脑机接口技术对脑卒中患者手功能障碍的影响

摘要

研究目的:脑卒中是一种急性脑血管疾病,可引起神经损伤甚至死亡。随着医学的进步,脑卒中的康复治疗有了很大的提高,但大多数患者仍有手部功能障碍。脑机接口技术作为一种新的康复方法,已逐渐应用于康复医学。脑机接口在慢性脑卒中患者运动功能障碍的康复中具有广阔的应用前景。观察脑机接口联合常规康复治疗对脑卒中患者残余手功能障碍的治疗效果。分析BCI对患者康复的影响,为后期康复疗效提供数据支持。

研究方法:选取手功能障碍的脑卒患者20例,随机分组分为实验组(n=10)和对照组(n=10)两组。实验组采用脑机接口技术结合常规康复治疗,脑机接口训练每天20min,常规康复治疗为电子生物反馈、被动活动、患侧带动健侧腕活动、全身训练每天40min,以及课下作业活动。对照组相同的采用常规康复训练方案。进行为期6周的治疗后,治疗效果采用Caroll手功能测试、Brunnstrom手功能分期、改良Barthel指数测试实验前、3周后和6周后结果。对测试结果进行统计学处理和比较分析。

研究结果:治疗前,实验组和对照组三个评定量表分级统计后,经独立样本t检验显示,均无显著差异(p>0.05)。经过六周治疗后,受试者的Caroll手功能测试评分;Brunnstrom手功能分期,较治疗之前均有所提高,实验组较对照组进步明显,独立样本t检验比较治疗6周后评分结果(p < 0.05) ,差异有统计学意义。

研究结论:脑机接口技术结合常规康复治疗方法可有效改善脑卒中患者的手功能。

关键词:脑卒中脑机接口技术手功能障碍

Abstract

Research objective: Stroke is an acute cerebrovascular disease, which can cause nerve damage and even death. With medical advances, stroke rehabilitation has been greatly improved, but most patients still have hand dysfunction. As a new rehabilitation method, brain-computer interface technology has been gradually applied in rehabilitation medicine. Brain computer interface has broad application prospect in rehabilitation of motor dysfunction in patients with chronic stroke. To observe the effect of brain computer interface combined with conventional rehabilitation therapy on residual hand dysfunction in stroke patients. The influence of BCI on the rehabilitation of patients was analyzed to provide data support for the curative effect of rehabilitation in the later stage.

Methods: 20 stroke patients with hand dysfunction were randomly divided into experimental group (N = 10) and control group (N = 10) . The patients in the experimental group were treated with brain-computer interface (BCI) technique combined with routine rehabilitation therapy. The BCI training lasted for 20 minutes every day. The routine rehabilitation therapy consisted of electronic biofeedback, passive activity, wrist movement on the affected side, and whole body training for 40 minutes every day, and homework activities. The control group was given routine rehabilitation training. After 6-week treatment, Caroll hand function test, brunnstrom hand function staging and modified Barthel index were used to evaluate the therapeutic effect. The test results were statistically analyzed and compared.

Results: Before treatment, independent sample T test showed no significant difference between the experimental groupand the control groupafter the three rating scales classification statistics (p>0.05). After six weeks of treatment, subjects’ Caroll hand function test scores; brunnstrom’s hand function stage was improved compared with that before treatment, and the experimental groupimproved significantly compared with the control group. Independent sample t test was used to compare the score results after 6 weeks of treatment (p<0.05), and the difference was statistically significant.

Conclusion: brain-computer interface technology combined with routine rehabilitation therapy can effectively improve the hand function of upper limbs in stroke patients.

Key words: stroke brain-computer interface hand dysfunction

目录

摘 要

Abstract

引言

1 文献综述

1.1 脑卒中

1.1.1脑卒中手功能障碍

1.2 脑机接口康复训练系统的组成

1.2.1 脑电控制器

1.2.2 生物反馈康复仪组成

1.2.3计算机组成

1.3 脑机接口工作原理

1.4脑机接口技术促进脑卒中患者康复的生理学机制

1.5 脑机接口技术与运动想象

2 研究对象与研究方法

2.1研究的主要内容

2.2研究方法

2.2.1 文献资料法

2.2.2 实验法

2.3实验对象

2.3.1纳入标准

2.3.2排除标准

2.3.3受试者基本信息

2.3.4实验方案

2.3.5效果评定指标

2.3.6 数据处理

3研究结果

3.1 Caroll手功能测试评分比较

3.2 手Brunnstorm分级比较

3.3 改良Barthel指数比较

4讨论与分析

4.1 脑机接口技术对脑卒中患者手功能障碍的影响

5 结论

参考文献

附 录

致 谢

引言

脑卒中是一种急性脑血管疾病可分为缺血性和出血性。随着生活习惯和饮食结构的改变,脑卒中的发病率增高,而发病年龄也随之提前,越来越多的中年人患脑血管意外[1]。由于上下肢的神经支配的不同,脑卒中后上下肢的康复效果也不同。其中,手在大脑皮层的分布以及手功能使用中神经支配的复杂性使得手功能的康复成为治疗过程中的一个主要问题。大约五分之四的脑卒中患者有上肢功能障碍,超过三分之二的患者有手功能障碍[2]。虽然随着医学的进步,中风康复得到了很大的改善。但是大多数患者的手部功能仍然存在问题。早期干预和有效的康复不仅可以恢复残余功能和降低残疾率,而且还可以促进后续康复和最大限度地恢复正常生活。

上肢手功能康复的传统手段主要有主动肌力训练,被动手法训练,作业疗法,神经肌肉电刺激,针灸等的治疗。近年来,一些新兴的康复治疗方法被运用到康复治疗中,例如:脑机接口技术(BCI)开始逐步应用到脑卒中患者的运动康复训练中[3]。通过了解国内外现已知的研究发现,脑机接口技术是一种软件和硬件相结合的通信系统,在不需要外周神经和肌肉参与的情况下,BCI利用神经生理和脑代谢活动来驱动外部设备,以此为脑卒中患者提供促进神经重塑及改善运动行为的新方法[4][5]。在脑卒中患者的康复治疗疗效较为显著。根据脑机接口采集脑电信号的方式,可将脑机接口分为侵入型与非侵入型,非侵入性脑机接口虽然在采集信号的精度上不如侵入性,但安全,方便、无创,成本低[6]。脑机接口技术的工作流程可以分为信号提取,特征提取,特征翻译以及外部控制设备四部分[7]。大脑具有一定的可塑性,所以能够通过反馈使功能得到加强,通过脑机接口技术(BCI)将大脑信号和肢体运动结合,利用外部设备带动患侧肢体运动,进行康复训练,提高康复治疗疗效[2][8]。

1 文献综述

1.1 脑卒中

脑卒中是一种极为普遍的脑血管病,给许多人带来极大的危害,是目前导致人类死亡的第二大原因[9]。脑卒中后可引起严重的肢体功能障碍。

1.1.1脑卒中手功能障碍

如下图,躯体运动功能和感觉功能的分区中,手在大脑皮质中占有较大的比重,所以相对于上下肢,手功能障碍的康复比较困难[10]。随着康复医学的进步和科技的发展,脑机接口技术开始进入康复领域。常规康复治疗手段例如,被动活动、运动训练、作业疗法和肌肉电刺激等,都是基于肢体肌肉收缩运动层面的康复,而忽视的脑组织神经的利用和恢复。

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图1

  此实验采用非侵入型脑电采集装置,通过外来装置采集患者的脑电信号,将患者运动意念进行编码,驱动电刺激治疗仪,通过电刺激患者肌肉收缩,带动患者患侧肢体进行康复活动,帮助患者完成康复训练动作;这一系列外在装置代替患者受损的中枢神经系统,实现由被动康复向主动康复的转变,经过反复的训练,即刺激患者受损的脑细胞,促进神经网络的重塑,又可以达到肢体运动的目的。

1.2 脑机接口康复训练系统的组成

脑机接口康复训练系统由脑电控制器、生物反馈康复仪、计算机、显示器、无线鼠标键盘等组成。

1.2.1 脑电控制器

包括可穿戴脑电传感器和USB无线通讯器。

1.2.2 生物反馈康复仪组成

包括生物反馈康复仪主机、电极线、信号线。

1.2.3计算机组成

计算机主机、显示屏、无线键盘鼠标及电源线。

1.3 脑机接口工作原理

脑机接口康复训练系统是将脑电控制器戴在患者的头上,采集患者的脑电信号,通过无线传输到计算机,控制生物反馈康复仪贴在上、下肢上的电极片对患者四肢进行刺激,达到辅助康复训练的目的。

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  图2

  1.4脑机接口技术促进脑卒中患者康复的生理学机制

在传统康复过程中,患者肢体功能恢复的重点一直被人们放在运动动作的表现上,忽略了运动过程中大脑神经系统的重要性。脑卒中患者在发病后脑组织受损,使得神经通路在运用过程变得不连续。BCI在康复过程中能将对神经通路的康复和运动形式的康复通过设备结合。BCI主要通过恢复和替代两种方法来促进脑卒中患者恢复正常的运动控制[11]。BCI捕捉运动想象后的大脑信号,然后将这些信号进行编码转化为可执行的指令,驱动外部设备,从而带动患侧肢体的运动,让患者主动参与到康复治疗过程中,提高患者进行康复训练的积极性,更好的实现大脑和肢体的联动,促中枢神经重塑[11][12]。其中使大脑产生更正常的手部运动的想象属于恢复;通过将大脑信号编码作用于外部设备(功能性电刺激,机器人假肢等),外部设备带动肢体运动,属于替代[13]。

通过BCI对脑卒中患者进行干预,脑卒中患者的大脑非对称性能有所改善,这种改善能够有效促进患者上肢功能康复[11][14]。通过BCI进行训练,使大脑皮质激活,利用外来设备将大脑神经活动与肢体活动有效链接,促进通路恢复[15]。在肢体活动的同时也可以降低受累组织的粘滞性,为以后作业活动和家庭作业的进行打好基础。

1.5 脑机接口技术与运动想象

运动想象是一种运动意图,是对运动动作的具体想象,并不表现为任何实际的肢体动作[16]。在康复治疗中发现,提醒患者注意运动动作的想象,而不是着重于动作的产生比一味的将注意力放在动作的产生上的康复效果好。大多数患者更追求动作的产生,忽略了肌肉收缩的学习过程。运动想象是脑机接口技术的一种范式[17]。患者进行运动想象,在运动想象过程中,大脑的相应运动区域可以被激活,让BCI提取到脑电信号,通过传导通路作用于患者的患肢,让受试者将运动变现出来,患者既可以感受到自己的动作,也可以观察到自己完整的动作,促进运动能力的恢复,实现中枢激活和外周刺激的有效结合,同时满足了患者对动作表现的追求和对患者大脑皮质受损神经层面的激活[18]。刘小燮等研究表明经过一个月的脑机接口结合功能性电刺激训练后脑卒中患者的大脑重塑性表现为病灶同侧大脑代谢功能的逐渐恢复,病灶对侧大脑的泛化激活减少,脑卒中患者的手功能有所提高[4][6]。

2 研究对象与研究方法

2.1研究的主要内容

(1)脑卒中患者手功能障碍程度评估及6周常规康复治疗效果分析。

(2)6周BCI与传统康复治疗方法对脑卒中患者手功能障碍疗效分析。

2.2研究方法

2.2.1 文献资料法

利用河北师范大学图书馆资料及网络资料查找关于BCI及脑卒中患者手功能障碍及康复的相关文献,通过整理文献了解BCI的生理学机制以及BCI不同类型的治疗情况,为研究BCI对脑卒中手功能障碍影响提供参考。

2.2.2 实验法

2.3实验对象

根据纳入标准和排除标准选择河北省人民医院的具有脑卒中手功能障碍的患者20例,20例患者随机分为实验组和对照组,每组各10例。

2.3.1纳入标准

①符合全国第四届脑血管病学术会议定制的脑卒中诊断标准[19],同时经颅脑MRI及CT明确,首次发病;发病>1个月,且<3个月;

②年龄≥45周岁,且≤65周岁 性别不限;

③患者腕关节,掌指关节被动活动范围处于正常范围内;

④brunnstrom II期及以上患者;

⑤改良Ashworth分级≤2级。

2.3.2排除标准

①上肢疾病因素;

②认知障碍,失语等交流困难;

③心脏功能严重衰退者;

④体内有金属植入;

⑤视力障碍;

⑥精神状态差者;

⑦有癫痫病史的患者;

⑧依从性差的患者。

2.3.3受试者基本信息

20例受试者的基本信息见于表1

2.3.4实验方案

实验组:脑机接口技术结合常规康复治疗①脑机接口技术:患者保持坐位或站位,用无刺激的水(如:蒸馏水,生理盐水等)对需电极片粘贴部位进行皮肤清洁,以去除非传导类的残留角质。使用具有医疗器械注册证的电极片。使用和本产品接口合适的电极片。如图所示位置佩戴好,打开软件查看电极是否链接好,调整电极使大多数电极显示为绿色。将患者信息录入系统,设置好后在主界面治疗系统,选择训练动作,然后点击“开始训练”按钮,患者按VR动画及语音提示进行训练,每天20min。

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  图3

  ②常规康复治疗方案:电子生物反馈(每天20min);被动活动;健侧带动患侧腕活动(滚筒训练,木顶板训练,套圈训练等);同时配合全身训练(平衡训练,床椅转移训练等)每天40min。

③课下作业活动:手抓握活动:无任何运动时,仰卧位,双侧手臂置于胸前,肘屈曲,运动想象同步屈曲手指关节(训练着眼于肌肉收缩的学习过程而非结果) 30分钟/天。滚筒上,肘伸直位,掌心向下,作旋后运动,同时配合手指自然屈曲,完成抓握运动,30分钟/天。利用空水瓶或者其他抓握工具(尖叫鸡)等,形变和声音刺激强化抓握能力。

耸肩:双肩同时向上或患肩独立完成,辅助者可以帮助,要求活动到位,叮嘱患者按循序渐进形式,配合尽量完成主动用力,20个/组;5组/天。

肩肘关节旋转活动:可分为卧位和坐位,卧位适合床旁训练,患者手臂置于身旁伸直位,家属握住患者手臂,叮嘱其主动用力配合旋转,30分钟/天。坐位前臂置于桌上或者滚筒上,肘伸直位,叮嘱病人配合滚筒进行旋转,先可利用躯干代偿完成,而后随能力提高,减少代偿,增加主动完成。(家属可进行适当辅助)随能力增加,可强化此活动,手握短棒一端,另一端加重物,于中立位,作旋后和控制训练,30分钟/天 。

双上肢辅助抬起患侧上肢:双手交叉,肘伸直固定(肘关节支具)卧位下,双臂抬起至耳侧位置,要求患者患肩尽量主动用力,可适当拍打刺激,可适当负重(绷带绑缚盐袋于手臂上)20个/组;5组/天。

对照组①常规康复训练方案:电子生物反馈(每天20min);被动活动;健侧带动患侧腕活动(滚筒训练,木顶板训练,套圈训练等);同时配合全身训练(平衡训练,床椅转移训练等)每天40min。

②课下作业活动

手抓握活动:无任何运动时,仰卧位,双侧手臂置于胸前,肘屈曲,运动想象同步屈曲手指关节(训练着眼于肌肉收缩的学习过程而非结果)30分钟/天。滚筒上,肘伸直位,掌心向下,作旋后运动,同时配合手指自然屈曲,完成抓握运动,30分钟/天。利用空水瓶或者其他抓握工具(尖叫鸡)等,形变和声音刺激强化抓握能力。

耸肩:双肩同时向上或患肩独立完成,辅助者可以帮助,要求活动到位,叮嘱患者按循序渐进形式,配合尽量完成主动用力,20个/组;5组/天。

肩肘关节旋转活动:可分为卧位和坐位,卧位适合床旁训练,患者手臂置于身旁伸直位,家属握住患者手臂,叮嘱其主动用力配合旋转,30分钟/天。坐位前臂置于桌上或者滚筒上,肘伸直位,叮嘱病人配合滚筒进行旋转,先可利用躯干代偿完成,而后随能力提高,减少代偿,增加主动完成。(家属可进行适当辅助)随能力增加,可强化此活动,手握短棒一端,另一端加重物,于中立位,作旋后和控制训练,30分钟/天。

双上肢辅助抬起患侧上肢:双手交叉,肘伸直固定(肘关节支具)A、卧位下,双臂抬起至耳侧位置,要求患者患肩尽量主动用力,可适当拍打刺激,可适当负重(绷带绑缚盐袋于手臂上),20个/组;5组/天。

2.3.5效果评定指标

①Caroll手功能测试;

②Brunnstrom 手功能分期;

③改良Barthel指数。

2.3.6 数据处理

此实验采用的SPSS27.0软件进行统计分析,采用独立样本t检验对Caroll手功能测试、改良Barthel指数的实验前、3周末次和6周末次评定进行组间比较。采用秩和检验对Brunnstrom 手功能分期实验前、3周末次和6周末次评定进行组间比较。

3研究结果

3.1 Caroll手功能测试评分比较

如表2所示,在治疗期前,实验组和对照组在Caroll手功能测试评分经独立样本t检验无显著差异(p>0.05),经过六周治疗后,实验组和对照组均进行3周末次和6周末次评分结果的组内比较,受试者的Caroll手功能测试评分较治疗之前均有所提高,实验组较对照组进步明显,采用独立样本t检验对6周末次治疗后评分结果进行组间比较(p<0.05)差异具有统计学意义。

表2 Caroll手功能测试评分比较(n=20)

治疗前 治疗3周后 治疗6周后
实验组 6.90±8.81 19.50±18.87 40.70±23.77
对照组 5.30±6.73 9.10±9.02 19.90±16.27
t 0.327 1.572 2.283
p 0.654 0.133 0.037

3.2 手Brunnstorm分级比较

如表3所示,初次评估数据实验组和对照组手部Brunnstorm分级,运用秩和检验无显著差异(p>0.05)。经过六周治疗后,无论是对照组还是实验组受试者的Brunnstorm分级较治疗之前均有所提高,实验组较对照组进步明显,采用秩和检验对6周末次治疗后分级结果进行组间比较(p<0.05)差异具有统计学意义。

表3 手Brunnstorm分级情况比较(n=20)

治疗前 治疗3周后 治疗6周后
实验组 0 4 4 2 0 0 1 4 4 1 0 0 0 1 4 5 0
对照组 0 3 6 1 0 0 0 3 4 3 0 0 0 0 5 4 1 0
Z -0.083 -1.244 -2.251
p 0.934 0.214 0.024

3.3 改良Barthel指数比较

如下表4所示,初次评估数据实验组和对照组改良Barthel指数评分,经过六周治疗后,独立样本t检验显示其差异不具备统计意义(p>0.05),经过6周的治疗后两组患者均有所进步,同等Brunnstorm分期下两组患者的MBI评分并无明显的分数差异。

表4 改良Barthel指数评分(n=20)

治疗前 治疗3周后 治疗6周后
实验组 45.90±14.69 62.20±15.64 77.80±14.91
对照组 48.30±10.56 53.40±12.86 65.10±14.79
t -0.419 1.374 1.912
p 0.680 0.186 0.072

4讨论与分析

4.1 脑机接口技术对脑卒中患者手功能障碍的影响

单侧肢体瘫痪是脑卒中发病后常见的遗留症,这些残存的问题对于患者以及其家庭来说都有很大的影响,随着病程的延长,预后会随之变差,如何能更高效的恢复患者正常功能成为现在康复医学领域的难题。在进行上下肢的康复过程中发现,手功能的康复最为棘手。现在对于手功能的康复方法主要有神经肌肉电刺激,运动疗法,作业治疗以及康复机器人等治疗。脑机接口技术指由脑电控制器、生物反馈康复仪、计算机三部分将脑电信号与受累肢体来链接,使瘫痪肢体可以在生物反馈仪的带动下重新活动起来[20]。神经可塑性是中枢神经损伤后躯体功能恢复的神经生理学基础,基于脑电信号的脑机接口技术可将脑卒中患者的主动意识加入到康复训练中,激活运动神经,重建其受损的神经通路,以实现运动功能的康复[7]。

本研究是针对脑机接口(BCI)对脑卒中患者手部功能障碍的影响。通过为期6周的BCI联合传统康复治疗与单纯传统康复治疗进行比较,结果显示治疗6周后,两组患者caroll手功能测验、Brunnstrom手功能分期及改良Barthel指数均有显著提高,证明两种方法均能改善脑卒中患者的手功能。但与对照组相比,实验组Caroll手功能测试;brunnstrom 手功能分期情况较为显著,说明脑机接口技术联合传统治疗在治疗脑卒中患者手功能障碍方面比常规康复治疗更有效,说明脑机接口技术能有效改善脑卒中后手功能障碍,提高脑卒中患者的ADL。

5 结论

传统康复治疗技术和脑机接口技术相结合与单纯的进行传统的康复治疗均能够改善脑卒中患者的手功能,提高患者的ADL。与常规康复治疗相比,联合脑机接口技术改善ADL的效果更为显著。

参考文献

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致 谢

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索,已经到了论文的结尾,这就意味着四年的本科生涯即将结束。总以为来日方长,却不知时光匆匆溜走,四年的时光仿佛弹指一挥间,回想起点滴大学生活每一刻都值得怀念,纵使有万般不舍,我们也要勇敢的踏出这一步迈向一段崭新的旅程。

盛行千里,不忘师恩。首先,我要感谢我的论文指导老师何玉秀老师对我的帮助和指导,从选题、开题报告、论文修改、最终完成论文,一次又一次不辞辛劳地帮我修改论文,耐心的为我修正错误,让我的论文得以顺利完成。您的严谨,认真感染着我。感谢让我遇到您这样负责的论文指导老师。同时我还要感谢导师团队其他人以及大学期间的所有老师和辅导员,感谢他们对我的教导,关心和帮助。

其次,我要感谢我的家人,我的成长过程中,一直生活在爷爷奶奶身边,都说父母是我们人生中第一位老师,我深深的感谢我的父母把我带到这个世界上。但爷爷奶奶是我成长过程中的指明灯。回顾过往22年,无不浸满他们无私的关爱和谆谆教诲,十多年的在外求学之路,寄托着他们对我的殷切期望。而我的父母在精神上和物质上给予我更多的支持,坚定了我追求人生理想的信念。父母的爱是天下最无私的爱。期待将来有辉煌的事业让父母为之骄傲。

感谢相遇,莫负年少,感谢我的室友们,从遥远的家来到这个陌生的城市里,我们彼此间维系着兄弟般的感情,维系着寝室那份家的融洽。尤其的我的上铺我的好朋友翟一鸣,虽然有过争吵,但更多的是欢乐。

至此便该说再见了,祝各位前程似锦!

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