神經(jīng)義肢在頸段脊髓損傷患者康復(fù)中的應(yīng)用

刁子龍，馬鑫鑫，柴曉珂，白然，公維軍

神經(jīng)義肢在頸段脊髓損傷患者康復(fù)中的應(yīng)用

刁子龍1，馬鑫鑫1，柴曉珂2，白然1，公維軍1

神經(jīng)義肢控制系統(tǒng)基于腦機(jī)接口技術(shù)、功能性電刺激技術(shù)等，通過分析腦電信號(hào)獲得控制命令，直接作用于肌肉系統(tǒng)或外部設(shè)備，恢復(fù)或代償脊髓損傷患者的運(yùn)動(dòng)功能。本文闡述神經(jīng)義肢系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及關(guān)鍵技術(shù)，歸納該技術(shù)在頸段脊髓損傷患者康復(fù)治療中的應(yīng)用情況、存在的問題及發(fā)展前景。

神經(jīng)義肢；腦機(jī)接口；頸段脊髓損傷；康復(fù)；綜述

[本文著錄格式]刁子龍，馬鑫鑫，柴曉珂，等.神經(jīng)義肢在頸段脊髓損傷患者康復(fù)中的應(yīng)用[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2017, 23(4)：394-397.

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脊髓損傷發(fā)生率呈現(xiàn)逐年增高的趨勢，脊髓損傷是脊柱損傷最嚴(yán)重的并發(fā)癥，頸段脊髓損傷往往導(dǎo)致上肢、軀干、下肢及盆腔臟器的功能障礙[1]。根據(jù)美國脊髓損傷統(tǒng)計(jì)中心數(shù)據(jù)庫報(bào)道的康復(fù)出院人群數(shù)據(jù)，不完全性和完全性四肢癱患者占總數(shù)的45%和14.3%[2]。脊髓神經(jīng)損傷的修復(fù)至今仍是醫(yī)學(xué)中的一個(gè)難題，所以想方設(shè)法地繞過阻斷的神經(jīng)傳導(dǎo)通路來傳遞神經(jīng)信號(hào)就成為國內(nèi)外研究人員探索的熱點(diǎn)?；谀X機(jī)接口(brain-computer interface,BCI)的控制系統(tǒng)不依賴于正常的神經(jīng)傳導(dǎo)通路，通過記錄分析人腦產(chǎn)生的腦電信號(hào)，翻譯為控制命令直接對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制[3]，已成為頸段脊髓損傷患者功能重建的重要方法。

1 神經(jīng)義肢系統(tǒng)的基本原理

近年來，隨著認(rèn)知腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)神經(jīng)義肢(neural prosthesis)技術(shù)進(jìn)行大量的深入研究。神經(jīng)義肢系統(tǒng)主要基于BCI技術(shù)、功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)等技術(shù)，通過分析腦電信號(hào)(electroencephalograph,EEG)獲得控制命令，直接作用于失神經(jīng)肌肉或外骨骼康復(fù)機(jī)器人，代償傳統(tǒng)的腦-脊髓-肌肉傳出通路，重建脊髓損傷患者的運(yùn)動(dòng)功能[4]。該技術(shù)可以有效幫助脊髓損傷患者進(jìn)行康復(fù)治療及功能重建。

2 神經(jīng)義肢系統(tǒng)在頸段脊髓損傷患者康復(fù)中的應(yīng)用

神經(jīng)義肢系統(tǒng)用于運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練，如偏癱、截癱、腦癱和截肢患者，有研究基于BCI的反饋系統(tǒng)，在虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練場景，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互進(jìn)行下肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練[5]，對(duì)于腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練可以促進(jìn)大腦重塑，減輕殘疾，提高生活質(zhì)量[6]。而對(duì)于頸段脊髓損傷患者，修復(fù)神經(jīng)的方法極為困難，因此通過BCI技術(shù)來實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)功能的代償成為重要的治療手段。

對(duì)于脊髓損傷部位較高導(dǎo)致上肢功能受限的四肢癱患者，有研究基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(steady-state visual evoked potential,SSVEP)或運(yùn)動(dòng)想象結(jié)合自發(fā)的α波腦電信號(hào)[7]，幫助患者自主控制光標(biāo)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)單擊瀏覽網(wǎng)頁[8]，控制文字輸入[9]，利用閉眼放松及左右手運(yùn)動(dòng)想象實(shí)現(xiàn)對(duì)智能輪椅[10]及家居設(shè)備開關(guān)的控制[11]，其優(yōu)點(diǎn)是不依賴肢體動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制，不需復(fù)雜的訓(xùn)練，實(shí)用性強(qiáng)，在四肢癱患者中有較高的應(yīng)用價(jià)值。

目前國內(nèi)外基于BCI技術(shù)輔助脊髓損傷患者康復(fù)的研究主要有以下兩方面：一是基于BCI控制外骨骼康復(fù)機(jī)器人，包括機(jī)械臂、下肢外骨骼矯形器、步行支具等輔助運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)器人，通過訓(xùn)練改善或幫助患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能；二是通過BCI控制功能電刺激器刺激失神經(jīng)肌肉來實(shí)現(xiàn)上肢、下肢運(yùn)動(dòng)，如通過神經(jīng)義肢手實(shí)現(xiàn)抓握等動(dòng)作[12]，完成日常生活的基本動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)癱瘓患者運(yùn)動(dòng)功能的代償[13]。

2.1 基于BCI技術(shù)控制康復(fù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

2.1.1 BCI技術(shù)的基本原理

典型的BCI系統(tǒng)包含四個(gè)部分，分別為信號(hào)采集、處理單元、外部設(shè)備和反饋部分[14]。通常采用功率譜分析等信號(hào)處理的方法提取腦電信號(hào)的特征，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模式識(shí)別的方法進(jìn)行分類，最終獲得命令編碼傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備實(shí)現(xiàn)控制[3]。目前基于BCI技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)有較高的信息傳輸率和準(zhǔn)確度。

2.1.2 基于BCI的康復(fù)機(jī)器人技術(shù)

康復(fù)機(jī)器人主要分為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和輔助型康復(fù)機(jī)器人兩種，訓(xùn)練機(jī)器人主要幫助患者完成各種訓(xùn)練，輔助機(jī)器人輔助患者完成各種肢體動(dòng)作?？刂瓶祻?fù)機(jī)器人幫助脊髓損傷患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練或功能代償，是BCI技術(shù)的重要應(yīng)用。應(yīng)用自動(dòng)的輔助康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)治療，可以減輕治療師的工作負(fù)擔(dān)，提高康復(fù)治療的效率，而自主控制康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練可以使患者主動(dòng)參與到康復(fù)訓(xùn)練中，取得更好的康復(fù)療效[15]。

孟憲鵬[16]運(yùn)用事件相關(guān)電位(event-related potential,ERP) P300電位及運(yùn)動(dòng)想象多關(guān)節(jié)(機(jī)械腕、肘、肩、腰關(guān)節(jié))機(jī)械臂的控制，基于P300的腦機(jī)接口可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)選擇，識(shí)別率高，機(jī)械臂可控性好，經(jīng)過一定訓(xùn)練的被試者可以較好地控制機(jī)械臂完成各種動(dòng)作和任務(wù)，但該系統(tǒng)存在輸出命令有延遲、實(shí)時(shí)性不好的缺點(diǎn)?；谶\(yùn)動(dòng)想象的BCI系統(tǒng)控制機(jī)械臂實(shí)時(shí)性較好，空間定位精度高，但可以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作較少，可控制的自由度受限，受試者需要進(jìn)行長時(shí)間的訓(xùn)練。清華大學(xué)任宇鵬等[17]用基于BCI的機(jī)械手閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了握住水杯、倒水、將水杯放回原處和機(jī)械手位置復(fù)原等動(dòng)作，為多自由度假肢、外動(dòng)力矯形器、護(hù)理機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助器的設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)和思路。Yahud等[18]研發(fā)出基于BCI的16個(gè)自由度的機(jī)械假手，該假手能完成圓柱體抓取，鑰匙捏取，兩手指夾取紙片，三手指夾取雞蛋等動(dòng)作，但該系統(tǒng)信號(hào)處理速度較慢，識(shí)別率準(zhǔn)確率不高，抗干擾較差，受試者需要經(jīng)過長時(shí)間嚴(yán)格訓(xùn)練才能達(dá)到理想的狀態(tài)。

隨著植入式腦電采集技術(shù)的發(fā)展，有研究者嘗試獲得更高空間分辨率的腦電信號(hào)，采用更接近腦神經(jīng)元的植入式電極幫助脊髓損傷患者完成更高精度的肢體動(dòng)作，有研究表明植入式電極可持續(xù)使用5年以上[19]。Hochberg等[20]將4×4 mm、96通道的硅電極陣列植入受試者大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)中控制手臂的區(qū)域，利用卡爾曼濾波器提升皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)層運(yùn)動(dòng)想象信號(hào)的質(zhì)量，提高特征提取的精度，兩名脊髓損傷患者實(shí)現(xiàn)了對(duì)手臂輔助器具(DLR Light-Weight Robot III)及上肢假肢(DEKA arm system)的控制，完成復(fù)雜的手部動(dòng)作，對(duì)物品進(jìn)行精準(zhǔn)抓取與握持。Collinger等[21]進(jìn)一步優(yōu)化神經(jīng)信號(hào)提取算法，采用基于運(yùn)動(dòng)速度的解碼模式，使四肢癱患者數(shù)小時(shí)訓(xùn)練后可實(shí)現(xiàn)機(jī)械假手的三自由度平移動(dòng)作，4個(gè)月訓(xùn)練后可熟練使用七自由度的仿生機(jī)械假手，上肢動(dòng)作研究量表(Action Research Arm Test)[22]分?jǐn)?shù)可達(dá)到15～17，極大地改善了四肢癱患者的上肢功能。Lee等[23]通過運(yùn)動(dòng)想象，采用級(jí)聯(lián)二元分類器提取事件去同步電位，想象雙手運(yùn)動(dòng)作為外骨骼運(yùn)動(dòng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢外骨骼裝置的控制，可以完成前進(jìn)，左、右轉(zhuǎn)向三個(gè)動(dòng)作，為四肢癱患者下肢運(yùn)動(dòng)功能重建提供了有效途徑。

2.1.3 基于BCI技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人存在的問題

目前康復(fù)機(jī)器人的研究雖然處于起步階段，但在運(yùn)動(dòng)控制的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、響應(yīng)性、安全性以及操作的可靠性方面有出色的表現(xiàn)，康復(fù)機(jī)器人在脊髓損傷患者康復(fù)中得到廣泛的應(yīng)用，也取得很好的臨床效果，而存在的問題主要集中在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，控制的精度和速度，機(jī)械設(shè)備的靈巧性，BCI技術(shù)的信息傳輸率、誤差率、特征提取和轉(zhuǎn)換算法，及應(yīng)用于脊髓損傷患者訓(xùn)練的實(shí)用性、適應(yīng)性等方面，有待進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)于脊髓損傷導(dǎo)致四肢癱的患者，他們更希望可以通過BCI技術(shù)恢復(fù)手和手臂的功能，而不是控制類似輪椅、機(jī)械臂這類輔助器具，因此幫助脊髓損傷患者重新獲得原有的運(yùn)動(dòng)功能，是神經(jīng)義肢系統(tǒng)的一個(gè)重要方面[24]。

2.2 基于BCI及FES技術(shù)控制失神經(jīng)肌肉的研究現(xiàn)狀

FES技術(shù)在脊髓損傷患者康復(fù)過程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[25]，但FES技術(shù)模式主要為患者末端神經(jīng)的局部刺激，不能根據(jù)患者的主觀運(yùn)動(dòng)意愿活動(dòng)。基于BCI-FES的技術(shù)是在人的大腦和失神經(jīng)肌肉之間直接建立聯(lián)系，不依賴與腦-外周神經(jīng)-肌肉這一正常傳導(dǎo)通路[26]，同時(shí)能夠克服單純FES自適應(yīng)性差，難以控制等不足，對(duì)于不完全性四肢癱患者可以達(dá)到理想的康復(fù)效果[27]。通過監(jiān)測、識(shí)別患者主觀運(yùn)動(dòng)意識(shí)，以此產(chǎn)生相應(yīng)的FES控制信號(hào)模式，實(shí)現(xiàn)患者自覺運(yùn)動(dòng)。這種BCI控制FES的全新運(yùn)動(dòng)神經(jīng)重建技術(shù)引導(dǎo)了當(dāng)前神經(jīng)康復(fù)工程研究的新潮流。

2.2.1 上肢功能重建

上肢運(yùn)動(dòng)功能的重建對(duì)于脊髓損傷造成的四肢癱瘓患者，特別是C5、C6損傷患者有著重要意義，能夠使其恢復(fù)基本的日常生活能力，促進(jìn)癱瘓肢體的運(yùn)動(dòng)功能[25]。Vidaurre等[28]應(yīng)用非侵入式BCI，提取正常人運(yùn)動(dòng)想象的腦電特征，實(shí)時(shí)計(jì)算并連續(xù)控制FES刺激上肢，實(shí)現(xiàn)對(duì)上肢的線性控制。Vu?kovi?等[29]結(jié)合自發(fā)腦電信號(hào)α節(jié)律和運(yùn)動(dòng)想象電位控制功能電刺激器的開閉，應(yīng)用于四肢癱患者亞急性康復(fù)治療過程中，實(shí)現(xiàn)手掌開閉動(dòng)作，控制準(zhǔn)確度達(dá)到83%。Rohm等[30]開發(fā)應(yīng)用BCI-FES技術(shù)結(jié)合肘關(guān)節(jié)自鎖矯形器[31]，基于運(yùn)動(dòng)想象采用非侵入式的電極，使C4完全性損傷患者完成物品的握持、釋放、移動(dòng)，借助BCI控制矯形器完成肘關(guān)節(jié)的屈伸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)文檔簽署、吃餅干棒等日常生活活動(dòng)。周鵬等[32]開發(fā)了一種用于癱瘓患者的智能康復(fù)系統(tǒng)，患者可根據(jù)自己的運(yùn)動(dòng)想象控制其癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)。該康復(fù)系統(tǒng)采集分析患者左右手運(yùn)動(dòng)想象動(dòng)作電位信號(hào)，分析人的運(yùn)動(dòng)意圖準(zhǔn)確率達(dá)95%以上，控制功能性電刺激儀完成手掌伸展、四肢彎曲同時(shí)拇指伸展、彎曲拇指側(cè)捏狀態(tài)動(dòng)作。

Bouton等[13]將這種基于BCI和FES的系統(tǒng)稱為神經(jīng)旁路系統(tǒng)(neural bypass system,NBS)，采用植入式電極，將微電級(jí)植入頸段脊髓損傷患者(C5～C6)大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)內(nèi)部，并令患者手臂部穿戴定制的裝有130個(gè)刺激電極的柔性前臂套筒，利用運(yùn)動(dòng)想象實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)做出動(dòng)作，如抓握、握住水杯移動(dòng)、倒水、捏住勺子并攪拌等，經(jīng)過15個(gè)月的康復(fù)訓(xùn)練后，經(jīng)康復(fù)評(píng)定，效果相當(dāng)于C7～T1脊髓損傷患者的運(yùn)動(dòng)水平，患者日常生活活動(dòng)有顯著改善。但使用大量表面電極通過FES恢復(fù)患者的運(yùn)動(dòng)功能是一種耗時(shí)較長且費(fèi)用較高的方式，且大多數(shù)研究集中在手部的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)，因?yàn)闊o法克服肌肉疲勞因素，應(yīng)用在肘關(guān)節(jié)功能障礙恢復(fù)時(shí)效果并不理想。

2.2.2 下肢功能重建

Do等[33]首次將BCI-FES技術(shù)應(yīng)用于下肢功能重建，基于運(yùn)動(dòng)想象腦電的對(duì)側(cè)控制模式，通過FES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)脛前肌的運(yùn)動(dòng)完成足背屈動(dòng)作，但該系統(tǒng)延遲較大。姚林等[34]基于SSVEP腦機(jī)接口刺激FES控制小腿擺動(dòng)，2名健康受試進(jìn)行行走測試，該系統(tǒng)可以識(shí)別5種運(yùn)動(dòng)意圖控制小腿的擺動(dòng)和行走，但由于驅(qū)動(dòng)下肢運(yùn)動(dòng)所需電刺激強(qiáng)度較大，會(huì)產(chǎn)生輕微疼痛，且在行走中受試者很難全神貫注地注視屏幕中的刺激信號(hào)，導(dǎo)致識(shí)別率低于70%。有研究表明[35]，足部的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)想象事件相關(guān)同步、去同步電位產(chǎn)生干擾，影響腦電信號(hào)特征提取。下肢功能重建難度較大，幫助其恢復(fù)上肢功能應(yīng)為首要選擇。

2.2.3 存在問題

目前，已經(jīng)有很多國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)在研究基于BCI和FES技術(shù)的機(jī)械臂應(yīng)用于上肢功能重建；由于控制下肢行走運(yùn)動(dòng)的大腦皮層位置較深，腦電信號(hào)較微弱，因此開展基于BCI和FES重建下肢功能面臨更多的問題，目前的研究論著較少；輪椅、截癱矯形器可作為癱瘓患者廣泛使用的穩(wěn)定可靠的移動(dòng)、步行工具，在一定程度上限制下肢BCI-FES技術(shù)的研究。更多的研究也關(guān)注基于BCI技術(shù)控制康復(fù)輔具及家居設(shè)備的系統(tǒng)研究。利用BCI-FES技術(shù)識(shí)別脊髓損傷患者的運(yùn)動(dòng)意圖，控制其失神經(jīng)肌肉來恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能的研究目前均處于初級(jí)階段，還有許多問題需要解決，但是初步的研究結(jié)果顯示，采用BCI-FES技術(shù)完全可行。

3 展望

隨著研究者對(duì)腦功能和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的不斷探索，BCI技術(shù)和FES技術(shù)的不斷成熟，神經(jīng)義肢系統(tǒng)迅速崛起并初步臨床試驗(yàn)成功，使得神經(jīng)義肢系統(tǒng)成為神經(jīng)工程和康復(fù)工程領(lǐng)域共同關(guān)注的重要研究分支，為脊髓損傷患者提供全新的與外界進(jìn)行交流和控制的方式。盡管目前神經(jīng)義肢系統(tǒng)還不成熟，但隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、數(shù)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和融合，國內(nèi)外各個(gè)研究小組的緊密交流和合作，神經(jīng)義肢系統(tǒng)的應(yīng)用前景將更加廣闊。

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Application of Neural Prosthesis in Rehabilitation of Cervical Spinal Cord Injury(review)

DIAO Zi-long1,MA Xin-xin1,CHAI Xiao-ke2,BAI Ran1,GONG Wei-jun1
1.Beijing Rehabilitation Hospital,Capital Medical University,Beijing 100144,China;2.School of Biologicol Science and Medical Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China

GONG Wei-jun.E-mail：gwj1971@163.com

Neural prosthesis control system is based on brain-computer interface and functional electrical stimulation technology,by analyzing the electroencephalograph control commands directly into the muscle system or an external device,which compensated efferent pathway from the brain-spinal cord,and recovered motor function of patients with cervical spinal cord injury.This paper described the basic structure,working principle and key technology of neural prosthetic system,summarized the application,problems and prospects of neural prosthetic technology in the rehabilitation of cervical spinal cord injury.

neural prosthesis;brain-computer interface;cervical spinal cord injury;rehabilitation;review

R651.2

A

1006-9771(2017)04-0394-04

2016-12-09

2017-01-13)

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.04.006

1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京康復(fù)醫(yī)院，北京市100144；2.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京市100191。作者簡介：刁子龍(1990-)，男，漢族，北京市人，碩士，初級(jí)技師，主要研究方向：康復(fù)工程。通訊作者：公維軍(1971-)，男，博士，主要研究方向：神經(jīng)康復(fù)。E-mail：gwj1971@163.com。