腦機接口在卒中患者上肢功能和手功能康復中的應用

梁文棟，郭曉輝（通信作者），程波，樂贊

深圳睿瀚醫(yī)療科技有限公司研發(fā)部 （廣東 深圳 518000）

目前，卒中已成為繼腫瘤、心血管疾病之后人類的第三大死因，且發(fā)病率呈逐年升高的趨勢，幸存者常伴有不同程度的運動功能障礙，尤其是上肢功能和手功能，由于運動和中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，其恢復進程慢、效果差，已成為康復治療研究的重、難點。隨著人工智能、計算機科學、神經(jīng)工程、認知科學等多學科的發(fā)展，腦機接口作為一項前沿、熱門的中樞神經(jīng)干預方法，逐漸被運用到卒中患者上肢功能和手功能康復中。本文以卒中患者為例，梳理了腦機接口在上肢功能和手功能康復中的應用情況。

1 腦機接口概述

1.1 概念及工作原理

腦機接口是一種不依賴外圍神經(jīng)和肌肉，在人腦與設備之間建立交流和控制的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托高性能的生物電信號采集裝備和計算機算法，能夠實時記錄腦電波，然后通過一定的技術手段對采集到的腦電波進行解讀，再利用計算機語言將其轉換成控制語言或命令，以驅動外部設備。其主要由信號采集、特征提取、選擇分類和設備控制4部分組成。其中，信號采集是腦機接口最為關鍵的一步，常用純錫、純銀或不銹鋼等材質的電極，通過植入式或半植入式等方式采集信號，然后經(jīng)過放大和濾波等處理，再借助A/D 轉換器將其轉換為數(shù)字信號，輸入計算機再處理得到控制口令或信息，需要注意的是，在采集過程中應保持室內安靜，以最大限度降低外界環(huán)境對信號采集的影響。采集到的信號可能混有各種噪聲和偽跡，為了確保信號的精度，在檢測分析前，需進行預處理，經(jīng)過預處理的信號還需進行特征提取，以去除無效信號，提取出與患者意圖相關的、有用的信號特征量，常用的特征提取方法有小波變換、小波包分解，其中，小波包分解具有高穩(wěn)定性、任意多尺度等優(yōu)勢，是目前腦電波信號提取應用最廣、最有效的方法。選擇分類是實現(xiàn)腦機接口功能最重要的一環(huán)，為了實現(xiàn)對外部設備的控制，需從初始特征中選擇分類最佳的特征子集形成特征向量，輸入給分類器區(qū)分，再輸出對應的邏輯控制信號[1-2]，目前應用較多的分類器是人工神經(jīng)網(wǎng)絡，具有參數(shù)選擇方便、分類準確度高等特點。設備控制是腦機接口的最后一環(huán)，經(jīng)過處理的信號特征量被轉換為控制命令，實現(xiàn)對外部設備的控制。

1.2 分類及作用機制

根據(jù)“侵入性”可將腦機接口分為侵入式腦機接口、半侵入式腦機接口和非侵入式腦機接口3類。其中，侵入式腦機接口是通過手術等方式將信號采集裝置（電極）直接植入患者大腦皮層，以獲得高強度、高質量的信號，但此種方式經(jīng)濟成本和安全風險均較高，極有可能引發(fā)免疫反應和腦膠質細胞結痂等炎癥反應，從而導致信號質量下降。半侵入式腦機接口同樣是通過手術方式植入電極，但電極處于顱腔內，未達到大腦皮層，相較于侵入式腦機接口，雖采集到的信號較弱，但免疫反應和炎癥反應發(fā)生率均較低，安全系數(shù)較高。非侵入式腦機接口則無需手術，只需將電極附著在頭皮上，雖記錄到的信號強度較弱，但避免了昂貴的手術費用和不良反應的發(fā)生。

就目前的研究而言，腦機接口主要通過以下機制促進卒中患者上肢功能和手功能康復，即依托腦機接口解碼患者腦電波，將其轉換成控制命令或信號以驅動外部設備，通過對外部設備的控制輔助患者上肢和手進行訓練，從而增強肩、肘、指和腕關節(jié)的活動能力；或利用腦機接口設備直接作用于大腦，通過運動想象等思維作業(yè)，反復刺激相關大腦皮層，從而增強神經(jīng)元突觸之間的聯(lián)系，實現(xiàn)修復，使患者逐漸獲得相關運動能力[3-4]。

2 腦機接口在卒中患者上肢功能和手功能康復中的應用

2.1 上肢功能方面

大腦具有一定的可塑性，能夠通過反饋使功能得到加強。腦機接口能夠直接對大腦中樞進行干預，從而激活大腦神經(jīng)可塑性。有研究表明，通過接受腦機接口干預，卒中患者的大腦非對稱性能有所改善[5-6]。而大腦非對稱性能對患者功能康復有重要的影響，通過改善大腦非對稱性能，能夠有效促進患者上肢功能康復。任海和謝志明[7]以60例卒中偏癱患者作為研究對象，探討了腦機接口對其上肢功能康復的影響，結果顯示，接受腦機接口干預的觀察組的上肢Fugl-Meyer 運動功能評分、Wolf 運動功能評定量表評分、改良Barthel 指數(shù)評分均高于接受常規(guī)干預的對照組，表明腦機接口對促進卒中偏癱患者上肢功能康復有重要意義。梁思捷等[8]通過對30例卒中患者進行腦機接口干預，發(fā)現(xiàn)患者的上肢功能和日常生活能力均有一定的改善。向憲文等[9]認為，腦機接口可顯著改善卒中患者的上肢功能，但腦機接口涉及諸多醫(yī)學倫理問題，在使用時需遵循隱私保護、知情同意等原則，以降低不良影響。此外，有研究表明，接受腦機接口干預的卒中患者中樞神經(jīng)元興奮性及注意力均有顯著提高[10-11]，提示腦機接口對促進中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復有重要意義；但腦電圖波形易受腦脊液、顱骨以及外界環(huán)境的影響，而事件相關去同步化（event-related desynchronization，ERD）強度并不是一個十分完善的評價中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元興奮性的指標，還需進一步借助影像學技術進行深入探究。也有學者分析對比了腦機接口與神經(jīng)肌肉電刺激的效果，發(fā)現(xiàn)兩者在改善卒中偏癱患者上肢運動功能方面具有明顯的效果，但腦機接口更為有效[12]。由于卒中偏癱患者大多處于痙攣狀態(tài)，導致上肢肢體運動受限，而腦機接口康復訓練可促使患者通過腦電信號直接控制神經(jīng)肌肉電刺激儀，從而刺激上肢肌群，增強肌肉力量，幫助患者完成伸肘、抬手腕等動作，通過多次反復有規(guī)律地運動后，患者上肢肌肉和關節(jié)結合體組織的感官輸入量增加，結締組織蠕變亦增加，肌肉黏度減少，肌梭傳入率增高，進而降低了肢體肌張力，促使上肢功能得到很好的恢復[13]。也有研究將腦機接口與經(jīng)皮穴位電刺激療法結合起來，經(jīng)過8周干預，發(fā)現(xiàn)基于腦機接口的經(jīng)皮穴位電刺激療法的效果優(yōu)于單純經(jīng)皮穴位電刺激療法，患者上肢Fugl-Meyer 運動功能評分及上肢動作研究測試評分更高，并推測基于腦機接口的經(jīng)皮穴位電刺激療法有助于激活受損腦區(qū)，使其趨于健康人群的激活模式[14]，這也從側面說明了腦機接口有助于卒中患者上肢功能康復。

2.2 手功能方面

手是人類創(chuàng)造世界的重要工具，也是日常生活、信息和情感交流的重要載體，具有運動和感官功能，能夠進行許多精確的動作，包括提、拿、舉、握、捶、按、抓等。相對于整個人體體積，手部所占的體積非常小，但手部運動在大腦皮層的投影區(qū)特別突出，大腦運動皮層約有1/3用來控制手和上肢[15]。按照美國永久性障礙分類標準，上肢功能占全身功能的60%，手指功能占上肢功能的90%[16]。因此，健康的手功能在人們的工作和日常生活中發(fā)揮著非常重要的作用。隨著醫(yī)學的進步，卒中患者的生存率不斷提高，但后續(xù)的手功能問題卻日益突出。手功能障礙是肢體功能障礙的重要組成部分，據(jù)報道，高達60%的患者在卒中發(fā)生后半年患側手仍然處于活動受限狀態(tài)[17]。因此，手功能康復成了卒中幸存者治療的重、難點，傳統(tǒng)的干預手段如冷療、電刺激等耗時長、過程單調、缺少患者主動參與的刺激與反饋，康復效果有待提升。

腦機接口通過對腦電信號的實時監(jiān)測和反饋，能夠誘發(fā)患者主動意識，促使患者主動參與訓練，進而達到神經(jīng)功能重塑、手功能康復的目的。有學者通過對卒中患者的手功能康復進行研究，發(fā)現(xiàn)接受腦機接口干預的患者手腕部分得分顯著高于常規(guī)組，且腦區(qū)激活情況明顯強于常規(guī)組，認為在腦機接口的作用下，患者大腦神經(jīng)可塑性進一步被激活，皮質得到重新塑造，從而使患者的手功能快速恢復[18]；但該研究樣本量較少、手部功能評價指標單一，不足以完全說明腦機接口干預與患者手功能恢復的相關性。有研究表明，腦機接口識別率與患者手臂動作調查測試結果成正相關，并提出通過利用腦機接口的反饋和外部設備的反復訓練，可促使患者產(chǎn)生正常的運動模式，從而間接促進正常的大腦信號產(chǎn)生，達到促進大腦皮質重塑的目的，最終使患者手臂動作及腕伸肌、腕屈肌等運動能力和控制水平提高[19]。值得注意的是，損傷后的神經(jīng)重塑有正負性之分，為了促進大腦皮質重塑，需保證重塑干預措施的針對性和正效應，以免患者產(chǎn)生非意向動作。也有學者比較了腦機接口與傳統(tǒng)訓練對卒中患者手部抓握功能的影響，結果顯示，觀察組手指關節(jié)主動活動度顯著優(yōu)于對照組，尤其是拇指總主動關節(jié)活動度和示指總主動關節(jié)活動度；此外，該研究還利用Fugl-Meyer 運動功能評定量表和改良Barthel 指數(shù)分別比較了兩組手指屈曲、伸展、鉤狀抓握、柱狀抓握等功能以及日常進食、穿衣、洗澡等與手部功能有密切關系的活動，結果顯示，干預后兩組上述指標均有所改善，但觀察組手功能評分明顯高于對照組[20]，表明腦機接口訓練能夠更好地促進患者手功能康復，起到改善日常生活能力的作用。

3 未來展望

目前，雖然腦機接口在卒中康復醫(yī)療領域有巨大的應用前景，尤其是在卒中患者上肢功能和手功能恢復方面，但腦機接口的廣泛應用還存在一定的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在信號采集和醫(yī)學倫理方面。腦機接口信號采集多采用非植入式，雖避免了手術風險和對患者的二次傷害，但受皮層復雜結構及外界環(huán)境的影響，導致采集到的信號可能不精準；而植入式采集具有較大的創(chuàng)傷和更高的風險，且費用昂貴；因此，如何兼顧信號精準度與風險成了目前腦機接口應用面臨的重要問題。腦機接口相當于“讀腦”，不僅具備采集患者已表達出來的隱私信息的能力，還具備采集各種僅儲存在大腦的隱私信息的能力，因此，如何控制腦機接口僅提取對治療相關的信息成了目前必須解決的問題[21-22]。此外，閉鎖綜合征患者作為腦機接口的重點應用對象之一，在對其應用該技術之前，如何解決知情同意權的問題也是目前臨床關注的重點。

盡管腦機接口在短時間內面臨上述各種暫無法完全解答的問題，但我們相信隨著科學技術的發(fā)展以及各項制度的建立與完善，這些潛在的風險和倫理問題一定能夠得到有效管控和處理，腦機接口一定會給人類帶來更多機遇，為卒中患者上肢功能和手功能康復帶來更多成果。