腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析

王鑫哲

摘 要 腦機(jī)接口技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大腦與外界環(huán)境的交互在醫(yī)療領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，可以幫助身體嚴(yán)重殘疾（癱瘓、失語(yǔ)）的患者建立與外界交流的方式，也能幫助肢體殘疾的患者實(shí)現(xiàn)大腦直接控制假肢，提高他們的生活質(zhì)量。文章首先介紹了腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展歷程，接著闡述了其基本原理和在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景，最后討論了腦機(jī)接口現(xiàn)階段面臨的技術(shù)、商業(yè)化和倫理問(wèn)題，并給出針對(duì)性的建議。

關(guān)鍵詞 腦機(jī)接口；醫(yī)療；應(yīng)用前景

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）230-0145-02

腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface BCI）技術(shù)是涉及信號(hào)處理、模式識(shí)別、神經(jīng)科學(xué)等學(xué)科的一項(xiàng)交叉技術(shù)，其研究目的是建立人腦與外界環(huán)境間的直接交互機(jī)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過(guò)大腦直接操作設(shè)備、表達(dá)想法的功能[ 1 ]。很早之前人們就有通過(guò)采集大腦思維活動(dòng)信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)與外界進(jìn)行交互或控制設(shè)備的想法。1929年，研究者第一次記錄了腦電圖，人們就推測(cè)腦電信號(hào)或許可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法，但由于當(dāng)時(shí)對(duì)神經(jīng)科學(xué)了解較少，相關(guān)的信號(hào)處理、模式識(shí)別技術(shù)水平有限，一直進(jìn)展緩慢。20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，人們對(duì)大腦神經(jīng)系統(tǒng)功能的認(rèn)知逐步加深，同時(shí)也帶動(dòng)了腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)步。目前，腦機(jī)接口技術(shù)已成為神經(jīng)科學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 腦機(jī)接口技術(shù)的原理

研究表明，人類完成一個(gè)動(dòng)作首先要在大腦中產(chǎn)生動(dòng)作意識(shí)，在動(dòng)作執(zhí)行之前，神經(jīng)系統(tǒng)的電活動(dòng)會(huì)發(fā)生改變，如果通過(guò)一定的手段能將這種電活動(dòng)變化檢測(cè)出來(lái)，則可以作為識(shí)別這個(gè)動(dòng)作的特征信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦意識(shí)的理解，這就是腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)的基本原理。圖1給出了腦機(jī)接口系統(tǒng)的基本流程，主要包括信號(hào)采集、信號(hào)處理及設(shè)備控制3個(gè)部分。

信號(hào)采集部分就是對(duì)大腦的電活動(dòng)即腦電信號(hào)利用傳感器進(jìn)行采集，根據(jù)采集的方式可以分為有創(chuàng)采集和無(wú)創(chuàng)采集。無(wú)創(chuàng)采集是將檢測(cè)電極安裝在大腦頭皮上記錄腦電信號(hào)，而有創(chuàng)采集需要將檢測(cè)電極植入大腦的特定區(qū)域。兩種方式各有優(yōu)勢(shì)，無(wú)創(chuàng)采集比較方便，對(duì)使用者沒(méi)有傷害，但采集的信號(hào)容易受到干擾，后續(xù)信號(hào)處理難度較大，而有創(chuàng)采集獲取的信號(hào)質(zhì)量較高，但對(duì)采集者有傷害。

信號(hào)處理部分是腦機(jī)接口的關(guān)鍵部分，通過(guò)對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分析，進(jìn)而識(shí)別出相應(yīng)的動(dòng)作，包括預(yù)處理、特征提取、識(shí)別分類等過(guò)程。信號(hào)預(yù)處理一般是對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行濾波操作，降低干擾。特征提取是將腦電信號(hào)中與動(dòng)作相關(guān)的特征如幅值、頻率等進(jìn)行提取，為之后的識(shí)別分類做準(zhǔn)備。特征信號(hào)分類是在特征提取的基礎(chǔ)上，確定腦電信號(hào)與動(dòng)作意識(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要采用分類算法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、線性判別分析、概率模型等。

設(shè)備控制部分是在理解了大腦意識(shí)之后，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)或操作命令，對(duì)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行操作，從而達(dá)到與外界交互的目的。此外，設(shè)備控制的結(jié)果也會(huì)形成對(duì)大腦意識(shí)的反饋，根據(jù)反饋，可以對(duì)動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整。

2 腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景

腦機(jī)接口系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景較廣，能夠?yàn)橐恍┥眢w殘疾患者與建立一座與外界交互的橋梁，可以實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練、控制假肢、輪椅等功能[ 2 - 3 ]。

2.1 康復(fù)訓(xùn)練

我國(guó)目前腦卒中患者接近3 000萬(wàn)，且還在以每年約200萬(wàn)人的速度增加，這些患者大都需要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，市場(chǎng)潛力巨大。傳統(tǒng)的康復(fù)方式如按摩、臥床訓(xùn)練、離床訓(xùn)練等比較被動(dòng)，需要護(hù)工或家屬進(jìn)行輔助，患者容易產(chǎn)生疲勞，自身的康復(fù)意愿不佳，導(dǎo)致訓(xùn)練效果一般。如果利用腦機(jī)接口技術(shù)讓患者進(jìn)行部分自主訓(xùn)練，將能很好地調(diào)動(dòng)患者的康復(fù)意愿，提高訓(xùn)練的質(zhì)量。

西安交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套名為“腦控人機(jī)交互及康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)”，系統(tǒng)利用腦機(jī)接口技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)一種新型腦控康復(fù)方式。利用這套訓(xùn)練系統(tǒng)，可以幫助訓(xùn)練人員更好的監(jiān)控訓(xùn)練的強(qiáng)度及效果，根據(jù)反饋調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃。此外，這種通過(guò)大腦運(yùn)動(dòng)想象的方式進(jìn)行訓(xùn)練也有助于神經(jīng)功能的代償與恢復(fù)。臨床試驗(yàn)表明，使用該腦控康復(fù)系統(tǒng)的患者康復(fù)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練患者。

瑞士公司MindMaze構(gòu)建了一個(gè)結(jié)合VR、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的平臺(tái)，通過(guò)為神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者創(chuàng)造VR和AR環(huán)境，提供多感覺(jué)的反饋，以在康復(fù)期間刺激運(yùn)動(dòng)功能，促進(jìn)神經(jīng)功能的康復(fù)。美國(guó)科技公司NeuroLutions研發(fā)了一款具有康復(fù)促進(jìn)功能的機(jī)器人外骨骼，名為IpsiHand。IpsiHand會(huì)刺激大腦向肢體發(fā)送信號(hào)，這種連續(xù)激發(fā)最終會(huì)建立新的突觸連接，促使癱瘓部位恢復(fù)功能。

2.2 智能假肢

現(xiàn)階段，對(duì)于殘疾人來(lái)說(shuō)，如果他們失去了部分肢體，大都會(huì)選擇佩戴假肢，這些假肢大都具有固定的結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)原有肢體的功能。腦機(jī)接口技術(shù)的出現(xiàn)有望改變假肢不具有功能的現(xiàn)狀，利用腦機(jī)接口技術(shù)可以將假肢與患者大腦連接起來(lái)，通過(guò)一段時(shí)間的訓(xùn)練，就能進(jìn)行自主控制。哈佛研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了一個(gè)為殘疾人制造智能假肢的半公益項(xiàng)目BrainRobotics，該項(xiàng)目開發(fā)的產(chǎn)品可以幫助殘疾人通過(guò)自己的意念控制假肢。傳統(tǒng)的假肢是一體化設(shè)計(jì)，容易損壞，BrainRobotics團(tuán)隊(duì)為解決這個(gè)問(wèn)題，研發(fā)了一種模塊化的機(jī)械設(shè)計(jì)，它能讓用戶只更換損壞的部件，而無(wú)需購(gòu)買全新的假肢。模塊化設(shè)計(jì)大大降低了使用假肢的成本，世界各地的截肢者更容易負(fù)擔(dān)得起這種高科技產(chǎn)品。

2.3 其他應(yīng)用

美國(guó)的Rythm公司設(shè)計(jì)了一個(gè)名為“Dreem”的頭帶產(chǎn)品，借助腦機(jī)接口技術(shù)可識(shí)別佩戴者的睡眠模式，根據(jù)睡眠模式的不同，可進(jìn)行聽覺(jué)或聲音刺激，從而確保佩戴者可長(zhǎng)時(shí)間停留在深層睡眠階段，進(jìn)而提高佩戴者的睡眠質(zhì)量。顯然該產(chǎn)品對(duì)于那些睡眠功能障礙的患者十分有用，但佩戴頭戴可能會(huì)影響睡眠的舒適性，造成入睡困難的問(wèn)題。

美國(guó)NeuroPace公司開發(fā)了一款稱為RNS系統(tǒng)的植入式設(shè)備，可用于治療神經(jīng)障礙。該公司初步的研發(fā)重點(diǎn)是治療癲癇，以防止癲癇發(fā)作。該裝置能識(shí)別異常大腦活動(dòng)，然后發(fā)送脈沖以抵消或破壞導(dǎo)致癲癇發(fā)作的異常信號(hào)。

對(duì)于意識(shí)障礙患者如植物人等，意識(shí)檢測(cè)是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，主要原因是這些病人缺乏行為能力，無(wú)法進(jìn)行溝通，借助腦機(jī)接口技術(shù)，可以幫助完成檢測(cè)意識(shí)障礙患者如植物人等的意識(shí)，輔助量表評(píng)估等任務(wù)。此外，將腦機(jī)接口系統(tǒng)集成在輪椅、家電和護(hù)理床中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的腦控，能夠有效提高殘疾患者的生活自理能力。

3 面臨的問(wèn)題

雖然近年來(lái)腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了許多醫(yī)療產(chǎn)品，但大都還處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離臨床應(yīng)用還有面臨許多問(wèn)題，主要是技術(shù)、商業(yè)化、倫理3個(gè)方面的問(wèn)題[ 4 ]。

1）技術(shù)問(wèn)題。在腦機(jī)接口技術(shù)的挑戰(zhàn)是信號(hào)采集與信號(hào)處理。采用非侵入式電極獲取腦電信號(hào)質(zhì)量難以保證，且容易受到外界干擾；植入式電極可能會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)，一旦植入則不能隨意調(diào)整。信號(hào)處理是腦機(jī)接口的核心部分，但對(duì)于大腦的認(rèn)識(shí)還有許多盲區(qū)。許多進(jìn)展都是在動(dòng)物大腦上完成的，其在人腦上的效果如何還很難判斷。

2）商業(yè)化問(wèn)題。醫(yī)療設(shè)備要實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間、資金。腦機(jī)接口設(shè)備要直接作用于人體，監(jiān)管部門對(duì)其審批十分謹(jǐn)慎，因而相關(guān)產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化十分困難。企業(yè)要實(shí)現(xiàn)盈利，產(chǎn)品必須要有市場(chǎng)，現(xiàn)階段，腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展水平，可以在一些技術(shù)比較成熟的領(lǐng)域進(jìn)行嘗試，積累經(jīng)驗(yàn)，之后再逐步推廣應(yīng)用。

3）倫理問(wèn)題。腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用業(yè)帶來(lái)了一些倫理問(wèn)題。由于大腦的意識(shí)十分復(fù)雜且多變，很難像控制行動(dòng)那樣進(jìn)行控制，例如許多人都會(huì)有一些想到但不敢說(shuō)出來(lái)的經(jīng)歷。如果腦機(jī)接口設(shè)備探測(cè)到這些想法就會(huì)帶來(lái)隱私問(wèn)題。更進(jìn)一步，如果是一些具有傷害性的想法，即使沒(méi)有實(shí)施，那是否應(yīng)該采取措施，即我們是否應(yīng)該為自己的一些想法負(fù)責(zé)。

4 結(jié)論

本文介紹了腦機(jī)接口技術(shù)的基本原理及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景，包括康復(fù)訓(xùn)練、智能假肢、睡眠增強(qiáng)等，討論了其目前面臨的技術(shù)、商業(yè)化和倫理問(wèn)題?，F(xiàn)階段，腦機(jī)接口技術(shù)還處在初級(jí)階段，距離臨床應(yīng)用還需要解決許多問(wèn)題，但隨著人們對(duì)大腦的了解與技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)腦機(jī)接口在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景巨大。

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