基于腦電圖的無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口的臨床應(yīng)用進(jìn)展

付佳鈺，王麗平

(北京大學(xué)第三醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，北京 100191)

全球神經(jīng)疾病負(fù)擔(dān)研究報(bào)告顯示，中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害是目前致殘性疾病的首要原因，給患者、家庭及國(guó)家均帶來(lái)巨大負(fù)擔(dān)[1]。由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)難以再生，因此神經(jīng)損傷可導(dǎo)致患者全身多個(gè)系統(tǒng)的終生傷害，具體表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)、言語(yǔ)功能等嚴(yán)重喪失，而認(rèn)知功能相對(duì)完好，嚴(yán)重影響患者的生存質(zhì)量。目前，針對(duì)致殘性神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療和康復(fù)方法較少[2]。1973年，Vidal[3]首次提出了腦機(jī)接口(brain computer interface，BCI) 技術(shù)，即通過在大腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間構(gòu)建全新的信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)腦-機(jī)控制，幫助神經(jīng)通路損傷患者實(shí)現(xiàn)與外界的交流。BCI可幫助肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)、帕金森病、脊髓損傷、腦卒中等神經(jīng)損傷患者獲得機(jī)器輔助的運(yùn)動(dòng)、言語(yǔ)功能，改善患者生活質(zhì)量；同時(shí)，還可通過直接監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)或間接反饋調(diào)節(jié)，促進(jìn)損傷的神經(jīng)重塑，幫助患者早日康復(fù)[4-5]。研究表明，BCI對(duì)重癥患者意識(shí)狀態(tài)的檢查及診斷也有一定幫助[4-6]?，F(xiàn)就基于腦電圖的無(wú)創(chuàng)BCI的臨床應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

1 基于腦電圖的BCI的類型及組成

目前，BCI主要分為無(wú)創(chuàng)和有創(chuàng)兩種形式。其中，無(wú)創(chuàng)非植入式BCI具有損傷小、簡(jiǎn)便快捷等優(yōu)勢(shì)，但獲得的信號(hào)分辨度較弱，可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的功能應(yīng)用；而有創(chuàng)植入式BCI雖然損傷大、具有一系列感染等風(fēng)險(xiǎn)，但其獲得的高精度信號(hào)可實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的功能。一個(gè)完整的BCI主要由三部分裝置組成，即信號(hào)采集、信號(hào)處理和設(shè)備控制裝置。

1.1信號(hào)采集 BCI的信號(hào)采集裝置可根據(jù)所記錄信號(hào)的部位、采集設(shè)備以及信號(hào)內(nèi)容的不同對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類。根據(jù)植入電極或柵欄位置的不同，有創(chuàng)BCI可分為基于皮質(zhì)表面的皮質(zhì)信號(hào)、皮質(zhì)淺部的局部場(chǎng)電位和多單元?jiǎng)幼鲉挝?、皮質(zhì)深部的單位動(dòng)作電位型；根據(jù)收集信號(hào)設(shè)備的不同，無(wú)創(chuàng)BCI又可分為基于腦電圖、腦磁圖、功能磁共振成像、近紅外光譜以及合并眼、耳等其他部位的混合信號(hào)型[4-6]。其中，基于腦電圖的無(wú)創(chuàng)BCI由于具有損傷小、簡(jiǎn)便、快速以及成像的高效性等特點(diǎn)而被廣泛研究和應(yīng)用。無(wú)創(chuàng)BCI的腦電設(shè)備主要通過記錄感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律(sensorimotor rhythms，SMR)、慢皮質(zhì)電位(slow cortical potentials，SCP)或事件相關(guān)電位(event-related potentials，ERP)信號(hào)，并將其傳遞至輔助設(shè)備而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，其中ERP中以視覺為主的刺激信號(hào)又分為P300視覺刺激電位和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(steady-state visual evoked potential，SSVEP)[4]。

SMR是由大腦皮質(zhì)感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域自發(fā)產(chǎn)生的信號(hào)，包含運(yùn)動(dòng)想象、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備、運(yùn)動(dòng)實(shí)施時(shí)的皮質(zhì)活動(dòng)[7]。以SMR為基礎(chǔ)的BCI可完成快速打字、光標(biāo)移動(dòng)、外骨骼機(jī)械臂控制任務(wù)，但較長(zhǎng)的訓(xùn)練周期及信號(hào)靈敏度異質(zhì)性均是其主要限制因素[6]。SCP是由皮質(zhì)自發(fā)產(chǎn)生的慢信號(hào)，負(fù)電位代表皮質(zhì)準(zhǔn)備活動(dòng)，正電位代表皮質(zhì)的抑制活動(dòng)[8]。研究證明，SCP BCI可用于打字等簡(jiǎn)單任務(wù)，但該信號(hào)的采集相對(duì)較困難，因此限制了其應(yīng)用[5-6]。ERP是指由外界事件刺激后誘導(dǎo)產(chǎn)生的信號(hào)，刺激事件主要包括視覺刺激、聽覺刺激、觸覺刺激等，其中對(duì)視覺刺激的研究最為廣泛。常用的P300刺激信號(hào)多由大腦中央?yún)^(qū)域和頂葉區(qū)產(chǎn)生，主要反映大腦的記憶更新功能。由于P300信號(hào)容易觸發(fā)且具有較好的統(tǒng)一性，因此被廣泛應(yīng)用于BCI，但其缺點(diǎn)在于信號(hào)準(zhǔn)確度及傳輸速度均較低、振幅較小、易受干擾，需要多次試驗(yàn)后疊加平均每次試驗(yàn)采集的信號(hào)才可最終獲得顯著信號(hào)，且存在長(zhǎng)時(shí)間使用后失效的風(fēng)險(xiǎn)[9]。SSVEP由大腦視覺皮質(zhì)產(chǎn)生，是通過特定穩(wěn)定頻率的閃光(通常>5 Hz)進(jìn)行視覺刺激產(chǎn)生的腦電活動(dòng)；SSVEP信號(hào)采集簡(jiǎn)單、穩(wěn)定且信噪比高，且患者的訓(xùn)練周期比其他類型BCI短；SSVEP可用于打字、操控假肢等任務(wù)，但需要使用者保留完好的眼球運(yùn)動(dòng)功能和視覺功能，因此限制了其在視神經(jīng)、眼球運(yùn)動(dòng)神經(jīng)損害較重患者中的應(yīng)用[10]。

1.2信號(hào)處理 信號(hào)處理是BCI承上啟下的過渡環(huán)節(jié)。通過對(duì)腦電圖采集到的信號(hào)進(jìn)行編碼、預(yù)處理、特征提取、分類等算法的組合處理，將采集到的腦電信號(hào)變?yōu)閿?shù)字命令。目前，常用的特征提取算法主要包括共空間模式、卡爾曼濾波和小波變換；常用的分類算法主要包括線性判別分析、徑向基函數(shù)和支持向量機(jī)[11]。信息傳輸率是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，目前信息傳輸率被廣泛用于評(píng)估BCI的性能[12-13]。

1.3設(shè)備控制 設(shè)備控制主要依據(jù)使用者不同的需求而進(jìn)行分類，目前主要應(yīng)用于檢查診斷、輔助性功能替代和神經(jīng)重塑性治療。檢查診斷主要針對(duì)重癥患者的意識(shí)狀態(tài)檢測(cè)；輔助性功能替代主要針對(duì)各種運(yùn)動(dòng)障礙患者，包括虛擬環(huán)境中的光標(biāo)移動(dòng)、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、運(yùn)動(dòng)輔助設(shè)備和現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的文字拼寫、外骨骼、輪椅控制設(shè)備等；神經(jīng)重塑性治療則是利用神經(jīng)反饋機(jī)制對(duì)運(yùn)動(dòng)障礙、認(rèn)知障礙的患者進(jìn)行功能康復(fù)[11-13]。目前的研究主要集中于減少使用者的訓(xùn)練周期、提高設(shè)備的準(zhǔn)確率和速度、擴(kuò)大設(shè)備的應(yīng)用范圍等方面。

2 基于腦電圖的無(wú)創(chuàng)BCI的臨床應(yīng)用

2.1檢查與診斷 目前臨床上應(yīng)用BCI進(jìn)行疾病檢查及診斷的研究較少，且主要集中于意識(shí)障礙領(lǐng)域[14-15]。BCI可輔助或替代目前的行為量表(格拉斯哥昏迷評(píng)分、昏迷恢復(fù)量表等)對(duì)意識(shí)障礙患者的植物生存狀態(tài)、微小意識(shí)狀態(tài)、脫離最小意識(shí)狀態(tài)等進(jìn)行評(píng)估，甚至成為意識(shí)障礙患者與外界交流的唯一方法[16]。Li等[17]應(yīng)用P300結(jié)合SSVEP BCI對(duì)11例意識(shí)障礙患者(6例植物生存狀態(tài)患者、3例微小意識(shí)狀態(tài)患者、2例脫離最小意識(shí)狀態(tài)患者)進(jìn)行數(shù)字識(shí)別及運(yùn)算評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2例植物生存狀態(tài)患者、1例微小意識(shí)狀態(tài)患者和2例脫離最小意識(shí)狀態(tài)患者的腦電信號(hào)被識(shí)別，并可準(zhǔn)確回應(yīng)指令做出數(shù)字識(shí)別及運(yùn)算。Coyle等[18]對(duì)4例微小意識(shí)狀態(tài)患者進(jìn)行基于SMR BCI的意識(shí)評(píng)估發(fā)現(xiàn)，所有患者對(duì)運(yùn)動(dòng)指令及視、聽覺反饋均產(chǎn)生活躍的腦電信號(hào)，提示無(wú)創(chuàng)BCI技術(shù)可作為意識(shí)障礙患者的新型交流方式。由于SCP信號(hào)具有采集慢、需要長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練以及易受其他信號(hào)干擾等缺點(diǎn)，因此目前尚未在相關(guān)領(lǐng)域?qū)ζ溥M(jìn)行研究。Wang等[19]比較了昏迷恢復(fù)量表與BCI對(duì)意識(shí)障礙患者的評(píng)估結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與昏迷恢復(fù)量表相比，BCI的靈敏度顯著升高，因此其可作為昏迷恢復(fù)量表的補(bǔ)充輔助評(píng)估患者的意識(shí)。然而，Chatelle等[20]對(duì)急性意識(shí)障礙(3～38 d)患者進(jìn)行基于ERP及SMR的BCI評(píng)估發(fā)現(xiàn)，其檢測(cè)的準(zhǔn)確率較低，無(wú)法確定急性意識(shí)障礙患者的意識(shí)狀態(tài)。出現(xiàn)這樣的結(jié)果可能與意識(shí)障礙患者的病程有關(guān)，因此基于腦電的無(wú)創(chuàng)BCI技術(shù)對(duì)于意識(shí)狀態(tài)的識(shí)別仍具有一定局限性，還有待進(jìn)一步研究探索。

2.2輔助性功能替代 功能替代是BCI最基礎(chǔ)、也是目前研究最多的應(yīng)用，可使ALS、脊髓損傷等神經(jīng)損傷患者重獲運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言等功能，實(shí)現(xiàn)與外界的交流溝通，改善患者的生活質(zhì)量。根據(jù)輸出設(shè)備功能不同，BCI可用于通信交流、光標(biāo)移動(dòng)及網(wǎng)頁(yè)瀏覽、機(jī)械運(yùn)動(dòng)3個(gè)方面。

2.2.1通信交流 通信交流主要通過BCI設(shè)備完成字符輸入拼寫而實(shí)現(xiàn)。Farwell和Donchin[21]于1988年首次應(yīng)用以視覺P300為基礎(chǔ)的BCI在正常人中完成12.0 bits/min的打字任務(wù)。隨后，F(xiàn)urdea等[22]、Brouwer和van Erp[23]也分別應(yīng)用聽覺、觸覺P300作為刺激信號(hào)同樣成功完成了字符輸入任務(wù)。自此，拼寫系統(tǒng)便作為BCI的代表性應(yīng)用被廣泛研究[24]。同時(shí)，以ERP為主要采集信號(hào)的不同類型BCI不斷被研發(fā)，且準(zhǔn)確率與速度也均顯著提升。McCane等[25]應(yīng)用P300 BCI令14例終末期ALS患者和14例年齡匹配的正常人進(jìn)行字符輸入任務(wù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者最高準(zhǔn)確率和速度比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Hwang等[26]在5例閉鎖狀態(tài)ALS患者中驗(yàn)證了應(yīng)用SSVEP BCI進(jìn)行字符選擇任務(wù)的穩(wěn)定性和可行性。Hsu等[27]研究發(fā)現(xiàn)，ALS患者應(yīng)用前額SSVEP BCI打字的準(zhǔn)確率和速度分別為81.2%和1.51 bits/min。以上研究均提示，基于腦電圖的無(wú)創(chuàng)BCI輔助的通信技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，其較高的應(yīng)用速率和準(zhǔn)確率使其可能取代目前廣泛應(yīng)用的眼動(dòng)儀等拼寫設(shè)備。

2.2.2光標(biāo)移動(dòng)及網(wǎng)頁(yè)瀏覽 無(wú)創(chuàng)BCI可以幫助患者實(shí)現(xiàn)電腦操作。有研究表明，基于SMR信號(hào)的BCI可實(shí)現(xiàn)脊髓損傷患者二維光標(biāo)移動(dòng)，其準(zhǔn)確率和速度與有創(chuàng)植入式BCI相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[28]。應(yīng)用基于SCP信號(hào)的BCI對(duì)終末期閉鎖狀態(tài)的ALS患者進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練1個(gè)月后患者可以掌握一維光標(biāo)移動(dòng)，2個(gè)月后患者能夠很好地選擇目標(biāo)字母，同時(shí)還可完成簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)瀏覽，從而顯著改善患者的生活質(zhì)量[29]。此外，基于P300信號(hào)的BCI也可幫助患者實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)搜索和瀏覽，且與眼動(dòng)裝置相比，基于P300信號(hào)的BCI具有更快的速度和更好的便捷性[30]。

2.2.3機(jī)械運(yùn)動(dòng) 以機(jī)械運(yùn)動(dòng)為靶向的腦電圖無(wú)創(chuàng)BCI存在虛擬和現(xiàn)實(shí)兩種應(yīng)用環(huán)境，物體的運(yùn)動(dòng)主要通過基于SMR、P300等信號(hào)采集的BCI實(shí)現(xiàn)[31]。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了虛擬物體的二維和三維運(yùn)動(dòng)[32]以及真實(shí)物體(輪椅[33]、四軸飛行器[34]等)的多維運(yùn)動(dòng)。一項(xiàng)研究通過SMR BCI首次實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手臂的三維運(yùn)動(dòng)，其中13名健康人成功應(yīng)用腦電信號(hào)操縱機(jī)械手臂完成抓取、移動(dòng)三維空間中的物體，該研究展現(xiàn)了無(wú)創(chuàng)腦電技術(shù)操控假肢的可能性，在提升運(yùn)動(dòng)維度和應(yīng)用的穩(wěn)定性后，以機(jī)械運(yùn)動(dòng)為靶向的腦電圖無(wú)創(chuàng)BCI有望成為ALS等患者重獲四肢運(yùn)動(dòng)功能的新方法[35]。

2.3神經(jīng)重塑性治療 BCI可作為目前康復(fù)方法的一種補(bǔ)充，通過直接或間接調(diào)節(jié)促進(jìn)神經(jīng)通路的重塑，最終促進(jìn)患者康復(fù)，這也是近年BCI應(yīng)用的重要領(lǐng)域[36-37]。作為一種同時(shí)具有輸入與輸出功能的高敏感性設(shè)備，BCI一方面可用于監(jiān)測(cè)患者康復(fù)訓(xùn)練時(shí)主動(dòng)產(chǎn)生的腦電信號(hào)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)更加精確的主動(dòng)調(diào)節(jié)；另一方面，還可給予達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)的正確動(dòng)作信號(hào)合適的反饋(如視覺、觸覺反饋)，從而增強(qiáng)康復(fù)訓(xùn)練的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)間接調(diào)節(jié)，達(dá)到目標(biāo)康復(fù)區(qū)域的神經(jīng)重塑以及患者康復(fù)的目的[36]。

2.3.1運(yùn)動(dòng)康復(fù) 目前基于BCI的運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域研究主要針對(duì)SMR信號(hào)BCI，SMR BCI具有將SMR腦電信號(hào)可視化并實(shí)時(shí)給予合適反饋的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為神經(jīng)損傷后無(wú)法完成肢體運(yùn)動(dòng)患者的康復(fù)提供了極大幫助。有研究將32例上肢嚴(yán)重功能障礙的慢性腦卒中患者隨機(jī)分為基于BCI給予定向反饋康復(fù)訓(xùn)練的試驗(yàn)組和傳統(tǒng)無(wú)定向反饋康復(fù)訓(xùn)練的對(duì)照組，兩組均給予常規(guī)的針對(duì)上肢假體運(yùn)動(dòng)的行為康復(fù)訓(xùn)練，其中試驗(yàn)組在達(dá)標(biāo)的行為康復(fù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上再給予額外的以SMR為基礎(chǔ)的BCI正向反饋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同樣訓(xùn)練周期后，試驗(yàn)組患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)定量表評(píng)分顯著高于對(duì)照組，且評(píng)分與對(duì)應(yīng)患者的肌電圖活動(dòng)性及功能磁共振成像指數(shù)均成正比[38]。Kim等[39]將BCI與功能電刺激設(shè)備結(jié)合給予患者正向反饋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練相比，增加BCI訓(xùn)練4周后患者的上肢運(yùn)動(dòng)評(píng)分顯著升高。以上結(jié)果均提示，BCI可作為常規(guī)物理康復(fù)的輔助方法幫助神經(jīng)損傷患者恢復(fù)功能。

2.3.2認(rèn)知改善 目前，基于BCI的認(rèn)知領(lǐng)域的研究主要針對(duì)老年人以記憶力為主的認(rèn)知改善和注意缺陷多動(dòng)癥兒童以注意力為主的認(rèn)知改善。2016年，有研究首次將基于SMR的BCI應(yīng)用于神經(jīng)反饋，通過評(píng)估32例60歲以上老年人使用BCI前后的Luria成人神經(jīng)心理學(xué)診斷癡呆量表發(fā)現(xiàn)，BCI可顯著提升以視覺空間、語(yǔ)言、記憶及智力為主的認(rèn)知功能，揭示了利用BCI實(shí)現(xiàn)神經(jīng)反饋、改善認(rèn)知功能的可行性[40]。另有研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用BCI治療8周后，注意缺陷多動(dòng)癥患兒的注意缺陷癥狀顯著改善，且在12周的隨訪治療后仍可維持，證實(shí)了BCI神經(jīng)反饋療法治療注意缺陷多動(dòng)癥的有效性和安全性[41]。

3 小 結(jié)

21世紀(jì)是BCI飛速發(fā)展的時(shí)代，從健康人群試驗(yàn)到患者日常應(yīng)用、從ALS等退行性病變到脊髓損傷等創(chuàng)傷性病變、從檢查診斷到治療康復(fù)、從功能替代到神經(jīng)重塑，基于腦電圖的無(wú)創(chuàng)BCI均取得了巨大突破。目前基于腦電圖的BCI已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域主要致力于提高腦電信號(hào)的識(shí)別處理效率、研發(fā)更多的應(yīng)用模式、保證設(shè)備的穩(wěn)定性；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域則側(cè)重于增加設(shè)備的可應(yīng)用人群及疾病種類、改進(jìn)設(shè)備應(yīng)用體驗(yàn)、探究BCI背后神經(jīng)重塑的原理。作為在醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、通信、工程等交叉學(xué)科共同努力下誕生的新技術(shù)，相信未來(lái)BCI將會(huì)有更多的創(chuàng)新和突破，從而為廣大神經(jīng)損傷患者的功能康復(fù)、生活質(zhì)量的改善提供更多選擇。