腦機(jī)接口在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

琚芬，趙晨光，袁華，牟翔，王冰水

腦機(jī)接口是在大腦和計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立全新通訊和控制的不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路的技術(shù)。在康復(fù)領(lǐng)域腦-機(jī)接口技術(shù)可直接完成對(duì)輸出設(shè)備的操控，通過采集人腦的電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)功能障礙者與外界的交流，從而提供了一種為改善功能障礙者的生存質(zhì)量可能的途徑。腦控機(jī)器人接口(Brain-Controlled Robot Interface, BCRI)是一種新型的人-機(jī)器人接口技術(shù)，是腦-機(jī)器接口/腦-計(jì)算機(jī)接口(Brain-Machine Interface, BMI/Brain-Computer Interface, BCI) 在機(jī)器人控制領(lǐng)域的重要應(yīng)用和研究方向。腦-計(jì)算機(jī)接口(Brain-Computer Interface，BCI)是BCRI系統(tǒng)的核心模塊。腦機(jī)接口技術(shù)是一種涉及認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、納米技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)等多學(xué)科的交叉技術(shù)。腦機(jī)接口包括了植入性及非侵入性。本文主要闡述非侵入性腦機(jī)接口的康復(fù)應(yīng)用進(jìn)展。

1 腦機(jī)接口的定義

腦機(jī)接口是在大腦和計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建的全新通訊和控制的立不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路技術(shù)。它是通過采集腦電信號(hào)，將直接的腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為一種可用的輸出，以控制外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)一定的功能[1]。它是一個(gè)將中樞神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)轉(zhuǎn)換為人工輸出，并代替、恢復(fù)、增加、補(bǔ)充或提高中樞神經(jīng)系統(tǒng)輸出的系統(tǒng)，從而改變中樞神經(jīng)系統(tǒng)和環(huán)境之間的持續(xù)相互作用。簡而言之，腦機(jī)接口即為轉(zhuǎn)變腦電信號(hào)為新形式的輸出模式。

腦機(jī)接口有兩個(gè)主要用途：第一個(gè)為直接用途，通過接收使用者指令性的腦電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為輸出，進(jìn)而控制周圍環(huán)境(開關(guān)燈、室溫控制)或通信設(shè)備。另一個(gè)新用途為運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，通過采集和引導(dǎo)腦電信號(hào)的激活和失活，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。

2 腦機(jī)接口的工作流程

BCI通過特殊的計(jì)算方法將提取出的特征信號(hào)轉(zhuǎn)化為輸出命令，再將輸出命令通過設(shè)備傳出，即實(shí)現(xiàn)反饋的過程。其通過信號(hào)采集裝置對(duì)人腦信號(hào)進(jìn)行提取，經(jīng)過放大、濾波等過程形成可識(shí)別的信號(hào)輸入系統(tǒng)進(jìn)行特征提取的工作。BCI流程可以分為信號(hào)提取、特征提取、特征翻譯及設(shè)備輸出四個(gè)步驟[2-3]。

3 腦機(jī)接口的信號(hào)采集

腦機(jī)接口系統(tǒng)控制信號(hào)的采集是實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口技術(shù)極為關(guān)鍵的第一步。BCI的信號(hào)必須是來源于大腦中樞系統(tǒng)的信號(hào)[2]。腦電信號(hào)采集的內(nèi)容包括腦電(BCIs based on electroencephalograph)、皮層慢電位(BCIs based on slow cortical potentials)、感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律(BCIs based on sensorimotor rhythms)、事件相關(guān)電位(BCIs based on event-related potentials)、穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位(BCIs based on steady-state evoked potentials)、混合性信號(hào)(hybrid BCIs)等[4]。信號(hào)的采集形式包括：功能性磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)、腦電圖(Electroencephalography，EEG)、功能性近紅外光譜(Functional Near Infrared Spectroscopy，fNIRS)。而目前較為常用信號(hào)采集方式的是基于表面腦電的BCI(Electroencephalogram-BCI，EEG-BCI)，其優(yōu)點(diǎn)是安全、方便、價(jià)廉。但現(xiàn)階段表面腦電存在的主要問題包括空間分辨率低、信號(hào)頻率范圍有限、抗噪能力差、信號(hào)易衰減等[5]。

4 腦機(jī)接口的治療基礎(chǔ)-神經(jīng)可塑性

由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性，人類對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)不全，缺乏有效的治療方法。大腦可塑性的發(fā)現(xiàn)為神經(jīng)功能恢復(fù)奠定了理論基礎(chǔ)，“神經(jīng)的可塑性決定神經(jīng)損傷后的恢復(fù)”已成為共識(shí)。大腦可塑性是指在內(nèi)、外環(huán)境因子的作用下，神經(jīng)元之間的相互聯(lián)系可發(fā)生改變，神經(jīng)功能將會(huì)發(fā)生重組。其機(jī)制涉及軸突及樹突發(fā)芽、神經(jīng)細(xì)胞再生、備用通路啟用、突觸數(shù)量增多等方面。神經(jīng)可塑性貫穿于神經(jīng)損傷后功能康復(fù)的全過程，在整個(gè)康復(fù)過程中發(fā)揮重要作用，如何促進(jìn)大腦、脊髓神經(jīng)的可塑性和功能重組是當(dāng)前中樞神經(jīng)損傷后功能康復(fù)研究的熱點(diǎn)。BCI訓(xùn)練促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重塑的途徑有兩個(gè)[1]：第一種是用正確的調(diào)節(jié)方式改變大腦信號(hào)的特征。第二種途徑是通過BCI的反饋利用其外接設(shè)備進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，可產(chǎn)生正常的運(yùn)動(dòng)模式，間接促進(jìn)正常的大腦信號(hào)產(chǎn)生，促進(jìn)大腦重塑，是BCI與其外接設(shè)備共同參與重塑及康復(fù)[6]。

5 腦機(jī)接口在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

5.1 運(yùn)動(dòng)功能 腦機(jī)接口可在大腦和外部設(shè)備之間建立信息通路，實(shí)現(xiàn)替代上、下肢的運(yùn)動(dòng)。其可不依賴于外周神經(jīng)和肌肉，通過反饋調(diào)節(jié)使患者控制對(duì)支具、假肢、機(jī)器臂等外接設(shè)備。1999年Chapin等[8]用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法將大鼠運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)集群電信號(hào)轉(zhuǎn)換為水泵控制指令，首次實(shí)現(xiàn)了大腦對(duì)外部設(shè)備的直接控制。2012年最早發(fā)表了應(yīng)用神經(jīng)接口理論可使脊髓損傷患者產(chǎn)生上肢運(yùn)動(dòng)[9]。Varkuti等[10]對(duì)慢性期腦卒中患者，經(jīng)過4周基于運(yùn)動(dòng)想象的BCI訓(xùn)練后，在6名受試者中有5人的Fugl-Meyer上肢功能評(píng)價(jià)得分明顯提高。Pfurtscheller[11]將基于μ波的BCI-FES(Brain-Computer Interface-Functional Electrical Stimulation)系統(tǒng)應(yīng)用于1例四肢癱患者，通過BCI 實(shí)現(xiàn)對(duì)上肢電刺激的啟動(dòng)控制，使其掌握抓握水杯-喝水的動(dòng)作，明顯提高了患者的上肢功能。Kubler等[12]證實(shí)了在肌萎縮側(cè)索硬化癥(Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS)所致的閉鎖綜合癥患者中，通過訓(xùn)練其控制顯示屏上光標(biāo)的移動(dòng)，從而達(dá)到和外界交流的目的。Dandan等[13]指出大腦運(yùn)動(dòng)皮層的P波是最易被監(jiān)測(cè)及最精確的。ChriStian等[14]報(bào)道一例頸5完全性損傷患者可以通過應(yīng)用腦機(jī)接口系統(tǒng)控制P波，實(shí)現(xiàn)在虛擬情況下行走在訓(xùn)練。因此，該技術(shù)能修復(fù)或重建功能障礙患者喪失的運(yùn)動(dòng)能力；可以為腦卒中患者提供一種全新的主動(dòng)參與控制的康復(fù)訓(xùn)練模式，使之可以利用腦機(jī)接口進(jìn)行直接的康復(fù)訓(xùn)練，訓(xùn)練患者恢復(fù)正常的運(yùn)動(dòng)想象模式，更快的恢復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)功能；脊髓損傷患者可以利用腦機(jī)接口系統(tǒng)，使用基于腦電信號(hào)的輔助設(shè)備控制平臺(tái)進(jìn)行輪椅控制、環(huán)境控制等，提高生活自理能力。

5.2 言語交流能力 腦機(jī)接口目前已經(jīng)被開發(fā)并測(cè)試用來控制交流設(shè)備。對(duì)于嚴(yán)重的交流障礙者而言，腦機(jī)接口是最合適、最被需要的一種技術(shù)。這其中包括了晚期的多發(fā)性硬化患者，無認(rèn)知障礙但缺乏交流能力的患者(如高位脊髓損傷患者、閉鎖綜合征等)，以及其他不能操作物體或不能利用視覺輔助系統(tǒng)的患者。Kübler等[15]探討了家庭用腦機(jī)接口的適用人群、治療策略和環(huán)境影響因素等。目前，腦機(jī)接口已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展到臨床對(duì)照研究中。除完全性閉鎖的患者外，各階段癱瘓患者均能通過基于P300、SMR或SCP的腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)簡單語言交流[16-18]。2004年Hinterberge等[19]第一次將聽覺反饋范式引入了腦-機(jī)接口研究。研究發(fā)現(xiàn)視覺反饋和視聽覺聯(lián)合反饋對(duì)腦機(jī)接口的操控更為靈活，但單純聽覺反饋比單純視覺反饋對(duì)腦機(jī)接口的操控效果差。Peters等[20]在研究中描述了作為一個(gè)通信設(shè)備，腦機(jī)接口與傳統(tǒng)的輔助技術(shù)相比，它的優(yōu)點(diǎn)和不足。通過研究發(fā)現(xiàn)，利用腦機(jī)接口來完成指定的任務(wù)是更容易實(shí)現(xiàn)的，但對(duì)于提高日常生活能力而言，并沒有明確的效果。

5.3 對(duì)意識(shí)的評(píng)估 對(duì)于意識(shí)障礙的患者，腦機(jī)接口可提供機(jī)會(huì)證實(shí)他們有意識(shí)存在。腦機(jī)接口不僅是一種可用于評(píng)估意識(shí)的方法，還能重建一種交流渠道。腦機(jī)接口用于意識(shí)障礙的鑒別，是一項(xiàng)極其重要的發(fā)現(xiàn)。Coyle等[21]在腦機(jī)接口應(yīng)用于極低意識(shí)狀態(tài)患者的研究中證實(shí)，在缺乏其他交流方法的情況下，可學(xué)習(xí)應(yīng)用腦機(jī)接口用于交流。

5.4 作業(yè)能力 有研究表明腦-機(jī)接口技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用很多[22]。隨著腦-機(jī)接口技術(shù)的不斷發(fā)展，更智能化、更有趣味性的康復(fù)治療方法對(duì)功能障礙者可以得到廣泛應(yīng)用[23]。有研究顯示[24]，基于BCI系統(tǒng)的理論，運(yùn)動(dòng)想象操控輪椅在4個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，明顯能夠提高患者的轉(zhuǎn)移能力及日常生活能力。既能豐富娛樂康復(fù)的方式，又促進(jìn)了日常生活能力康復(fù)的前景。

5.5 與輔助技術(shù)結(jié)合 腦機(jī)接口已經(jīng)越來越多的與其他輔助技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中。它是基于腦電信號(hào)，可與外骨骼輔助技術(shù)相結(jié)合。Schettini等[18]研制了一種適用于多發(fā)性硬化患者的混合性腦機(jī)接口，并證實(shí)對(duì)于這種非侵入性腦機(jī)接口，多發(fā)性硬化患者最為適用。對(duì)于脊髓損傷和腦干梗死患者，腦機(jī)接口是極為重要和有用的。應(yīng)用于脊髓損傷患者的腦機(jī)接口包含了計(jì)算機(jī)導(dǎo)向性任務(wù)和外骨骼的控制。Huggins等[25]探討了腦機(jī)接口的設(shè)計(jì)應(yīng)以實(shí)現(xiàn)脊髓損傷患者的目標(biāo)為優(yōu)先，并評(píng)估了如何能更多為患者帶來益處。

5.6 綜合應(yīng)用 目前直接作用于大腦的治療方法有很多，其結(jié)果是有限的。因此我們需要去發(fā)現(xiàn)一種促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的干預(yù)措施，使其能更直接作用于靶點(diǎn)，更快地促進(jìn)大腦損傷區(qū)域的恢復(fù)。生物反饋治療對(duì)于不同種類的功能障礙是有效的干預(yù)手段。目前BCI已經(jīng)應(yīng)用于無創(chuàng)的生物反饋系統(tǒng)，它依賴于對(duì)大腦信號(hào)的快速處理，可從認(rèn)知、情緒管理，運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的訓(xùn)練中直接實(shí)時(shí)獲取。無時(shí)間延遲的離線的信號(hào)的處理，使fMRI-BCI在許多運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練中更好地用于學(xué)習(xí)機(jī)制和效果的測(cè)試。實(shí)時(shí)fMRI-BCI通過調(diào)整右側(cè)扣帶回前部皮質(zhì)的節(jié)律，已經(jīng)被用于疼痛的治療中[26]。EEG-BCI系統(tǒng)還被用于減少癲癇發(fā)作，并可改善患者的注意力缺陷。目前，一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照研究對(duì)比了物理治療與物理治療聯(lián)合EEG-BCI治療的臨床效果[27]，結(jié)果顯示根據(jù)Fugl-Meyer上肢協(xié)調(diào)能力評(píng)分的比較，物理治療聯(lián)合EEG-BCI組治療明顯有效，其差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

6 缺陷與不足

目前腦機(jī)接口仍處于起步階段，作為一種全新的控制和交流方式，要真正應(yīng)用于實(shí)際事務(wù)中，還有許多需要解決的問題。現(xiàn)階段存在的主要問題包括以下幾個(gè)方面。首先，腦電信號(hào)采集的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。腦表面電極所能采集到的大腦表面電活動(dòng)有限，腦電活動(dòng)的干擾因素較多，因此如何采集所需的穩(wěn)定的腦電信號(hào)，并保證其準(zhǔn)確性，是限制腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用的重要因素之一。其次，信號(hào)特征的提取和分類一體性。人腦思維和腦電信號(hào)較為復(fù)雜，如何將所采集到的腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取并進(jìn)行相應(yīng)的分類，是有待解決的問題之一。至今所使用的這類腦電信號(hào)模式都存在一些不足之處。第三，信號(hào)特征輸出的完整性。腦電信號(hào)在傳輸過程中易衰減，如何減少從腦電信號(hào)采集到機(jī)器人之間電信號(hào)的衰減，也是目前需要解決的問題之一。第四，運(yùn)算及翻譯腦電信號(hào)的正確性。即如何正確翻譯所采取到的腦電信號(hào)，使其轉(zhuǎn)化成為能夠正確并多次控制機(jī)器人的控制信號(hào)，并使其長期有效工作，亦是目前有待解決的問題之一。

7 腦機(jī)接口未來發(fā)展的方向與挑戰(zhàn)

直接對(duì)大腦進(jìn)行刺激的治療和大腦神經(jīng)反饋訓(xùn)練的應(yīng)用均依賴于我們對(duì)運(yùn)動(dòng)恢復(fù)機(jī)制、神經(jīng)區(qū)域的有關(guān)功能、干預(yù)的機(jī)制、運(yùn)動(dòng)控制的神經(jīng)修復(fù)機(jī)制等的認(rèn)識(shí)。這些認(rèn)識(shí)的發(fā)現(xiàn)，將對(duì)未來腦機(jī)接口的應(yīng)用提供一個(gè)良好的平臺(tái)[28]。雖然實(shí)時(shí)fNIRS-BCI和EEG-BCI使用較多并且便攜，但他們過分依賴于腦電信號(hào)的采集和提取。而實(shí)時(shí)fMRI-BCI并不適用于日常生物反饋治療。同時(shí)，腦機(jī)接口未來的發(fā)展應(yīng)該在于對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的神經(jīng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)以及如何利用腦機(jī)接口增加這些神經(jīng)機(jī)制的特異性。重獲運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)制，即腦機(jī)接口的基礎(chǔ)，是釋放神經(jīng)遞質(zhì)到大腦特殊的部位或致特殊底物來促進(jìn)神經(jīng)損傷或疾病后運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。雖然表面上看起來不可行，但Janis等[29]已經(jīng)設(shè)計(jì)并測(cè)試了一種EEG-BCI，利用小鼠模型的腦電信號(hào)來控制無線電設(shè)備進(jìn)行細(xì)胞移植。

綜上所述，目前實(shí)驗(yàn)室腦機(jī)接口、家庭交流用的腦機(jī)接口的應(yīng)用已經(jīng)取得成功。但是，腦機(jī)接口技術(shù)仍不完善，臨床醫(yī)生以及臨床科學(xué)研究者應(yīng)該進(jìn)一步深入研究，使得腦機(jī)接口在康復(fù)醫(yī)學(xué)中充分發(fā)揮潛力。

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