐漸加深，出現了一系列直接針對患者大腦神經系統的干預方法。經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一種神經調控技術，通過放置在頭皮上的電極片輸出微弱的直流電，其中陽極電極增強神經興奮性，陰極電極抑制神經興奮性[4-5]。tDCS具有安全、低成本、易于接受等優點，在腦卒中等神經損傷疾病的治療中被廣泛關注[6-7]。
近年來，越來越多的研究證明tDCS能夠改善腦卒中患者的運動功能[8-9]。王偉等[8]研究tDCS對腦卒中患者上肢運動功能的影響，采用上肢運動功能評分量表和日常生活活動能力評定量表等量表評估。結果發現，真刺激組各項評分明顯優于偽刺激組，證明tDCS能夠改善腦卒中患者上肢活動。Bolognini等[9]研究tDCS治療腦卒中的臨床效果，采用美國國立衛生研究院卒中量表評估，并且測量了刺激前后患者的手握力。結果發現，接受tDCS干預的患者上肢肌力有明顯改善。然而，相關領域絕大多數的研究側重于tDCS對腦卒中患者肢體的改善效果，缺乏神經生理機制方面的探究。
腦電圖（electroencephalogram，EEG）可以監測神經電生理信號，具有易操作、價格低、無創傷等特點，通過高時間分辨率的電信號來反映潛在的神經元活動，常用于各種神經損傷疾病的預測、診斷、臨床康復評估[10-11]。Saes等[12]分析了21例腦卒中患者和11例健康受試者的EEG信號頻譜差異。結果發現，腦卒中患者半球間頻譜能量不對稱，且以低頻最為明顯。Finnigan等[13]采集18例腦卒中患者和28例正常人的EEG信號，并分析EEG頻譜的7項特征。結果發現，δ/α功率比值（delta/alpha power ratio，DAR）在腦卒中患者和正常人的區分中準確率最高，認為DAR是評估腦卒中患者臨床治療的指標之一。
基于上述研究，本研究招募了30例大腦左側受損的腦卒中患者，隨機分成真刺激組和偽刺激組。采集兩組受試者靜息態EEG信號，分析對比真/偽刺激前、后EEG信號δ、θ、α和β頻帶的能量差異，并計算了頻譜特征DAR值。本文探究了tDCS干預下腦卒中患者的神經電生理變化，在一定程度上揭示了其治療腦卒中疾病的神經生理機制。
1 試驗內容與處理方法
1.1 試驗對象
本研究從天津市人民醫院篩選了30例大腦左側受損的腦卒中患者，將其隨機分為tDCS真刺激組（15例）和tDCS偽刺激組（15例）。選入標準：① 首次患有缺血性腦卒中，且符合《中國腦血管病防治指南》診斷要求；② 年齡大于18歲；③ 患病時間不超過4個月；④ 病情穩定，能夠配合完成試驗。排除標準：① 患有中樞神經疾病，如帕金森；② 有精神病史或卒中后抑郁；③ 有電休克治療史；④ 患有創傷性腦損傷。每個腦卒中患者在加入試驗之前都簽訂了知情同意書。研究內容由河北工業大學生物醫學倫理委員會審查并通過。
兩組受試者的基本信息如表1所示，其年齡、性別和病程的差異不具有統計學意義（P > 0.05）。
表1
受試者基本信息
Table1.
Basic information of subjects
1.2 試驗設備及參數選擇
電刺激儀（DC-STIMULATOR PLUS, Neuroconn, 德國）主要由電流發生裝置和2個電極片構成，刺激參數借鑒以往的tDCS相關研究[14-15]。施加刺激時，陽極電極片放置在患者患側（左側）半球的初級運動皮層，陰極電極片放置在患者健側（右側）半球的初級運動皮層。電極片面積為2.6 cm × 2.6 cm，電流強度為0.2 mA，刺激時長為20 min。EEG信號采集使用Neuracle可穿戴無線EEG信號采集系統（博睿康科技（常州）股份有限公司，中國），其配套32導無線電極帽，電極位置符合10-20國際標準。信號采集時，保持頭皮與電極之間的阻抗低于10 kΩ，采樣頻率為250 Hz。
1.3 試驗方法
腦卒中患者在同樣條件下分別接受tDCS真/偽刺激，刺激設計參考相關研究[16-17]。為了給予兩組受試者同樣的肢體感受，施加偽刺激時，在前40 s有正常電流輸出，40 s后設備自動切斷電流輸出。信號采集時確保患者無大幅度肢體活動，環境要求安靜、無外界刺激。
試驗設計如圖1所示，所有腦卒中患者在刺激之前采集5 min靜息態EEG信號，然后施加tDCS真/偽刺激20 min，最后再次采集5 min靜息態EEG信號。
圖1
試驗流程圖
Figure1.
Flow chart of experiment
1.4 腦電數據分析方法
1.4.1 信號預處理
EEG信號預處理采用科學計算軟件Matlab（2014a，MathWorks，美國），處理步驟如下[18]：① 導入數據并匹配電極位置；② 預覽EEG信號，采用差值校正的方法取代壞電極；③ 重參考，選擇平均參考；④ 濾波（0.5～40 Hz）；⑤ 獨立成分分析，去偽跡；⑥ 截取最優數據段。
1.4.2 功率譜密度分析
設置采樣頻率為250 Hz，快速傅里葉變換點數為2 048，使用漢寧（hanning）窗，窗口長度250，每段重疊率為50%。計算每個導聯以下4個頻帶功率值：δ、θ、α和β。
1.4.3 DAR評估
頻譜特征DAR值是評估腦卒中患者治療效果的重要參數，DAR值越低說明卒中后臨床康復效果越好[19]。一個導聯c，其δ頻帶平均功率與α頻帶平均功率的比值稱為 ，定義如式(1)所示：
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其中，代表δ頻帶的平均功率，代表α頻帶的平均功率。所有導聯的全局DAR定義如式(2)所示。其中，N代表全局導聯數量：
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1.4.4 統計學分析
統計學分析采用統計產品與服務解決方案軟件SPSS（19.0，SPSS Inc.，美國）。兩組受試者性別比較采用χ2檢驗，年齡和病程比較采用獨立樣本t檢驗。試驗結果分析中，真/偽刺激前、后各頻帶能量和DAR值比較采用配對樣本t檢驗，真刺激前和偽刺激前DAR值比較采用獨立樣本t檢驗。P < 0.05，表示差異具有統計學意義。
2 結果
2.1 功率譜密度分析結果
計算兩組受試者在全腦區中δ（0.5～4 Hz）、θ（4～8 Hz）、α（8～13 Hz）和β（13～40Hz）頻帶的平均能量，tDCS真/偽刺激前、后4個頻帶的能量對比如圖2所示，圖2中可以看出tDCS真刺激后腦卒中患者EEG信號能量在δ頻帶明顯降低，在α頻帶明顯升高。而tDCS偽刺激前、后腦卒中患者EEG信號各頻帶能量沒有明顯變化。
圖2
刺激前、后EEG平均能量對比
Figure2.
Comparison of EEG average energy before and after stimulation
計算tDCS真刺激前、后各導聯處4個頻帶能量如表2所示，計算tDCS偽刺激前、后各導聯處4個頻帶能量如表3所示。繪制真刺激前、后EEG信號4個頻帶的能量地形圖，如圖3所示。圖3中可以看出，在真刺激之前大腦左側受損的腦卒中患者EEG信號δ頻帶能量主要集中在額葉和左顳葉區。施加tDCS之后，δ頻帶能量在左顳葉區明顯降低，且差異具有統計學意義（P < 0.05）；在真刺激之前θ頻帶能量主要集中在受試者患側（左側）半球，且施加tDCS后θ頻帶能量在整個腦區的變化不具有統計學意義（P > 0.05）；在真刺激之前α頻帶能量主要集中在額葉和枕葉區。施加tDCS之后，α頻帶能量在額葉區有所增強，但差異不具有統計學意義（P > 0.05），α頻帶能量在枕葉區明顯增強，且差異具有統計學意義（P < 0.05）；在真刺激之前β頻帶能量主要集中在受試者健側（右側）半球，且施加tDCS后β頻帶能量在整個腦區的變化不具有統計學意義（P > 0.05）。繪制偽刺激前、后EEG信號4個頻帶的能量地形圖，如圖4所示。圖4所繪制的大腦左側受損腦卒中患者EEG信號各頻帶能量分布與圖3基本相同，且偽刺激前、后各頻帶能量差異不具有統計學意義（P > 0.05）。繪制真、偽刺激前EEG信號4個頻帶的能量地形圖，如圖5所示。圖5中可以看出兩組受試者刺激前各頻帶能量差異不具有統計學意義（P > 0.05），說明試驗分組對分析結果不構成影響。
表2
真刺激前、后各導聯處頻帶能量
Table2.
Frequency band energy of each channel before and after real stimulation
表3
偽刺激前、后各導聯處頻帶能量
Table3.
Frequency band energy of each channel before and after sham stimulation
圖3
真刺激前、后EEG平均能量地形圖
Figure3.
Topographic maps of EEG average energy before and after real stimulation
圖4
偽刺激前、后EEG平均能量地形圖
Figure4.
Topographic maps of EEG average energy before and after sham stimulation
圖5
真、偽刺激前EEG平均能量地形圖
Figure5.
Topographic maps of EEG average energy before real and sham stimulation
2.2 DAR分析結果
計算兩組受試者EEG頻譜特征DAR值，并求其平均值及標準差如圖6所示，圖6中可以看出真刺激后，DAR值明顯降低，差異具有統計學意義（P < 0.05），而偽刺激組DAR值差異不具有統計學意義（P > 0.05）。分析結果說明，tDCS可以降低腦卒中患者EEG信號δ頻帶能量，增強α頻帶能量，對其臨床康復具有積極作用。并且兩組受試者刺激前的頻譜特征DAR值差異不具有統計學意義（P > 0.05），證明試驗分組對結果不構成影響。
圖6
刺激前、后平均DAR值對比
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3 討論
本文通過分析受試者EEG信號δ、θ、α和β頻帶的能量變化，探究tDCS干預腦卒中患者的神經生理機制。EEG信號主要分為δ、θ、α和β頻帶，其中δ頻帶常在成年人極度疲勞或病理等狀態出現，θ頻帶常在中樞神經系統受到抑制時出現，α頻帶常在成年人清醒、安靜、閉眼狀態出現，β頻帶常在大腦興奮時出現[20]。Min等[21]分析12例恢復良好和14例恢復不良的腦卒中患者，以及12例健康人的EEG信號功率譜密度。結果發現，EEG信號中低頻帶能量增強是腦卒中患者神經功能障礙的特征之一。程振仕[22]對比腦卒中患者和健康人的EEG頻譜，研究表明，腦卒中患者δ頻帶能量高于健康組，α頻帶能量低于健康組。本研究同樣發現，兩組左側大腦受損的腦卒中患者在施加刺激之前EEG信號低頻帶能量主要集中在大腦左側，高頻帶能量主要集中在大腦右側。分析其原因，可能是受試者大腦左側組織受到損傷，相應部位神經興奮性降低。
有研究發現，腦卒中患者運動功能障礙的原因是大腦受損部位神經功能受到損傷，進而損害了受損部位與運動皮層之間的神經通路，導致受損半球的運動皮層調節局部神經元活動的能力減弱，同時根據半球間互抑制理論，健側半球運動皮層興奮性會異常升高[23]。此外，有研究證明tDCS可以調節神經元膜電位，陽極刺激引發去極化，陰極刺激引發超極化，使受刺激的神經元或多或少產生動作電位[24-25]。當tDCS刺激大腦初級運動皮層時，陽極能夠增強皮層興奮性，陰極能夠抑制皮層興奮性[26-27]。本研究中，tDCS真刺激后大腦左側受損的腦卒中患者δ頻帶能量在左顳葉區明顯降低，差異具有統計學意義（P < 0.05）；α頻帶能量在枕葉區明顯增強，差異具有統計學意義（P < 0.05）。其原因可能是陽極刺激增強了受損半球初級運動皮層的神經興奮性，而陰極刺激抑制了健側半球初級運動皮層的神經興奮性，其改善了初級運動皮層對局部神經元活動的調節能力。程振仕[22]研究腦卒中患者溶栓后EEG信號頻譜變化，試驗將溶栓后的患者按條件分成兩組，一組為溶栓后運動功能改善，另一組為溶栓后運動功能無改善。結果發現，溶栓后運動功能改善的患者EEG信號δ頻帶能量明顯降低，差異具有統計學意義（P < 0.05）；α頻帶能量明顯升高，差異具有統計學意義（P < 0.05）。運動功能無改善組各頻帶能量則無顯著變化，證明EEG信號δ、α頻帶的能量變化能夠間接反映出患者的運動功能恢復情況。Finnigan等[28]研究頻譜特征DAR值在卒中后病情發展中的監測和預測作用，結果發現DAR值和美國國立衛生研究院卒中量表評分相關，證明DAR值是評估腦卒中患者臨床康復情況的有效指標之一。本研究發現，tDCS真刺激后腦卒中患者頻譜特征DAR值明顯降低，而偽刺激前、后DAR值差異不具有統計學意義，說明tDCS對腦卒中患者的臨床康復具有積極作用。而tDCS后腦卒中患者δ頻帶能量整體下降，α頻帶能量明顯升高，差異具有統計學意義（P < 0.05），這或許是tDCS治療腦卒中疾病的神經生理機制之一。本文主要探究了即時tDCS后腦卒中患者EEG信號頻譜變化，未來將加大病例數量，研究長時程tDCS對患者EEG信號頻譜的作用效應。
4 結論
本文通過分析tDCS真/偽刺激前、后腦卒中患者EEG信號δ、θ、α、β頻帶的能量變化以及頻譜特征DAR值，探討tDCS干預腦卒中患者的神經生理機制。結果發現，tDCS真刺激后受試者δ頻帶能量在左顳葉區明顯降低（P < 0.05），α頻帶能量在枕葉區明顯增強（P < 0.05），且頻譜特征DAR值明顯降低（P < 0.05）。本研究證明了tDCS對腦卒中患者的臨床康復具有積極作用，在一定程度上揭示了其治療腦卒中疾病的神經生理機制。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：作者徐桂芝和于洪麗參與了論文的選題，試驗設計，論文內容審核；作者劉蒙蒙參與了試驗設計，數據采集和分析，論文寫作；作者王春方和孫長城參與了試驗設計，數據采集；作者郭磊參與了試驗設計和論文修改。
倫理聲明：本研究通過了河北工業大學生物醫學倫理委員會的審批（批文編號：HEBUThMEC2021028）。
