腦機(jī)接口在脊髓損傷康復(fù)中的應(yīng)用

王鋒 李靖龍 毛宇翔

1昆明理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院（昆明 650500）；2云南省第一人民醫(yī)院骨科（昆明 650032）

脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）是一種高度致殘性疾病，四肢癱瘓和截癱的比例約為46.25%和53.75%［1］。癱瘓使SCI 患者喪失勞動能力，且長期需要康復(fù)治療，給個人、家庭和整個社會帶來了沉重的負(fù)擔(dān)［2-3］。此外，因無法獨(dú)立行走，大多數(shù)SCI 患者長期被限制在輪椅上，繼而產(chǎn)生一系列的并發(fā)癥，如痙攣［4］、疼痛［5］、自主神經(jīng)功能障礙［6］，并使患者易患心理障礙［7］、認(rèn)知障礙［8］、骨代謝障礙［9］等疾病，嚴(yán)重降低了SCI 患者的生活質(zhì)量。然而，針對SCI 患者的康復(fù)治療方法有限，療效欠佳，為尋求更好的治療方案，已有研究嘗試將腦機(jī)接口（brain computer interfaces，BCI）技術(shù)應(yīng)用于SCI 的康復(fù)治療中并取得了一定的進(jìn)展。2020 年龔瑜等［10］也對該領(lǐng)域進(jìn)行了文獻(xiàn)回顧，較為詳細(xì)地介紹了BCI 在SCI 康復(fù)中的應(yīng)用。但近兩年又有一些新進(jìn)展，如已發(fā)表的經(jīng)血管電極植入技術(shù)、高穩(wěn)定柔性電極材料及BCI 集成人工智能技術(shù)等。為了讓同行了解該領(lǐng)域中最新的研究動態(tài)，本綜述著重對BCI 技術(shù)近兩年的新研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，為后續(xù)的研究提供一定參考和理論支持。

1 BCI 技術(shù)

SCI 雖導(dǎo)致脊髓的連接性中斷，但大腦仍可產(chǎn)生正確的運(yùn)動指令，這為BCI 技術(shù)在SCI 中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。BCI 系統(tǒng)作為通信和控制的替代通路，將采集的大腦信號預(yù)處理（放大并數(shù)字化）后，提取信號中反應(yīng)用戶意圖的相關(guān)特征，轉(zhuǎn)換為控制外部設(shè)備的指令，驅(qū)動外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人與外界的交互［11］。該技術(shù)最早由VIDAL 于1973 年提出，近年來發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，有關(guān)技術(shù)和應(yīng)用都取得了很多突破性進(jìn)展。

1.1 侵入式BIC 在體積上，2019 年NEURALINK公司設(shè)計(jì)了一款體積僅占851 mm3的微型芯片［12］。同年，我國也研發(fā)了一款腦機(jī)接口專用芯片“腦語者”。該系列芯片具有精解碼、高指令、快通訊、強(qiáng)交互四大優(yōu)勢，突破了傳統(tǒng)非侵入式信號采集的諸多瓶頸。在材質(zhì)上，研究證明柔性電極可減少組織與電極之間的相互作用，緩解炎癥反應(yīng)并提高穩(wěn)定性［13］。GUO 等［14］開發(fā)了一款柔性BCI，該設(shè)備在高穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，還降低了對周圍神經(jīng)元細(xì)胞的傷害和免疫反應(yīng)。在治療方向上，如腦深部電刺激技術(shù)將電極陣列植入神經(jīng)核團(tuán)中，通過刺激裝置，治療肌張力障礙［15］、抑郁［16］以及創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙［17］等精神類疾病。在植入方式上，既往的侵入式BCI 多需通過開顱手術(shù)植入，創(chuàng)傷大，危險(xiǎn)系數(shù)高。為降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，PETER 等［18］嘗試將記錄電極通過頸靜脈輸送至矢狀竇，并進(jìn)行了為期1 年的隨訪，無嚴(yán)重不良事件，也沒有血管阻塞或設(shè)備遷移，每例患者都成功地控制了BCI系統(tǒng)。

1.2 非侵入式BCI 在共享控制策略方面，比較典型的有：基于機(jī)器視覺融合、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)融合、基于自動路徑規(guī)劃融合等，這些控制策略為智能傳感系統(tǒng)，通過對外界環(huán)境實(shí)時監(jiān)測，并根據(jù)反饋信息進(jìn)行自我校正，極大地提高了BCI 用戶的控制效率。如ZHANG 等［19］將視覺與運(yùn)動想象相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款通過視覺反饋來規(guī)劃機(jī)械外設(shè)運(yùn)動路徑的BCI 裝置。在續(xù)航能力上，MARCO等［20］設(shè)計(jì)了一款基于干電極的耳內(nèi)腦電圖系統(tǒng)，該系統(tǒng)功耗小，電池壽命長，運(yùn)行時間高達(dá)600 h，還集成了采集、處理和連接電子設(shè)備于一身，極大提高了該系統(tǒng)的實(shí)用性。在穩(wěn)定性上，HSIEH等［20］開發(fā)了一種高穩(wěn)定性電極，與傳統(tǒng)電極相比，該電極可保持穩(wěn)定和低阻抗長達(dá)4 周。在應(yīng)用場景上有團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款獨(dú)立于輸入和輸出設(shè)備的便攜式模塊化BCI 軟件平臺［11］?；颊邇H通過智能手機(jī)就能實(shí)現(xiàn)對SCI 裝置的控制，且該設(shè)備不需要日常校準(zhǔn)，也不需要專業(yè)技術(shù)人員隨時指導(dǎo)與維修。該系統(tǒng)還可外接不同的設(shè)備，極大地提高了其在SCI 應(yīng)用中的靈活性。

1.3 算法研究 開發(fā)更具準(zhǔn)確性與魯棒性的分類算法，使其更容易在線使用，降低噪聲信號一直是BCI 技術(shù)的研究重點(diǎn)。JIN 等［22］提出了一種基于核均值匹配和遷移學(xué)習(xí)自適應(yīng)提升方法的自適應(yīng)跨學(xué)科遷移學(xué)習(xí)算法，與現(xiàn)有方法相比，該方法可有效提高運(yùn)動想象-腦電信號的分類準(zhǔn)確率。宋昊等［23］提出了一種基于獨(dú)立成分分析的眼電偽跡自動去除算法，實(shí)現(xiàn)了自動去除眼電偽跡的同時，防止腦電信息的丟失，提高了數(shù)據(jù)處理效率。WEN等［24］使用生成對抗網(wǎng)絡(luò)來仿真大腦活動數(shù)據(jù)，通過生成與真實(shí)數(shù)據(jù)難以區(qū)分的合成神經(jīng)活動數(shù)據(jù)，為BCI創(chuàng)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫，使BCI訓(xùn)練速度提高近20倍。

2 BCI技術(shù)近年來在SCI中的臨床應(yīng)用療效

2.1 運(yùn)動功能恢復(fù) BCI 通過分析大腦運(yùn)動皮層中的神經(jīng)元信號，讀取患者的運(yùn)動意圖，編碼為相應(yīng)的運(yùn)動指令并傳輸至外骨骼、外部假體及輪椅等外接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)抓取、站立以及步行等基本日?；顒?。截癱患者雙下肢運(yùn)動功能障礙，生活獨(dú)立性下降且增加了繼發(fā)性并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，為解決下肢癱瘓的問題，ZORAN［25］研發(fā)了幾種BCI 系統(tǒng)并進(jìn)行了驗(yàn)證。首先，讓受試者佩戴無創(chuàng)的非侵入性腦機(jī)接口，收集患者想要行走時的運(yùn)動意圖，并在虛擬現(xiàn)實(shí)中用可視化的圖像表現(xiàn)出來，證明了BCI 輔助行走的可行性?；诖?，分別將BCI 技術(shù)與外骨骼機(jī)器人以及功能性電刺激結(jié)合，使下肢癱瘓患者恢復(fù)了基本的行走功能。格勒諾布爾大學(xué)設(shè)計(jì)了一款腦控外骨骼機(jī)器人幫助一例四肢癱瘓的患者實(shí)現(xiàn)了再次行走［26］。對于四肢癱瘓的患者而言，上肢功能的恢復(fù)是康復(fù)治療的首要任務(wù)。SAMEJIMA 等［27］團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個BCI 模型，通過使用高效率的算法解碼皮層腦電信號，以控制硬膜外刺激，改善了高位SCI 大鼠前肢的運(yùn)動功能。JOVANOVIC 等［28］開發(fā)了一款單通道的腦-肌肉電刺激系統(tǒng)，利用人工信號通路繞過受損區(qū)域，刺激特定神經(jīng)纖維以激活目標(biāo)肌肉，再次實(shí)現(xiàn)了大腦與肌肉的聯(lián)系，使癱瘓的肢體恢復(fù)了活動能力。

2.2 感覺功能恢復(fù) SCI 患者的神經(jīng)傳導(dǎo)通路受損，使人與外界交互變得極為困難。而BCI 技術(shù)作為人工信息處理中樞，可收集人與外界交互時的反饋信息，并通過電刺激激活大腦軀體感覺區(qū)域中的神經(jīng)元來恢復(fù)觸覺，使SCI 患者的運(yùn)動意圖與感覺反饋形成閉環(huán)，真實(shí)模擬正常的運(yùn)動控制功能［29］。GANZER 等［30］利用1 例完全性SCI 患者手部殘存的無法被患者感知的觸摸信號，在BCI 系統(tǒng)的輔助下，將其動態(tài)轉(zhuǎn)化為用戶可以感知的閉環(huán)感覺反饋信號，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)反饋信號的改變來調(diào)節(jié)握力的大小。研究［31］結(jié)果證明，經(jīng)過長時間的BCI 輔助康復(fù)訓(xùn)練后，該患者幾乎完全恢復(fù)了對事物的感知能力。此外，更有學(xué)者利用雙向BCI 系統(tǒng)，通過皮質(zhì)內(nèi)微刺激使軀體感覺皮層重新產(chǎn)生了觸覺反饋。

2.3 神經(jīng)回路重塑 研究表明即使在完全性SCI中，神經(jīng)功能依舊可以重塑，這為神經(jīng)損傷后的功能康復(fù)提供了理論基礎(chǔ)［32］。ATHANASIOU 等［33］開發(fā)、試驗(yàn)和優(yōu)化了一款基于多沉浸式人機(jī)界面的平臺，如：高密度腦電圖記錄下的視覺運(yùn)動圖像訓(xùn)練、腦控機(jī)器人手臂、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等模塊，通過獲得豐富的感覺反饋，反復(fù)訓(xùn)練中樞和外周之間的連接，誘導(dǎo)功能性神經(jīng)回路的重建以及部分神經(jīng)功能的恢復(fù)。

2.4 其他臨床應(yīng)用 除了上述三個方面，BCI 技術(shù)在SCI患者的繼發(fā)性疼痛、心肺功能、心理健康等方面仍具有較好的改善作用。如FAIRCLOUGH 等［33］研發(fā)了一種以交互式游戲?yàn)橹鞯腂CI 神經(jīng)干預(yù)系統(tǒng)，通過與游戲環(huán)境進(jìn)行互動、以目標(biāo)為導(dǎo)向的互動式參與模式，更好地實(shí)現(xiàn)了疼痛的緩解。WANG 等［35］對一例接受BCI 植入術(shù)的老年高位SCI患者進(jìn)行心理評估后發(fā)現(xiàn)，與術(shù)前相比，患者術(shù)后的認(rèn)知、情緒、社會支持、睡眠、生活質(zhì)量均有改善。

3 BCI 技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

目前，BCI 在SCI 患者中的康復(fù)療效已被證實(shí)，但經(jīng)過長期的臨床觀察發(fā)現(xiàn)，SCI 患者在使用BCI 過程中仍存在一些問題，這使得該技術(shù)難以從實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)移至日常生活中。

3.1 腦電信號采集 腦電信號采集主要有兩種方式，即侵入性BCI 和非侵入性BCI。侵入式BCI能夠獲得的腦電信號質(zhì)量高、分辨率高、噪聲小，但需要手術(shù)植入，具有較高的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，且由于組織反應(yīng)，容易引發(fā)免疫反應(yīng)和瘢痕組織，進(jìn)而導(dǎo)致信號質(zhì)量衰退，嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致植入器植入失?。?6］。相比于侵入性BCI，無創(chuàng)BCI 技術(shù)由于其易于應(yīng)用、成本低且無需手術(shù)，更容易被人們接受（倫理亦或是安全方面）［37］，但信號采集易受干擾，信息質(zhì)量和時間空間分辨率較低，難以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜精細(xì)運(yùn)動的快速控制。

3.2 腦電信號處理 腦電信號處理是BCI 系統(tǒng)中非常重要的模塊，患者在進(jìn)行肢體運(yùn)動康復(fù)時，會有大量的心電、眼電以及肌肉電信號等偽影混入腦電信號中，偽影的存在使得腦電圖分析和處理有一定程度的難度。BELWAFI 等［38］研究發(fā)現(xiàn)通過指導(dǎo)受試者避免做某些動作可消除部分偽影，還可以通過數(shù)字濾波技術(shù)消除偽影并保留有用信息，這為腦電信號處理方式的研究提供了新的思路，即科學(xué)有效去除偽影同時并確保腦電信號分析的準(zhǔn)確性。此外，相比于安靜的實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)實(shí)生活中存在較多的不確定因素，干擾患者的注意力。因此，臨床轉(zhuǎn)化的重要一步是如何克服在易受干擾的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中穩(wěn)定地收集和處理腦電信號。

3.3 腦電信號解碼 BCI 技術(shù)的主要挑戰(zhàn)之一是如何對腦電信號進(jìn)行準(zhǔn)確且穩(wěn)定的解碼。在神經(jīng)解碼中，已探索了各種信號處理技術(shù)，如卡爾曼濾波器、維也納過濾器、支持向量機(jī)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，并取得了出些許成功。然而在臨床研究中卻發(fā)現(xiàn)，由于大腦固有的可塑性，解碼器接收到的特定運(yùn)動信號會隨時間推移而變化，這導(dǎo)致了BCI 信息解碼的準(zhǔn)確性下降，因此需要不斷地重新校準(zhǔn)解碼器來達(dá)到信息收集的穩(wěn)定性。解碼器的重新校準(zhǔn)通常必須每隔幾分鐘進(jìn)行一次，這種間歇性的重新校準(zhǔn)不僅會中斷設(shè)備的使用，迫使用戶暫停他們正在做的事情，而且通常還需要第三方的干預(yù)，對于日常使用BCI 來說是耗時且不切實(shí)際的。隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的神經(jīng)解碼器技術(shù)逐漸成為廣大學(xué)者的研究熱點(diǎn)，有望解決上述問題。

綜上所述，BCI 技術(shù)可從三個方面使SCI 人群受益：（1）通過集成功能性電刺激、外骨骼機(jī)器人及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)改善患者運(yùn)動功能，提高社會參與度；（2）通過大量的信息反饋，使患者學(xué)習(xí)并調(diào)整大腦活動，促進(jìn)神經(jīng)重塑和感覺功能恢復(fù)；（3）減少SCI 繼發(fā)性并發(fā)癥，提高生存質(zhì)量，緩解家庭及社會經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。雖然BCI 技術(shù)發(fā)展至今仍有很多局限性，但其技術(shù)已在不斷改進(jìn)，未來的發(fā)展應(yīng)是多元化、個體化與智能化，為患者提供更安全、更合適、更方便的醫(yī)療服務(wù)。

【Author contributions】WANG Feng proposed the direction of research topic and wrote the first draft of the paper.MAO Yuxiang was responsible for the collection and collation of relevant literature.And LI Jinglong was responsible for the overall quality control and review of the paper.All authors read and approved the final manuscript as submitted.