基于腦機接口技術的肢體康復研究進展

姜月，鄒任玲

(上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093)

1 引 言

引起肢體運動障礙的原因有很多，如腦卒中、腦出血、腦外傷等，可致使患側腦區控制對側肢體運動的能力出現障礙，患者表現出偏癱[1]；如運動神經元受損導致的肌萎縮側索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)，患者四肢肌肉通常表現出萎縮無力和嚴重運動障礙[2]；此外還有脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)[3]、閉鎖綜合征(locked-in syndrome，LIS)[4]等。如何使肢體功能受損的人群得到有效康復，提高生活能力和質量，是當前康復醫學領域的研究熱點。針對患者肢體康復訓練，一般可分為運動療法、物理療法、作業療法，三種方法從不同角度為患者提供康復手段。將20世紀70年代[5]形成的BCI運用于康復治療是目前的研究熱點，它很大程度上克服了其他康復手段的弊端，如傳統康復器械給予的機械式訓練，過程單調，缺少患者的主觀反饋情況。而BCI可在人腦與計算機之間建立直接聯系，通過解讀患者的腦電信號(electroencephalogram，EEG)[6]，避開正常的神經-肌肉通路，相比于其他方式更注重患者的主觀意圖，順應了康復領域發展的要求。

2 BCI應用于運動療法康復

運動療法是目前康復最普及的方法，通過進行主動或被動的動作使肢體得到鍛煉，提高肌肉力量及關節活動度等[7]，對提高患者的肢體運動功能和日常生活活動(activities of daily living，ADL)能力[8]都具有積極意義。根據實現的功能及主要作用，可將BCI分為兩種用于運動療法中[9]。一是輔助性腦機接口，通過得到的控制信號對假肢或外骨骼(機械手、機械腿等)進行控制，實現訓練動作或日常動作；二是康復性腦機接口，將動作情況以不同形式反饋給患者，激活其大腦神經可塑性，提高運動再學習能力[10]。

2.1 輔助性腦機接口

Guger等人[11]設計了基于左右手運動想象的BCI系統控制假肢動作，三組實驗分析結果分別為90 %、82.5%和88.75%，成功率較高。Yahud等人[12]研制的BCI控制機械假手具有 16 個自由度，能夠實現抓握圓柱體、捏鑰匙，以及用兩個手指夾取紙片、三個手指夾取雞蛋這四個動作，手部的簡單動作得以實現。Fok等人[13]研制的BCI控制手部矯正器實現了腦卒中患者的手部康復，考慮到患者患肢對側的大腦運動皮層可能損傷而影響到正常運動腦電，利用了與患肢同側的EEG，取得了較好效果。楊大鵬等人[14]提出了基于三種思維作業下的腦電控制假手的方法，用閉眼時α節律的功率提升來觸發單次實驗，實現了對三自由度假手的控制，離線實驗時受試者進行虛擬計數、構思寫信、復雜乘法三種思維作業，使用功率譜估計特征后的識別率見表1。程明等人[6]搭建了基于穩態視覺誘發電位(steady-state visual evoked potential，SSVEP)的BCI系統，使假肢能夠做到倒水時的連續動作，即握住水杯、倒水、再將水杯放回原位及假肢復位。BCI對于上肢的研究相對較多，但缺點是實現的功能仍然較為固定單一，用于實際日常生活中仍需更多的動作多樣性及靈活性。

張艷娜等人[15]基于事件相關同步(event-relatedsynchronization，ERS)和事件相關去同步(event-related desynchronization，ERD)現象的左右手運動想象EEG，分別運用單次和綜合分類識別，其中單次分類識別率可達到80%左右，而采用綜合分類可提高到86%，并能夠控制下肢外骨骼進行屈和伸的動作，從而達到了下肢輔助訓練的功能。BCI用于下肢康復的研究相對要少，僅進行單一的屈伸訓練，康復效果有限，仍需要對系統加以不同的幅度、頻率去配合患者主觀思維意圖，效果將更佳。

通過BCI對假肢的控制直接替代患者完成日常動作，提高自理能力；或是通過對外骨骼設備的控制輔助患者自身肢體進行訓練，增強肌肉關節活動能力，均使BCI在運動療法中得到了有效利用。

表1 3種思維作業下功率譜估計特征的識別正確率/%

2.2 康復性腦機接口

BCI促進患者運動功能康復的內在機制主要是中樞神經系統的可塑性。BCI系統可通過大腦與外界環境之間的交互實現功能替代，或是患者通過進行運動想象等思維作業促進大腦神經的重塑，實現功能代償[16]。由于運動想象是重復性的，可反復刺激相關大腦運動皮質，從而提高損傷腦區的皮質激活狀態[17-18]，激活運動區和感覺區的活動[19]。同時，這種神經功能重塑的過程也是運動再學習[20]的過程，通過對大腦的刺激與反饋使患者獲得學習和強化，從而逐漸獲得相關運動能力。將BCI用于康復治療越早，患者的運動想象思維與所執行任務之間的匹配正確率越高，可塑性就越好[10,19]，康復訓練效果也就越佳。

結合了其他技術的康復性BCI更具優點，其中一個重要技術是虛擬現實(virtual reality，VR)，它是指通過模擬產生三維空間的虛擬場景，讓使用者身臨其境[21]，結合到BCI當中可以提高患者參與訓練的積極性與趣味性[22]。主要有兩方面應用，一是用于系統的視覺反饋中，患者通過 VR 反饋可對自身訓練狀態進行調整；二是用于游戲娛樂中，患者利用腦電控制VR游戲中的目標，在激發患者積極性的同時有效促進神經重塑。

Tan[23]等人提出的BCI同步閉環康復系統，對Baxter機器人的雙臂進行控制，同時VR 設備向用戶進行視覺反饋。Leeb等人[3]基于患者足部運動想象EEG中的beta節律，實現了VR環境中的BCI輪椅控制系統，實驗中受試者面對一個由多個人物間斷設立的虛擬街道場景，要求從一個人物移動至下一個人物，并完成某些任務，直至街道盡頭，環境的真實提高了患者的參與性。Muoz 等人[24]提出的BCI康復系統通過對患者EEG的分析以及動作 Kinematic 信號的捕捉，結合構造了腦kinect 界面(brain kinect interface，BKI)系統，設計出了幾款VR康復游戲，該系統目前已在哥倫比亞的一個康復中心被使用，主要目標是腦卒中和腦外傷等后上肢癱瘓和平衡失調的患者。徐保國等人[25]設計的BCI上肢康復機器人利用3D肢體運動動畫刺激患者運動想象，利用VR進行視覺反饋，同時控制機械臂動作。將BCI與VR技術相結合，身臨其境的真實感調動了患者的主觀能動性，提高了康復療效，具有極大的應用前景。

3 BCI應用于物理療法康復

物理療法是運用電、磁、光等物理因子治療[26]，常見的功能性電刺激(functional electrical stimulation，FES)就屬于此療法。將BCI應用于該療法，主要是與FES相結合，形成BCI-FES。FES屬于神經肌肉電刺激的范疇，利用程序設定的適當強度的低頻脈沖，通過表面或皮下電極刺激目標肌肉使其收縮，促使肌肉動作以產生即時效應。利用BCI的輸出命令控制 FES，融合了兩者的優點，使康復效果得到有效提高。

李明芬等人[27]選取了腦卒中患者利用BCI-FES對上肢進行康復訓練，通過觀察訓練前后執行運動想象任務的準確率及ERD情況，探討了BCI-FES 在上肢康復中的可行性及機制，結果提示其對促進患者上肢功能康復具有顯著療效。寇程[28]通過分析μ節律的ERD/ERS能量變化情況，將BCI-FES與單純FES對腦卒中患者慢性期大腦可塑性的影響進行了討論，并利用Fugl-Meyer量表進行評定，比較了兩者對運動功能恢復所起作用的大小，通過五個月的實驗后，結果提示，基于運動想象的BCI-FES在改善患者運動功能療效的方面要優于單純FES，在提高患肢運動時大腦皮層激活正常化方面也同樣要優于單純FES。FES對癱瘓肌肉治療雖具有直接性和即時性，但強度等參數都受治療師主觀控制，而BCI使患者主觀意識得到重視，因此BCI-FES和BCI-VR這種混合式的系統，具有很大應用潛力。

4 BCI應用于作業能力康復

作業療法是運用某些目的性的作業活動為手段，幫助患者提高自理、工作甚至娛樂等能力。以往殘疾人對于家電的控制可以采用語音控制等方式，但是對于嚴重癱瘓的患者來說，這些方式甚至都將無法使用[32]。肢體運動障礙使患者日常生活中多種作業無法順利完成，嚴重影響生活質量，而通過BCI利用腦電直接控制計算機，家電的開關，甚至汽車，將為患者帶來諸多便利。

Rebsamen等人[33]針對對ALS患者的研究，利用P300信號開發了BCI輪椅控制系統，該輪椅主要適合在家庭、醫院、辦公室這類特定環境中使用，地圖被預先設置并有不同地點的選項，用戶通過注視目標選項引發P300電位，輪椅即可按預定義路徑移動至相應目標。系統同時具有一定適應能力，可調整路徑以避免障礙物的干擾。但缺點是使用范圍受到限制，不夠靈活，患者無法在日常中大范圍使用。

Jonathan 等人[34]實現了屏幕上光標的控制。屏幕中出現目標區域后，患者通過腦電對中央出現的光標進行路徑控制，光標進入目標區域則任務完成。雖然準確性和光標移動的靈活性仍待提高，但為BCI應用于計算機使用中提供了思路與基礎，可為上肢無法自由操作鼠標鍵盤的患者實現上網帶來希望。

Tobias 等人[35]研制了拼寫功能的BCI系統，且具有的自校準和預測文本輸入功能，比傳統系統更好適應了用戶需要。實驗中，用戶平均得分為3.84(滿分為4分)，達到了較高的識別率。高上凱等人[36]開發的基于SSVEP的BCI系統可幫助殘疾人撥打移動電話。患者進行通信交流的愿望得以實現。

鄒鶴良等人[37]考慮到傳統BCI多是實現某一種固定控制功能，被控對象較為單一，綜合性較差，利用P300信號研制了一個綜合控制平臺，可控制多個對象，第一級界面是選擇電視、電燈、字符輸入三者之一，第二級界面是具體控制各個對象，這樣的多選擇控制平臺更為實用方便。

對于作業能力的康復主要是直接實現生活、工作、娛樂等方面的目的，而非直接對患者肢體運動能力改善，因此肢體活動能力可能無法得到提高，但可直接為通信交流、控制家電提供便利。

5 結束語

BCI是一項多學科交叉融合的技術，與腦神經科學、計算機科學、生物醫學工程、康復醫學、信號處理等多種學科均有很大關聯，目前將該技術應用于康復治療的國內外研究，雖然已取得不少成果，但仍有許多地方待發展和完善。

目前大量研究成果都集中在上肢康復，對下肢運動障礙的患者而言，重建神經系統控制步行的能力，逐漸達到正常步態，對患者正常生活極為重要。對腦電信號處理中的預處理、特征提取和模式識別，優化改進出更佳的算法，提高識別準確度，使患者承受的失誤降至最低。對于BCI系統控制和機械部分的設計，可增加多樣性、靈活性。由于BCI由大腦活動信號控制，主觀性極強，而患者的思維集中程度及認知能力不同，應對患者的認知能力進行評估和改善。此外，應不斷改進出更加合理實用的實驗范式。BCI的綜合性與復雜性決定了目前仍存在許多亟待解決的問題，諸多潛在的應用價值仍有待發掘，隨著精確性、可靠性、多樣性的不斷提升，將會為患者帶來更多福音。