腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用*

趙俊龍 賈花萍

(渭南市中心醫(yī)院康復(fù)科 渭南 714000) (渭南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院 渭南 714099)

?

?醫(yī)學(xué)信息研究?

腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用*

趙俊龍 賈花萍

(渭南市中心醫(yī)院康復(fù)科 渭南 714000) (渭南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院 渭南 714099)

介紹腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理，重點(diǎn)闡述該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括癲癇自動檢測及分類、康復(fù)訓(xùn)練、麻醉深度檢測等方面，指出腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

1 引言

對嚴(yán)重神經(jīng)或肌肉傷殘患者來說直接用大腦控制裝置是不可能的,但是近年來隨著腦科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展以及殘疾患者需求意識的不斷提高，一項(xiàng)被指作腦-計(jì)算機(jī)接口(Brain-computer Interface, BCI)的技術(shù),使得人類利用腦信號同計(jì)算機(jī)或其他裝置進(jìn)行通訊成為可能。腦-計(jì)算機(jī)技術(shù)是指在人腦和計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立的直接交流和控制通道。通過這種通道，人就可以直接通過腦來表達(dá)想法或操作其他設(shè)備，而不需要通過語言或肢體的動作，是一種全新的通訊和控制方式[1]。這對思維正常但有運(yùn)動障礙的人來說有著極其重要的意義。在腦-計(jì)算機(jī)接口中，“腦”是指神經(jīng)系統(tǒng)或者有機(jī)生命形式的腦，而并不僅僅指抽象的“思想”，“機(jī)”是指任何用于處理或計(jì)算的設(shè)備，其形式可以從簡單電路到硅芯片。

腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)是一門涉及神經(jīng)學(xué)、心理認(rèn)知科學(xué)、康復(fù)工程、生物醫(yī)學(xué)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的交叉技術(shù)[2]，近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)及認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的快速發(fā)展，“腦-計(jì)算機(jī)”接口技術(shù)逐步走向了實(shí)用化，已成為腦信息領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其基本工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

簡單地說，腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)就是將人類的思維和計(jì)算機(jī)相結(jié)合，即在人腦與計(jì)算機(jī)之間建立一條通信電路。圖1是簡單的腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，通過實(shí)體界面如計(jì)算機(jī)界面刺激腦組織傳遞特有的感覺信息，這種刺激編碼后經(jīng)大腦認(rèn)知，產(chǎn)生特定的目的，通過大腦命令，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的行為。如浙江大學(xué)2012年2月向世界展示了最新的“腦-計(jì)算機(jī)”研究成果，一只約5歲、頭上戴著電極帽的猴子，帽子上的電極連在計(jì)算機(jī)上，通過科研人員的指揮，猴子做出了抓、勾、握、捏4種不同的手部動作[3]。

圖1 腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)的基本工作原理，見圖2，一般包括信號采集、信號分析及信號控制3個功能模塊。來自外界的刺激信號對大腦產(chǎn)生相對應(yīng)的神經(jīng)電活動(即EEG信號)，該信號與即將發(fā)生的肢體活動相對應(yīng)，計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行預(yù)處理和特征提取等分析處理后，采用各種分類算法進(jìn)行識別，通過識別結(jié)果判斷引發(fā)腦電變化的動作意圖，經(jīng)過計(jì)算機(jī)傳輸和外部驅(qū)動設(shè)備作用，將動作意圖轉(zhuǎn)換成為機(jī)器的實(shí)際動作。

圖2 腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)的基本工作原理

3 腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 癲癇自動檢測及分類

癲癇是由大腦神經(jīng)細(xì)胞異常放電所引起的,以短暫中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常為特征的慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病[4-5]。癲癇發(fā)作具有反復(fù)性、突發(fā)性和暫時性等特點(diǎn)[6]，會給病人身體和大腦帶來巨大傷害，甚至危及生命。癲癇的發(fā)作信息在腦電信號中有顯著的表現(xiàn)，因此多數(shù)研究都基于此展開：如汪春梅[7]提出用近似熵和小波分析方法提取癲癇腦電特征,對癲癇腦電信號進(jìn)行分類檢測,提高了檢測率；袁琦[8]提出用分形幾何理論方法對癲癇腦電進(jìn)行分類識別及自動檢測，能夠更好地區(qū)分癲癇發(fā)作期和間歇期的腦電，同時他提出的多導(dǎo)長程腦電癲癇發(fā)作檢測方法對癲癇發(fā)作進(jìn)行預(yù)報(bào)，具有良好的性能；Adeli等[9]利用小波變換檢測失神性癲癇患者腦電信號中的棘慢復(fù)合波，發(fā)現(xiàn)可以在時頻域獲得腦電信號的瞬態(tài)特征；Lasemidis等[10]在短程最大Lyapunov指數(shù)基礎(chǔ)上建立癲癇發(fā)作預(yù)測系統(tǒng)，在設(shè)置確定參數(shù)情況下，可預(yù)測到82%的癲癇發(fā)作，提前預(yù)報(bào)時間超過70分鐘。此外，腦電刺激療法治療癲癇病目前已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。因此對癲癇腦電信號的檢測與記錄，對于癲癇的病灶定位、預(yù)測及病情分析具有重要的意義。

3.2 中風(fēng)病人和肢體損傷病人的康復(fù)訓(xùn)練

在中風(fēng)病人和肢體損傷病人的康復(fù)訓(xùn)練中，腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)可以幫助殘疾人或失去運(yùn)動能力的老年人進(jìn)行主動康復(fù)訓(xùn)練，BCI護(hù)理機(jī)器人可以從事基本護(hù)理工作，提高殘疾人或老年人的生活質(zhì)量[11]。孫克偉[12]提出腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)和功能性電刺激(FES)技術(shù)結(jié)合的中風(fēng)康復(fù)系統(tǒng)，將大腦由于想象肢體運(yùn)動而產(chǎn)生的腦電信息作為控制命令來控制FES對肢體進(jìn)行刺激,使其能夠完成某種特殊動作,實(shí)現(xiàn)康復(fù)效果。李明芬[13]提出采用腦-計(jì)算機(jī)接口對手三里、外關(guān)進(jìn)行經(jīng)皮電刺激，用運(yùn)動想象期間的在線準(zhǔn)確率及相關(guān)去同步事件評價治療前后患者腦電信號的變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過治療后，腦-計(jì)算機(jī)接口組患者在線準(zhǔn)確率明顯高于對照組及治療前,能顯著改善中風(fēng)患者的運(yùn)動功能。

3.3 麻醉深度檢測

腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療檢測方面也具有非常大的應(yīng)用前景。Berger在氯仿麻醉時曾經(jīng)測量過腦電信號的變化，Gibbs等用腦電信號監(jiān)測術(shù)中麻醉藥的作用。計(jì)算機(jī)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用，使利用腦電信號進(jìn)行麻醉深度監(jiān)測成為可能。但是由于腦電信號微弱性及非線性特點(diǎn)，在臨床應(yīng)用時存在指標(biāo)延時、不明確、誤報(bào)問題。梁振虎[14]提出腦電信號熵麻醉深度監(jiān)測方法，提出排序熵、小波稀疏度測量、Hurst指數(shù)等非線性指標(biāo)估計(jì)方法。黃力宇等[15]提出用腦電互信息序列和復(fù)雜度分析反應(yīng)異氟醚麻醉?xiàng)l件下患者的麻醉情況，計(jì)算時間短 ,適合臨床使用。麻醉醫(yī)生可以通過腦電信號監(jiān)測病人的麻醉深度信息來減少或降低麻醉藥物對病人大腦的損害。

3.4 老年癡呆病及認(rèn)知功能

2003年1月英國《自然科學(xué)》雜志登載了旅美華人學(xué)者申勇的最新發(fā)現(xiàn)，老年癡呆癥并非基因突變所致，而是腦部的一種蛋酶活性過大，導(dǎo)致大量淀粉在腦內(nèi)形成塊狀沉淀造成的[16]。隨著年齡的增長，老年人的認(rèn)知功能逐漸衰退,發(fā)生不同的生理和病理過程, 形成不同的老年認(rèn)知狀態(tài)。盛倩倩[17]對不同認(rèn)知功能狀態(tài)下的老年人進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn),正常老年人腦電復(fù)雜度并不是均勻分布,左半球具有明顯優(yōu)勢,而輕度認(rèn)知功能障礙患者雙側(cè)半球腦電復(fù)雜度無差異,己喪失該優(yōu)勢。翟靜波[18]將腦電指標(biāo)用于阿爾茲海默病的發(fā)病機(jī)制和早期預(yù)警研究，利用腦電指標(biāo)與認(rèn)知功能的關(guān)聯(lián)性，揭示腦電信號有可能是用于評價認(rèn)知功能狀態(tài)的敏感指標(biāo)。

3.5 腦血管病

在評價急性腦血管病的病情及其預(yù)后方法中，腦電信號可以準(zhǔn)確定位局部異?；顒?。某些特殊腦電對急性腦血管病病情及預(yù)后有明顯的指示意義，在超早期的溶栓治療中具有重要的意義，是一般影像學(xué)方法所無法比擬的。在急性腦血管病的診療中，定量腦電分析方法在臨床上的應(yīng)用也成為未來的發(fā)展方向，尤其在判斷病情、預(yù)后及監(jiān)測中較為實(shí)用。

3.6 康復(fù)領(lǐng)域及其他方面

康復(fù)醫(yī)學(xué)是促進(jìn)病、傷、殘者康復(fù)的一門醫(yī)學(xué)學(xué)科，是斷預(yù)防醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)之后的第三醫(yī)學(xué)，主要研究有關(guān)功能障礙的評定和處理等問題[19]。張春芳等[20]指出建立中國殘疾與康復(fù)信息數(shù)據(jù)庫的必要性，收集國內(nèi)外的康復(fù)最新研究信息,對殘疾人的康復(fù)起到重要的作用[22-23]。清華大學(xué)開發(fā)的聽覺目標(biāo)辨識的腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、視覺運(yùn)動起始的腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、偽隨機(jī)編碼的高速視覺腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，讓人腦通過思維控制機(jī)器人踢足球成為現(xiàn)實(shí)。其中，聽覺認(rèn)知強(qiáng)化的新型腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)將能夠幫助像物理學(xué)家史蒂芬·霍金這樣的“漸凍人”通過聽覺腦電活動來表達(dá)自己的思想，與外界溝通。腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)在生物體的神經(jīng)系統(tǒng)與外部環(huán)境之間建立一種新型神經(jīng)信息交流與控制通道,為神經(jīng)的功能修復(fù)提供了一種新方法。在感覺功能修復(fù)、運(yùn)動功能修復(fù)、神經(jīng)精神疾病和腦積水治療領(lǐng)域的臨床應(yīng)用將日趨廣泛。腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)旨在開發(fā)用于神經(jīng)疾病治療的新技術(shù)和殘障人士康復(fù)的新設(shè)備。

此外，在假肢控制方面，用思想控制輪椅，對于被截肢者，用思想控制義肢及各種神經(jīng)假體設(shè)備，也可以幫助他們進(jìn)行運(yùn)動功能重建和生活自理，提高殘疾人的生活質(zhì)量。在搶險、救援及人類無法進(jìn)入的危險區(qū)域，也可以借助神經(jīng)假體來完成。在視覺和聽覺假體方面，腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用包括人工電子耳蝸、腦干植入、合成視覺、人造硅視網(wǎng)膜等方面。此外，腦-計(jì)算機(jī)接口專家加州大學(xué)伯克利分校神經(jīng)學(xué)副教授Jose Carmena通過在鼠類上植入腦-計(jì)算機(jī)接口研究大腦神經(jīng)回路。2014年他參與了美國軍方7 000萬美元的研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目將通過大腦植入物分析、控制情緒，治療美國士兵的多種精神疾病。未來將大大降低因精神疾病造成的自殺事件。目前，腦電圖己成為評價腦功能狀態(tài)的重要指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、精神性疾病的診斷和研究。同時，在心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)研究領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

4 腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

經(jīng)過多年的努力，腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的研究取得了不少令人欣慰的結(jié)果，但不可否認(rèn)的是尚處于發(fā)展的初期，大多數(shù)腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室階段，大部分測試在正常人中進(jìn)行，在殘疾人中測試較少。通過研究腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，人們對腦電產(chǎn)生的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制產(chǎn)生認(rèn)識，了解神經(jīng)系統(tǒng)及其大腦功能，為解釋大腦活動的本質(zhì)提供重要線索。但腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)要進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，還有很多問題等待解決。(1)連接到神經(jīng)系統(tǒng)會導(dǎo)致永久性腦損傷，造成感覺、運(yùn)動的損失，或持續(xù)疼痛。(2)病毒的攻擊可能引發(fā)腦部疾病。(3)由于腦電信號十分微弱，如何減少干擾成分、提取有效信號特征、找到最優(yōu)的特征提取算法和分類算法值得探討。(4)需要用有線連接到設(shè)備，是非便攜式的，需要攜帶電腦。(5)系統(tǒng)存在分辨率不高和通訊速度慢等問題[22-23],有運(yùn)動障礙殘疾人與外界進(jìn)行交流時，實(shí)時性要強(qiáng)，要能夠接近正常人間的交流速度。(6)現(xiàn)有設(shè)備價格昂貴，不適合普通人購買。(7)系統(tǒng)要滿足用戶的個體差異。(8)在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用時要減少電極數(shù)量，降低使用的復(fù)雜程度，增強(qiáng)腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性。隨著對這些問題的充分認(rèn)識和逐步解決，腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)最終將走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入人們的生活。

5 結(jié)語

腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)為人們提供了全新的與外界進(jìn)行交流的方式，人們可以不通過語言和動作，直接用腦電信號來表達(dá)思想、控制設(shè)備，這為智能機(jī)器人的發(fā)展提供了一個更為靈活的信息交流方式。至今該技術(shù)真正投入實(shí)際使用的很少，研究和開發(fā)還有很多問題需要解決。但是應(yīng)該相信隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、數(shù)學(xué)、智能控制等各個相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展與融合，腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)將逐步應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，造福人類。

1 Vaughan TM,Heetderks WJ, Trejo LJ,et al. Brain-computer Interface Technology: a review of the second international meeting[J]. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2003,11(2): 94-109.

2 楊瑞霞.腦機(jī)接口技術(shù)研究[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,(2):46-49.

3 周瑋，古越.浙大課題組實(shí)現(xiàn)猴子“意念”控制機(jī)械手[EB/OL].[2014-02-20].http://www.news.zju.edu.cn/news.php?id=35019.

4 Sanei S, Chambers J A. EEG Signal Processing[M]. Chichester:John Wiley &Sons Ltd,2007:161.

5 Gandhi T, Panigrahi B K, Bhatia M, et al. Expert Model for Detection of Epileptic Activity in EEG Signature[J]. Expert Systems with Applications, 2010,37(4):3513-3520.

6 Niedermeyer E. Silva F L, Electroencephalography: basic principles,clinical applications, and related fields[M]. 5th Ed. Philadelphia:Lippincott Williams &Wilkins, 2005: 526.

7 汪春梅.癲癇腦電信號特征提取與自動檢測方法研究[D].上海:華東理工大學(xué),2011.

8 袁琦.癲癇腦電的分類識別及自動檢測方法研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2014.

9 Adeli H. Zhou Z，Dadmehr N. Analysis of EEG Records in an Epileptic Patientusing Wavelet Transform[J]. Journal of Neuroscience Methods, 2003, 123(1): 69-87.

10 Lasemidis L D，Shiau D S, Chaovalitwongse, et al Adaptive Epileptic Seizure Prediction System[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2003,50(5): 616-627.

11 高諾,魯守銀,張運(yùn)楚，等.腦機(jī)接口技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2008,(4):16-19.

12 孫克偉.基于腦電和功能性電刺激的中風(fēng)康復(fù)系統(tǒng)的研究[D]. 秦皇島：燕山大學(xué),2011.

13 李明芬.基于腦機(jī)接口的經(jīng)皮穴位電刺激療法對缺血性中風(fēng)恢復(fù)期患者上肢運(yùn)動功能的影響[D].福州:福建中醫(yī)藥大學(xué),2014.

14 梁振虎.EEG熵算法及麻醉狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用研究[D].秦皇島：燕山大學(xué),2012.

15 黃力宇,王偉勛,鞠烽熾，等.用腦電互信息及復(fù)雜度預(yù)測異氟醚麻醉時患者對切皮刺激的反應(yīng)[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2003,22(2): 97-103

16 老年癡呆緣于腦部的一種蛋白酶活性過大[J].醫(yī)學(xué)情報(bào)工作,2003,(3): 221.

17 盛倩倩.輕度認(rèn)知功能障礙與正常老年人記憶、腦電改變的縱向研究[D].天津：天津醫(yī)科大學(xué)，2013.

18 翟靜波.老年輕度認(rèn)知功能障礙向阿爾茲海默病轉(zhuǎn)歸的腦電特征研究[D].太原：山西醫(yī)科大學(xué),2011.

19 韓玲革,趙玉虹.國外理療與康復(fù)信息資源研究[J].醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志,2008, 29(6): 27-29.

20 張春芳,邱卓英,林偉，等.《中國殘疾與康復(fù)信息數(shù)據(jù)庫》的建設(shè)與應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志,2010,31(2): 30-32.

21 我國數(shù)字醫(yī)療設(shè)備與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作全面啟動[J].醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志,2011,32(7):61.

22 Wolpaw J R, Mcfarland D J, Vaughan T M. Brain-computer Interface Research at the Wadsworth Center[J]. IEEE on Rehabilitation Engineering, 2000, 8(2): 222-226.

23 Prurtscheller G, Neuper C, Guger C, et al. Current Trends in Graz Brain-computer Interface (BCI) Research[J]. IEEE Trans Rehabilitation Engineering,2000, 8(2):216- 219.

Application of Brain - computer Interface Technology in Medical Field

ZHAOJun-long,

RehabilitationDepartment,WeinanCentralHospital,Weinan714000,China；JIAHua-ping，CollegeofMathematicsandinformationScience,WeinanNormalUniversity,Weinan714099,China

The paper introduces the structure and working principle of brain - computer interface system, elaborates the application of the technology in medical field, including automatic detection and classification of epilepsy, rehabilitation training and anesthetic depth monitoring, pointing out the challenges brain - computer interface technology faces.

Brain-computer interface; EEG; Medical; Application

2015-05-20

趙俊龍，主治醫(yī)師，發(fā)表論文4篇。

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：14JK1256)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2014JM1026)；2014年渭南師范學(xué)院校級特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：14TSXK02)。

R-058

A 〔DOI〕10.3969/j.issn.1673-6036.2015.07.011

〔關(guān)鍵詞〕 腦-計(jì)算機(jī)接口；腦電信號；醫(yī)學(xué)；應(yīng)用