基于腦機(jī)接口技術(shù)的肢體康復(fù)研究進(jìn)展

姜月，鄒任玲

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

引起肢體運(yùn)動(dòng)障礙的原因有很多，如腦卒中、腦出血、腦外傷等，可致使患側(cè)腦區(qū)控制對(duì)側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)的能力出現(xiàn)障礙，患者表現(xiàn)出偏癱[1]；如運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元受損導(dǎo)致的肌萎縮側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)，患者四肢肌肉通常表現(xiàn)出萎縮無(wú)力和嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙[2]；此外還有脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)[3]、閉鎖綜合征(locked-in syndrome，LIS)[4]等。如何使肢體功能受損的人群得到有效康復(fù)，提高生活能力和質(zhì)量，是當(dāng)前康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。針對(duì)患者肢體康復(fù)訓(xùn)練，一般可分為運(yùn)動(dòng)療法、物理療法、作業(yè)療法，三種方法從不同角度為患者提供康復(fù)手段。將20世紀(jì)70年代[5]形成的BCI運(yùn)用于康復(fù)治療是目前的研究熱點(diǎn)，它很大程度上克服了其他康復(fù)手段的弊端，如傳統(tǒng)康復(fù)器械給予的機(jī)械式訓(xùn)練，過(guò)程單調(diào)，缺少患者的主觀反饋情況。而BCI可在人腦與計(jì)算機(jī)之間建立直接聯(lián)系，通過(guò)解讀患者的腦電信號(hào)(electroencephalogram，EEG)[6]，避開正常的神經(jīng)-肌肉通路，相比于其他方式更注重患者的主觀意圖，順應(yīng)了康復(fù)領(lǐng)域發(fā)展的要求。

2 BCI應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)療法康復(fù)

運(yùn)動(dòng)療法是目前康復(fù)最普及的方法，通過(guò)進(jìn)行主動(dòng)或被動(dòng)的動(dòng)作使肢體得到鍛煉，提高肌肉力量及關(guān)節(jié)活動(dòng)度等[7]，對(duì)提高患者的肢體運(yùn)動(dòng)功能和日常生活活動(dòng)(activities of daily living，ADL)能力[8]都具有積極意義。根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能及主要作用，可將BCI分為兩種用于運(yùn)動(dòng)療法中[9]。一是輔助性腦機(jī)接口，通過(guò)得到的控制信號(hào)對(duì)假肢或外骨骼(機(jī)械手、機(jī)械腿等)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練動(dòng)作或日常動(dòng)作；二是康復(fù)性腦機(jī)接口，將動(dòng)作情況以不同形式反饋給患者，激活其大腦神經(jīng)可塑性，提高運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)能力[10]。

2.1 輔助性腦機(jī)接口

Guger等人[11]設(shè)計(jì)了基于左右手運(yùn)動(dòng)想象的BCI系統(tǒng)控制假肢動(dòng)作，三組實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果分別為90 %、82.5%和88.75%，成功率較高。Yahud等人[12]研制的BCI控制機(jī)械假手具有 16 個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)抓握?qǐng)A柱體、捏鑰匙，以及用兩個(gè)手指夾取紙片、三個(gè)手指夾取雞蛋這四個(gè)動(dòng)作，手部的簡(jiǎn)單動(dòng)作得以實(shí)現(xiàn)。Fok等人[13]研制的BCI控制手部矯正器實(shí)現(xiàn)了腦卒中患者的手部康復(fù)，考慮到患者患肢對(duì)側(cè)的大腦運(yùn)動(dòng)皮層可能損傷而影響到正常運(yùn)動(dòng)腦電，利用了與患肢同側(cè)的EEG，取得了較好效果。楊大鵬等人[14]提出了基于三種思維作業(yè)下的腦電控制假手的方法，用閉眼時(shí)α節(jié)律的功率提升來(lái)觸發(fā)單次實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三自由度假手的控制，離線實(shí)驗(yàn)時(shí)受試者進(jìn)行虛擬計(jì)數(shù)、構(gòu)思寫信、復(fù)雜乘法三種思維作業(yè)，使用功率譜估計(jì)特征后的識(shí)別率見表1。程明等人[6]搭建了基于穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(steady-state visual evoked potential，SSVEP)的BCI系統(tǒng)，使假肢能夠做到倒水時(shí)的連續(xù)動(dòng)作，即握住水杯、倒水、再將水杯放回原位及假肢復(fù)位。BCI對(duì)于上肢的研究相對(duì)較多，但缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)的功能仍然較為固定單一，用于實(shí)際日常生活中仍需更多的動(dòng)作多樣性及靈活性。

張艷娜等人[15]基于事件相關(guān)同步(event-relatedsynchronization，ERS)和事件相關(guān)去同步(event-related desynchronization，ERD)現(xiàn)象的左右手運(yùn)動(dòng)想象EEG，分別運(yùn)用單次和綜合分類識(shí)別，其中單次分類識(shí)別率可達(dá)到80%左右，而采用綜合分類可提高到86%，并能夠控制下肢外骨骼進(jìn)行屈和伸的動(dòng)作，從而達(dá)到了下肢輔助訓(xùn)練的功能。BCI用于下肢康復(fù)的研究相對(duì)要少，僅進(jìn)行單一的屈伸訓(xùn)練，康復(fù)效果有限，仍需要對(duì)系統(tǒng)加以不同的幅度、頻率去配合患者主觀思維意圖，效果將更佳。

通過(guò)BCI對(duì)假肢的控制直接替代患者完成日常動(dòng)作，提高自理能力；或是通過(guò)對(duì)外骨骼設(shè)備的控制輔助患者自身肢體進(jìn)行訓(xùn)練，增強(qiáng)肌肉關(guān)節(jié)活動(dòng)能力，均使BCI在運(yùn)動(dòng)療法中得到了有效利用。

表1 3種思維作業(yè)下功率譜估計(jì)特征的識(shí)別正確率/%

2.2 康復(fù)性腦機(jī)接口

BCI促進(jìn)患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的內(nèi)在機(jī)制主要是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性。BCI系統(tǒng)可通過(guò)大腦與外界環(huán)境之間的交互實(shí)現(xiàn)功能替代，或是患者通過(guò)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象等思維作業(yè)促進(jìn)大腦神經(jīng)的重塑，實(shí)現(xiàn)功能代償[16]。由于運(yùn)動(dòng)想象是重復(fù)性的，可反復(fù)刺激相關(guān)大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，從而提高損傷腦區(qū)的皮質(zhì)激活狀態(tài)[17-18]，激活運(yùn)動(dòng)區(qū)和感覺(jué)區(qū)的活動(dòng)[19]。同時(shí)，這種神經(jīng)功能重塑的過(guò)程也是運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)[20]的過(guò)程，通過(guò)對(duì)大腦的刺激與反饋使患者獲得學(xué)習(xí)和強(qiáng)化，從而逐漸獲得相關(guān)運(yùn)動(dòng)能力。將BCI用于康復(fù)治療越早，患者的運(yùn)動(dòng)想象思維與所執(zhí)行任務(wù)之間的匹配正確率越高，可塑性就越好[10,19]，康復(fù)訓(xùn)練效果也就越佳。

結(jié)合了其他技術(shù)的康復(fù)性BCI更具優(yōu)點(diǎn)，其中一個(gè)重要技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)，它是指通過(guò)模擬產(chǎn)生三維空間的虛擬場(chǎng)景，讓使用者身臨其境[21]，結(jié)合到BCI當(dāng)中可以提高患者參與訓(xùn)練的積極性與趣味性[22]。主要有兩方面應(yīng)用，一是用于系統(tǒng)的視覺(jué)反饋中，患者通過(guò) VR 反饋可對(duì)自身訓(xùn)練狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整；二是用于游戲娛樂(lè)中，患者利用腦電控制VR游戲中的目標(biāo)，在激發(fā)患者積極性的同時(shí)有效促進(jìn)神經(jīng)重塑。

Tan[23]等人提出的BCI同步閉環(huán)康復(fù)系統(tǒng)，對(duì)Baxter機(jī)器人的雙臂進(jìn)行控制，同時(shí)VR 設(shè)備向用戶進(jìn)行視覺(jué)反饋。Leeb等人[3]基于患者足部運(yùn)動(dòng)想象EEG中的beta節(jié)律，實(shí)現(xiàn)了VR環(huán)境中的BCI輪椅控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中受試者面對(duì)一個(gè)由多個(gè)人物間斷設(shè)立的虛擬街道場(chǎng)景，要求從一個(gè)人物移動(dòng)至下一個(gè)人物，并完成某些任務(wù)，直至街道盡頭，環(huán)境的真實(shí)提高了患者的參與性。Muoz 等人[24]提出的BCI康復(fù)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)患者EEG的分析以及動(dòng)作 Kinematic 信號(hào)的捕捉，結(jié)合構(gòu)造了腦kinect 界面(brain kinect interface，BKI)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了幾款VR康復(fù)游戲，該系統(tǒng)目前已在哥倫比亞的一個(gè)康復(fù)中心被使用，主要目標(biāo)是腦卒中和腦外傷等后上肢癱瘓和平衡失調(diào)的患者。徐保國(guó)等人[25]設(shè)計(jì)的BCI上肢康復(fù)機(jī)器人利用3D肢體運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫刺激患者運(yùn)動(dòng)想象，利用VR進(jìn)行視覺(jué)反饋，同時(shí)控制機(jī)械臂動(dòng)作。將BCI與VR技術(shù)相結(jié)合，身臨其境的真實(shí)感調(diào)動(dòng)了患者的主觀能動(dòng)性，提高了康復(fù)療效，具有極大的應(yīng)用前景。

3 BCI應(yīng)用于物理療法康復(fù)

物理療法是運(yùn)用電、磁、光等物理因子治療[26]，常見的功能性電刺激(functional electrical stimulation，F(xiàn)ES)就屬于此療法。將BCI應(yīng)用于該療法，主要是與FES相結(jié)合，形成BCI-FES。FES屬于神經(jīng)肌肉電刺激的范疇，利用程序設(shè)定的適當(dāng)強(qiáng)度的低頻脈沖，通過(guò)表面或皮下電極刺激目標(biāo)肌肉使其收縮，促使肌肉動(dòng)作以產(chǎn)生即時(shí)效應(yīng)。利用BCI的輸出命令控制 FES，融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，使康復(fù)效果得到有效提高。

李明芬等人[27]選取了腦卒中患者利用BCI-FES對(duì)上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，通過(guò)觀察訓(xùn)練前后執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的準(zhǔn)確率及ERD情況，探討了BCI-FES 在上肢康復(fù)中的可行性及機(jī)制，結(jié)果提示其對(duì)促進(jìn)患者上肢功能康復(fù)具有顯著療效?？艹蘙28]通過(guò)分析μ節(jié)律的ERD/ERS能量變化情況，將BCI-FES與單純FES對(duì)腦卒中患者慢性期大腦可塑性的影響進(jìn)行了討論，并利用Fugl-Meyer量表進(jìn)行評(píng)定，比較了兩者對(duì)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)所起作用的大小，通過(guò)五個(gè)月的實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果提示，基于運(yùn)動(dòng)想象的BCI-FES在改善患者運(yùn)動(dòng)功能療效的方面要優(yōu)于單純FES，在提高患肢運(yùn)動(dòng)時(shí)大腦皮層激活正常化方面也同樣要優(yōu)于單純FES。FES對(duì)癱瘓肌肉治療雖具有直接性和即時(shí)性，但強(qiáng)度等參數(shù)都受治療師主觀控制，而BCI使患者主觀意識(shí)得到重視，因此BCI-FES和BCI-VR這種混合式的系統(tǒng)，具有很大應(yīng)用潛力。

4 BCI應(yīng)用于作業(yè)能力康復(fù)

作業(yè)療法是運(yùn)用某些目的性的作業(yè)活動(dòng)為手段，幫助患者提高自理、工作甚至娛樂(lè)等能力。以往殘疾人對(duì)于家電的控制可以采用語(yǔ)音控制等方式，但是對(duì)于嚴(yán)重癱瘓的患者來(lái)說(shuō)，這些方式甚至都將無(wú)法使用[32]。肢體運(yùn)動(dòng)障礙使患者日常生活中多種作業(yè)無(wú)法順利完成，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量，而通過(guò)BCI利用腦電直接控制計(jì)算機(jī)，家電的開關(guān)，甚至汽車，將為患者帶來(lái)諸多便利。

Rebsamen等人[33]針對(duì)對(duì)ALS患者的研究，利用P300信號(hào)開發(fā)了BCI輪椅控制系統(tǒng)，該輪椅主要適合在家庭、醫(yī)院、辦公室這類特定環(huán)境中使用，地圖被預(yù)先設(shè)置并有不同地點(diǎn)的選項(xiàng)，用戶通過(guò)注視目標(biāo)選項(xiàng)引發(fā)P300電位，輪椅即可按預(yù)定義路徑移動(dòng)至相應(yīng)目標(biāo)。系統(tǒng)同時(shí)具有一定適應(yīng)能力，可調(diào)整路徑以避免障礙物的干擾。但缺點(diǎn)是使用范圍受到限制，不夠靈活，患者無(wú)法在日常中大范圍使用。

Jonathan 等人[34]實(shí)現(xiàn)了屏幕上光標(biāo)的控制。屏幕中出現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域后，患者通過(guò)腦電對(duì)中央出現(xiàn)的光標(biāo)進(jìn)行路徑控制，光標(biāo)進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域則任務(wù)完成。雖然準(zhǔn)確性和光標(biāo)移動(dòng)的靈活性仍待提高，但為BCI應(yīng)用于計(jì)算機(jī)使用中提供了思路與基礎(chǔ)，可為上肢無(wú)法自由操作鼠標(biāo)鍵盤的患者實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)帶來(lái)希望。

Tobias 等人[35]研制了拼寫功能的BCI系統(tǒng)，且具有的自校準(zhǔn)和預(yù)測(cè)文本輸入功能，比傳統(tǒng)系統(tǒng)更好適應(yīng)了用戶需要。實(shí)驗(yàn)中，用戶平均得分為3.84(滿分為4分)，達(dá)到了較高的識(shí)別率。高上凱等人[36]開發(fā)的基于SSVEP的BCI系統(tǒng)可幫助殘疾人撥打移動(dòng)電話。患者進(jìn)行通信交流的愿望得以實(shí)現(xiàn)。

鄒鶴良等人[37]考慮到傳統(tǒng)BCI多是實(shí)現(xiàn)某一種固定控制功能，被控對(duì)象較為單一，綜合性較差，利用P300信號(hào)研制了一個(gè)綜合控制平臺(tái)，可控制多個(gè)對(duì)象，第一級(jí)界面是選擇電視、電燈、字符輸入三者之一，第二級(jí)界面是具體控制各個(gè)對(duì)象，這樣的多選擇控制平臺(tái)更為實(shí)用方便。

對(duì)于作業(yè)能力的康復(fù)主要是直接實(shí)現(xiàn)生活、工作、娛樂(lè)等方面的目的，而非直接對(duì)患者肢體運(yùn)動(dòng)能力改善，因此肢體活動(dòng)能力可能無(wú)法得到提高，但可直接為通信交流、控制家電提供便利。

5 結(jié)束語(yǔ)

BCI是一項(xiàng)多學(xué)科交叉融合的技術(shù)，與腦神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、康復(fù)醫(yī)學(xué)、信號(hào)處理等多種學(xué)科均有很大關(guān)聯(lián)，目前將該技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)治療的國(guó)內(nèi)外研究，雖然已取得不少成果，但仍有許多地方待發(fā)展和完善。

目前大量研究成果都集中在上肢康復(fù)，對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)障礙的患者而言，重建神經(jīng)系統(tǒng)控制步行的能力，逐漸達(dá)到正常步態(tài)，對(duì)患者正常生活極為重要。對(duì)腦電信號(hào)處理中的預(yù)處理、特征提取和模式識(shí)別，優(yōu)化改進(jìn)出更佳的算法，提高識(shí)別準(zhǔn)確度，使患者承受的失誤降至最低。對(duì)于BCI系統(tǒng)控制和機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，可增加多樣性、靈活性。由于BCI由大腦活動(dòng)信號(hào)控制，主觀性極強(qiáng)，而患者的思維集中程度及認(rèn)知能力不同，應(yīng)對(duì)患者的認(rèn)知能力進(jìn)行評(píng)估和改善。此外，應(yīng)不斷改進(jìn)出更加合理實(shí)用的實(shí)驗(yàn)范式。BCI的綜合性與復(fù)雜性決定了目前仍存在許多亟待解決的問(wèn)題，諸多潛在的應(yīng)用價(jià)值仍有待發(fā)掘，隨著精確性、可靠性、多樣性的不斷提升，將會(huì)為患者帶來(lái)更多福音。