本文轉(zhuǎn)自《醫(yī)療裝備》2022年11月第21期

據(jù)報(bào)道顯示，約 70%~80% 的卒中幸存者遺留不同程度的功能障礙，且超過(guò) 40% 的患者喪失獨(dú)立生活的能力，嚴(yán)重影響其日常生活和工作。近年來(lái)，隨著人口老齡化趨勢(shì)的日益顯著以及生活方式的改變，卒中發(fā)病率逐年上升，且發(fā)病年齡呈年輕化趨勢(shì)，卒中后的康復(fù)治療已經(jīng)成為社會(huì)上廣泛關(guān)注的問(wèn)題。因此，做好卒中患者的康復(fù)治療十分關(guān)鍵。而康復(fù)治療往往離不開(kāi)康復(fù)器械。目前，臨床常用的康復(fù)器械包括上下肢關(guān)節(jié)康復(fù)器、康復(fù)行走移位機(jī)等，部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)配備天軌移位搭配訓(xùn)練設(shè)施，雖能在一定程度上改善患者的肢體功能，但仍有部分患者存在恢復(fù)速度慢、康復(fù)效果不理想等問(wèn)題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，以腦機(jī)接口為代表的可直接干預(yù)中樞神經(jīng)的智能康復(fù)技術(shù)不斷被研發(fā)出來(lái)并應(yīng)用于臨床康復(fù)中。腦機(jī)接口直接作用于大腦，可有效改善大腦神經(jīng)的傳導(dǎo)通路，使患者能夠在不受周?chē)窠?jīng)和肌肉影響的情況下與周?chē)h(huán)境進(jìn)行交互，在充分發(fā)揮運(yùn)動(dòng)想象療法作用的同時(shí)又增加了康復(fù)治療的趣味性，目前已被廣泛應(yīng)用于航天、軍事等領(lǐng)域。本研究通過(guò)梳理近年來(lái)的相關(guān)文獻(xiàn)，闡述了腦機(jī)接口在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展。

#01

腦機(jī)接口的工作原理

20世紀(jì)70年代初，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)教授雅克·維達(dá)爾（Jacques Vidal）首次提出了“腦機(jī)接口”這一名詞 。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，腦機(jī)接口已逐漸成為電腦通信技術(shù)的新種類(lèi)之一。其基本原理是，人們使用腦機(jī)接口收集腦電信號(hào)，利用腦電信號(hào)控制電腦程序。目前，腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)取得了諸多突破并且在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，尤其是在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。有研究表明，腦機(jī)接口可通過(guò)患者的運(yùn)動(dòng)想象來(lái)刺激大腦皮層相關(guān)區(qū)域，然后利用收集到的腦電信號(hào)來(lái)啟動(dòng)功能性電刺激，并以此來(lái)刺激受損的肌肉神經(jīng)，患者可以利用此電刺激主動(dòng)參與發(fā)力，以達(dá)到改善運(yùn)動(dòng)功能的效果。腦機(jī)接口的工作原理可以分為信號(hào)采集、信號(hào)處理、控制設(shè)備和反饋 4 個(gè)部分，具體如下。

01

信號(hào)采集

信號(hào)采集是實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口技術(shù)較為關(guān)鍵的一步，根據(jù)采集方式，可分為非侵入式、侵入式和半侵入式。非侵入式信號(hào)采集是指患者頭戴電極帽對(duì)大腦信息進(jìn)行采集。該方式操作簡(jiǎn)單、風(fēng)險(xiǎn)較低，但由于顱骨對(duì)大腦信號(hào)的衰減作用以及神經(jīng)元發(fā)出 的電磁波模糊效應(yīng)，該方式記錄到的信號(hào)強(qiáng)度不高，信號(hào)的空間分辨率較差，且不能有效利用高頻信號(hào)，很難準(zhǔn)確捕捉信號(hào)發(fā)出腦區(qū)及相關(guān)神經(jīng)元活動(dòng)。侵入式信號(hào)采集是通過(guò)手術(shù)將信號(hào)采集設(shè)備植入大腦皮層，以獲得高強(qiáng)度、高分辨率的神經(jīng)信號(hào)。該方式具有高精確率、高采樣率、高自由度等優(yōu)勢(shì)，但屬于侵入性操作，可能會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)。半侵入式信號(hào)采集是將信號(hào)采集設(shè)備植入大腦皮層與頭皮之間，采集的信號(hào)質(zhì)量介于非侵入式和侵入式之間，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較小，發(fā)生免疫反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)較低。

02

信號(hào)處理

信號(hào)處理包括預(yù)處理、特征提取和分類(lèi)識(shí)別。采集到的信號(hào)可能會(huì)受到肌電、設(shè)備等的干擾，需要通過(guò)預(yù)處理達(dá)到降噪的目的，常用的方法包括通道選擇、空間濾波器等。特征提取是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的需求（如振幅、頻率、頻譜相關(guān)性等），將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的信號(hào)提取出來(lái)，并轉(zhuǎn)換為緊湊的數(shù)據(jù)形式，以此組成表征信號(hào)的特征向量。常用方法包括小波變換、維格納分布、時(shí)頻法、時(shí)域法等。

03

設(shè)備控制

設(shè)備控制是指通過(guò)信號(hào)處理解碼腦電活動(dòng)命令，并用于控制不同設(shè)備，以誘導(dǎo)患者的功能恢復(fù)。根據(jù)功能的不同可將控制設(shè)備分為“功能輔助”“功能恢復(fù)”“功能增強(qiáng)”3 類(lèi)。其中，功能輔助主要幫助患者實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的控制和交流；功能恢復(fù)主要幫助患者恢復(fù)喪失功能；功能增強(qiáng)不僅局限于康復(fù)醫(yī)學(xué)，在軍事、教育、航天等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景，主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)能的拓展及強(qiáng)化。

04

反饋環(huán)節(jié)

反饋環(huán)節(jié)實(shí)際上是一個(gè)調(diào)整磨合的過(guò)程。在此環(huán)節(jié)中，患者通過(guò)感應(yīng)外界環(huán)境的響應(yīng)，進(jìn)而調(diào)整大腦活動(dòng)狀態(tài)，以達(dá)到良好的人機(jī)交互，但此環(huán)節(jié)十分復(fù)雜，涉及觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)和視覺(jué)等， 相關(guān)技術(shù)還有待進(jìn)一步的提升和突破。

#02

腦機(jī)接口在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

01

上肢康復(fù)方面

促進(jìn)卒中患者上肢功能康復(fù)的關(guān)鍵是恢復(fù)患者大腦神經(jīng)元的可塑性，而腦機(jī)接口可通過(guò)“恢復(fù)” 和“替代”兩種方法誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性重建，從而促進(jìn)患者肢體功能的康復(fù)。有研究表明，利用腦機(jī)接口對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，能夠使其產(chǎn)生更正常的大腦活動(dòng)，并借助這些大腦活動(dòng)來(lái)激活輔 助運(yùn)動(dòng)設(shè)備，從而激活患側(cè)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的腦區(qū)，促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重塑，并最終達(dá)到康復(fù)治療的目的。唐千乇和張通研究發(fā)現(xiàn)，接受腦機(jī)接口控制的功能性電刺激治療的卒中患者的患側(cè)肘關(guān)節(jié)反應(yīng)時(shí)間、事件相關(guān)去同步化（event related desynchronization， ERD）強(qiáng)度、Fugl-Meyer 上肢評(píng)定量表評(píng)分及改良 Barthel 指數(shù)均優(yōu)于接受單純功能性電刺激治療的患者，表明腦機(jī)接口可激活大腦神經(jīng)的可塑性，促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)重構(gòu)，并促使患者主動(dòng)參與康復(fù)訓(xùn)練。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，接受腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練不 增強(qiáng)卒中患者的運(yùn)動(dòng)認(rèn)知程度，且可明顯提高其上肢功能。

02

下肢康復(fù)方面

下肢主要用于支撐體重和行走。卒中后肢體功能障礙尤其是下肢運(yùn)動(dòng)障礙不僅給患者生活質(zhì)量造成影響，而且也給其家庭帶來(lái)極大的精神和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，促進(jìn)卒中患者的肢體功能恢復(fù)尤其是下 肢功能恢復(fù)具有重要意義。有研究證明，與傳統(tǒng)的康復(fù)手段相比，腦機(jī)接口訓(xùn)練結(jié)合智能算法，能夠自動(dòng)感應(yīng)患者的訓(xùn)練完成情況并主動(dòng)給予干預(yù)。方文垚等對(duì)40例卒中患者進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，接受常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練的對(duì)照組治療后的 Fugl-Meyer 下肢評(píng)定量表評(píng)分低于接受腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練的觀察組，且徒手肌力評(píng)估（manual muscle test，MMT）評(píng)分亦低于觀察組，因此該研究認(rèn)為腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練對(duì)提高卒中患者的下肢運(yùn)動(dòng)功能、平衡功能具有積 極作用，可幫助患者提升生活自理能力、重返社會(huì)。 

03

意識(shí)評(píng)估方面

腦機(jī)接口亦可用于患者的意識(shí)評(píng)估，即可通過(guò)腦機(jī)接口驗(yàn)證意識(shí)障礙患者是否存在意識(shí)。傳統(tǒng)的意識(shí)障礙評(píng)估主要依靠行為學(xué)量表，但該方式極易將微意識(shí)狀態(tài)診斷為植物狀態(tài)或無(wú)反應(yīng)覺(jué)醒綜合征，誤診率高達(dá)40%。而腦機(jī)接口能將大腦信號(hào)中與遵囑反應(yīng)相關(guān)的特定成分篩選出來(lái)，當(dāng)作意識(shí)存在的證據(jù)，并以此區(qū)分植物狀態(tài)、無(wú)反應(yīng)覺(jué)醒綜合征及閉鎖綜合征。有研究提出，腦機(jī)接口作為意識(shí)評(píng)估的一種補(bǔ)充方法，可彌補(bǔ)僅用昏迷恢復(fù)量表 （coma recovery scale-revised，CRS–R）評(píng)估意識(shí)的不足。 

04

運(yùn)動(dòng)想象能力方面

卒中偏癱患者使用腦機(jī)接口進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，不僅能促進(jìn)其上肢及手部運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，同時(shí)還能增強(qiáng)其運(yùn)動(dòng)想象能力。運(yùn)動(dòng)想象是指患者在腦海中反復(fù)模擬運(yùn)動(dòng)動(dòng)作而不需要在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，可有效刺激 患者的大腦皮層，從而幫助患者快速恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能。在開(kāi)展運(yùn)動(dòng)想象訓(xùn)練時(shí)，患者可通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual  reality，VR）視頻方式不斷模擬運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)大量多次的運(yùn)動(dòng)想象來(lái)啟動(dòng)神經(jīng)肌肉電刺激儀，最終使得上肢肌肉神經(jīng)得到電刺激并開(kāi)始逐漸恢復(fù)。該訓(xùn)練方式會(huì)讓患者在無(wú)形之中提高自身的運(yùn)動(dòng)想象能力。

有研究發(fā)現(xiàn)，接受腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練的卒中偏癱患者（觀察組）的運(yùn)動(dòng)覺(jué)和視覺(jué)想象問(wèn)卷（the kinesthetic and visual  imagery questionnaire，KVIQ）評(píng)分顯著提升，而接受常規(guī)訓(xùn)練的對(duì)照組的評(píng)分提高較為緩慢；在經(jīng)過(guò)6~8周的訓(xùn)練后，兩組間上述評(píng)分差異更為明顯。另有相關(guān)研究表明，運(yùn)動(dòng)想象訓(xùn)練能有效促進(jìn)卒中患者上肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)?？梢?jiàn)，提升患者的運(yùn)動(dòng)想象能力對(duì)于促進(jìn)患者肢體運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)具有顯著效果。

05

其他方面

2.5.1? 緩解疼痛方面

目前，對(duì)于腦機(jī)接口在緩解患者疼痛方面的研究還不透徹。有學(xué)者通過(guò)對(duì)脊髓損傷患者的研究發(fā)現(xiàn)，接受 4 個(gè)月腦機(jī)接口訓(xùn)練的脊髓損傷患者損傷后持續(xù)性神經(jīng)病理性疼痛的視覺(jué)模擬評(píng)分法（visual analogue scale，VAS） 評(píng)分 從8分降至5分， 因此認(rèn)為腦機(jī)接口可緩解患者的持續(xù)神經(jīng)性疼痛。

2.5.2?日常生活能力方面

有研究發(fā)現(xiàn)，腦機(jī)接口訓(xùn)練對(duì)提高患者的日常生活能力具有積極作用。腦機(jī)接口訓(xùn)練可提升患者的運(yùn)動(dòng)想象能力，進(jìn)而激活大腦皮層，進(jìn)一步改善肢體功能，最終反映到患者的日常生活中，即患者的吃飯、穿衣、洗澡、梳頭、洗臉、做飯等日常生活能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.5.3? 患者心理及康復(fù)參與方面

以卒中患者為例，疾病會(huì)影響到患者的心理狀態(tài)，使其抵觸康復(fù)訓(xùn)練、產(chǎn)生回避心理，而患者的心理狀態(tài)與參與度會(huì)對(duì)康復(fù)效果產(chǎn)生直接影響。腦機(jī)接口通過(guò)虛擬技術(shù)使患者模擬健康狀態(tài)下的肢體運(yùn)動(dòng)，從而可慢慢消除其負(fù)面情緒，加快康復(fù)進(jìn)度。有研究表明，腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練結(jié)束后，試驗(yàn)組患者的焦慮自評(píng)量表（self-rating anxiety scale， SAS）、 抑 郁 自 評(píng) 量 表（self-rating depression scale， SDS）評(píng)分均低于對(duì)照組，且康復(fù)參與量評(píng)分高于對(duì)照組。由此可見(jiàn)，腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練不僅可以改善患者的焦慮、恐懼等不良情緒，還可提高其康復(fù)參與度，促使患者由原來(lái)的被動(dòng)治療過(guò)渡到主動(dòng)治療。

2.5.4? 不良反應(yīng)方面

有研究發(fā)現(xiàn)，個(gè)別患者在進(jìn)行腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中僅會(huì)出現(xiàn)大腦疲勞、頭部不適等輕微不良反應(yīng)，休息后可以明顯緩解，且并無(wú)其他不良反應(yīng)出現(xiàn)。由此可見(jiàn)，腦機(jī)接口的安全性較好。

#03

腦機(jī)接口面臨的挑戰(zhàn)

腦機(jī)接口在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，但當(dāng)前的腦機(jī)接口康復(fù)系統(tǒng)仍處于初期應(yīng)用階段， 距離市場(chǎng)化、大規(guī)模推廣還有很長(zhǎng)一段時(shí)間，在理論技術(shù)、硬件設(shè)備、神經(jīng)機(jī)理等方面還存在一定的挑戰(zhàn)，具體如下。

（1）易受外界環(huán)境影響：當(dāng)外界出現(xiàn)噪聲等干擾時(shí)，采集到的腦電信號(hào)可能不精準(zhǔn)。

（2）不具有普遍適應(yīng)性：不同患者的腦電信號(hào)差異 大，現(xiàn)有腦機(jī)接口系統(tǒng)無(wú)法滿足所有患者的需求，在 使用前需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新校準(zhǔn)。

（3）信號(hào)采集設(shè)備局限：非侵入式采集設(shè)備采集到的信號(hào)精準(zhǔn)度差，侵入式采集流程繁瑣、風(fēng)險(xiǎn)較高，因此，開(kāi)發(fā)更高效便捷、安全性好、風(fēng)險(xiǎn)低、精確度高的采集方式是目前研究的重點(diǎn)之一。

（4）效率提升方面：腦機(jī)接口是人機(jī)交互的過(guò)程，患者自身健康狀況、認(rèn)知水平與腦機(jī)接口工作效率密切相關(guān)，因此，如何提升低認(rèn)知水平患者的腦機(jī)接口效率是一個(gè)重要工程。

（5）倫理方面：腦機(jī)接口的本質(zhì)是打通機(jī)器與人的大腦思維之間的通路，最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合，必然會(huì)將大腦所思所想即患者隱私暴露出來(lái)，具有一定的倫理風(fēng)險(xiǎn)。

#04

小結(jié)

腦機(jī)接口為恢復(fù)和增強(qiáng)人類(lèi)能力打開(kāi)了新世界的大門(mén)，在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，盡管目前還存在諸多挑戰(zhàn)，但我們相信隨著神經(jīng)科學(xué)、傳感器技術(shù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，腦機(jī)接口技術(shù)未來(lái)將會(huì)擁有更多的突破。

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