腦機接口在康復醫學中的應用進展

梁文棟，郭曉輝（通信作者），程波，樂贊

深圳睿瀚醫療科技有限公司研發部 （廣東深圳 518000）

據報道顯示，約70%～80%的卒中幸存者遺留不同程度的功能障礙，且超過40%的患者喪失獨立生活的能力，嚴重影響其日常生活和工作[1]。近年來，隨著人口老齡化趨勢的日益顯著以及生活方式的改變，卒中發病率逐年上升，且發病年齡呈年輕化趨勢，卒中后的康復治療已經成為社會上廣泛關注的問題。因此，做好卒中患者的康復治療十分關鍵。而康復治療往往離不開康復器械。目前，臨床常用的康復器械包括上下肢關節康復器、康復行走移位機等，部分醫療機構配備天軌移位搭配訓練設施，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速度慢、康復效果不理想等問題。隨著科學技術的發展及人工智能技術的出現，以腦機接口為代表的可直接干預中樞神經的智能康復技術不斷被研發出來并應用于臨床康復中。腦機接口直接作用于大腦，可有效改善大腦神經的傳導通路，使患者能夠在不受周圍神經和肌肉影響的情況下與周圍環境進行交互，在充分發揮運動想象療法作用的同時又增加了康復治療的趣味性，目前已被廣泛應用于航天、軍事等領域。本研究通過梳理近年來的相關文獻，闡述了腦機接口在康復醫學中的應用進展。

1 腦機接口的工作原理

20世紀70年代初，美國加州大學洛杉磯分校的計算機科學教授雅克·維達爾（Jacques Vidal）首次提出了“腦機接口”這一名詞[2]。經過數十年的發展，腦機接口已逐漸成為電腦通信技術的新種類之一。其基本原理是，人們使用腦機接口收集腦電信號，利用腦電信號控制電腦程序。目前，腦機接口技術已經取得了諸多突破并且在多個領域得到應用和推廣，尤其是在康復醫學領域。有研究表明，腦機接口可通過患者的運動想象來刺激大腦皮層相關區域，然后利用收集到的腦電信號來啟動功能性電刺激，并以此來刺激受損的肌肉神經，患者可以利用此電刺激主動參與發力，以達到改善運動功能的效果。腦機接口的工作原理可以分為信號采集、信號處理、控制設備和反饋4個部分（見圖1）。具體如下。

圖1 腦機接口基本構架

1.1 信號采集

信號采集是實現腦機接口技術較為關鍵的一步，根據采集方式，可分為非侵入式、侵入式和半侵入式。非侵入式信號采集是指患者頭戴電極帽對大腦信息進行采集。該方式操作簡單、風險較低，但由于顱骨對大腦信號的衰減作用以及神經元發出的電磁波模糊效應，該方式記錄到的信號強度不高，信號的空間分辨率較差，且不能有效利用高頻信號，很難準確捕捉信號發出腦區及相關神經元活動。侵入式信號采集是通過手術將信號采集設備植入大腦皮層，以獲得高強度、高分辨率的神經信號。該方式具有高精確率、高采樣率、高自由度等優勢，但屬于侵入性操作，可能會引發免疫反應[3]。半侵入式信號采集是將信號采集設備植入大腦皮層與頭皮之間，采集的信號質量介于非侵入式和侵入式之間，手術風險較小，發生免疫反應的風險較低。

1.2 信號處理

信號處理包括預處理、特征提取和分類識別。采集到的信號可能會受到肌電、設備等的干擾，需要通過預處理達到降噪的目的，常用的方法包括通道選擇、空間濾波器等。特征提取是根據預先設定的需求（如振幅、頻率、頻譜相關性等），將經過預處理的信號提取出來，并轉換為緊湊的數據形式，以此組成表征信號的特征向量。常用方法包括小波變換、維格納分布、時頻法、時域法等[4]。

1.3 設備控制

設備控制是指通過信號處理解碼腦電活動命令，并用于控制不同設備，以誘導患者的功能恢復。根據功能的不同可將控制設備分為“功能輔助”“功能恢復”“功能增強”3 類[5]。其中，功能輔助主要幫助患者實現對外界的控制和交流；功能恢復主要幫助患者恢復喪失功能；功能增強不僅局限于康復醫學，在軍事、教育、航天等領域也有廣闊的應用前景，主要用于實現機能的拓展及強化。

1.4 反饋環節

反饋環節實際上是一個調整磨合的過程。在此環節中，患者通過感應外界環境的響應，進而調整大腦活動狀態，以達到良好的人機交互，但此環節十分復雜，涉及觸覺、聽覺、味覺、嗅覺和視覺等，相關技術還有待進一步的提升和突破。

2 腦機接口在康復醫學中的應用

2.1 上肢康復方面

促進卒中患者上肢功能康復的關鍵是恢復患者大腦神經元的可塑性，而腦機接口可通過“恢復”和“替代”兩種方法誘導中樞神經系統的可塑性重建，從而促進患者肢體功能的康復。有研究表明，利用腦機接口對患者進行康復訓練，能夠使其產生更正常的大腦活動，并借助這些大腦活動來激活輔助運動設備，從而激活患側運動相關的腦區，促進中樞神經系統的重塑，并最終達到康復治療的目的[6]。唐千乇和張通[7]研究發現，接受腦機接口控制的功能性電刺激治療的卒中患者的患側肘關節反應時間、事件相關去同步化（event related desynchronization，ERD）強度、Fugl-Meyer 上肢評定量表評分及改良Barthel 指數均優于接受單純功能性電刺激治療的患者，表明腦機接口可激活大腦神經的可塑性，促進中樞神經系統重構，并促使患者主動參與康復訓練。另外，有研究發現，接受腦機接口康復訓練不僅可增強卒中患者的運動認知程度，且可明顯提高其上肢功能[8]。

2.2 下肢康復方面

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動障礙不僅給患者生活質量造成影響，而且也給其家庭帶來極大的精神和經濟負擔。因此，促進卒中患者的肢體功能恢復尤其是下肢功能恢復具有重要意義。有研究證明，與傳統的康復手段相比，腦機接口訓練結合智能算法，能夠自動感應患者的訓練完成情況并主動給予干預[9]。方文垚等[10]對40例卒中患者進行研究發現，接受常規康復訓練的對照組治療后的Fugl-Meyer 下肢評定量表評分低于接受腦機接口康復訓練的觀察組，且徒手肌力評估（manual muscle test，MMT）評分亦低于觀察組，因此該研究認為腦機接口康復訓練對提高卒中患者的下肢運動功能、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。

2.3 意識評估方面

腦機接口亦可用于患者的意識評估，即可通過腦機接口驗證意識障礙患者是否存在意識。傳統的意識障礙評估主要依靠行為學量表，但該方式極易將微意識狀態診斷為植物狀態或無反應覺醒綜合征，誤診率高達40%[11]。而腦機接口能將大腦信號中與遵囑反應相關的特定成分篩選出來，當作意識存在的證據，并以此區分植物狀態、無反應覺醒綜合征及閉鎖綜合征。有研究提出，腦機接口作為意識評估的一種補充方法，可彌補僅用昏迷恢復量表（coma recovery scale-revised，CRS–R）評估意識的不足[12]。

2.4 運動想象能力方面

卒中偏癱患者使用腦機接口進行康復訓練，不僅能促進其上肢及手部運動功能的恢復，同時還能增強其運動想象能力。運動想象是指患者在腦海中反復模擬運動動作而不需要在現實中進行運動，可有效刺激患者的大腦皮層，從而幫助患者快速恢復運動功能。在開展運動想象訓練時，患者可通過虛擬現實（virtual reality，VR）視頻方式不斷模擬運動，并通過大量多次的運動想象來啟動神經肌肉電刺激儀，最終使得上肢肌肉神經得到電刺激并開始逐漸恢復。該訓練方式會讓患者在無形之中提高自身的運動想象能力。有研究發現，接受腦機接口康復訓練的卒中偏癱患者（觀察組）的運動覺和視覺想象問卷（the kinesthetic and visual imagery questionnaire，KVIQ）評分顯著提升，而接受常規訓練的對照組的評分提高較為緩慢；在經過6～8周的訓練后，兩組間上述評分差異更為明顯[13]。另有相關研究表明，運動想象訓練能有效促進卒中患者上肢運動功能的恢復[14]。可見，提升患者的運動想象能力對于促進患者肢體運動功能的恢復具有顯著效果。

2.5 其他方面

2.5.1 緩解疼痛方面

目前，對于腦機接口在緩解患者疼痛方面的研究還不透徹。有學者通過對脊髓損傷患者的研究發現，接受4個月腦機接口訓練的脊髓損傷患者損傷后持續性神經病理性疼痛的視覺模擬評分法（visual analogue scale，VAS）評分從8分降至5分，因此認為腦機接口可緩解患者的持續神經性疼痛[15]。

2.5.2 日常生活能力方面

有研究發現，腦機接口訓練對提高患者的日常生活能力具有積極作用[16]。腦機接口訓練可提升患者的運動想象能力，進而激活大腦皮層，進一步改善肢體功能，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一步增強。

2.5.3 患者心理及康復參與方面

以卒中患者為例，疾病會影響到患者的心理狀態，使其抵觸康復訓練、產生回避心理，而患者的心理狀態與參與度會對康復效果產生直接影響。腦機接口通過虛擬技術使患者模擬健康狀態下的肢體運動，從而可慢慢消除其負面情緒，加快康復進度[17]。有研究表明，腦機接口康復訓練結束后，試驗組患者的焦慮自評量表（self-rating anxiety scale，SAS）、抑 郁 自 評 量 表（self-rating depression scale，SDS）評分均低于對照組，且康復參與量評分高于對照組[18]。由此可見，腦機接口康復訓練不僅可以改善患者的焦慮、恐懼等不良情緒，還可提高其康復參與度，促使患者由原來的被動治療過渡到主動治療。

2.5.4 不良反應方面

有研究發現，個別患者在進行腦機接口康復訓練過程中僅會出現大腦疲勞、頭部不適等輕微不良反應，休息后可以明顯緩解，且并無其他不良反應出現[19-20]。由此可見，腦機接口的安全性較好。

3 腦機接口面臨的挑戰

腦機接口在康復醫學領域展現出巨大的潛力，但當前的腦機接口康復系統仍處于初期應用階段，距離市場化、大規模推廣還有很長一段時間，在理論技術、硬件設備、神經機理等方面還存在一定的挑戰，具體如下。（1）易受外界環境影響：當外界出現噪聲等干擾時，采集到的腦電信號可能不精準。（2）不具有普遍適應性：不同患者的腦電信號差異大，現有腦機接口系統無法滿足所有患者的需求，在使用前需對系統進行重新校準。（3）信號采集設備局限：非侵入式采集設備采集到的信號精準度差，侵入式采集流程煩瑣、風險較高，因此，開發更高效便捷、安全性好、風險低、精確度高的采集方式是目前研究的重點之一[21]。（4）效率提升方面：腦機接口是人機交互的過程，患者自身健康狀況、認知水平與腦機接口工作效率密切相關，因此，如何提升低認知水平患者的腦機接口效率是一個重要工程。（5）倫理方面：腦機接口的本質是打通機器與人的大腦思維之間的通路，最終實現人機融合，必然會將大腦所思所想即患者隱私暴露出來，具有一定的倫理風險[22]。

4 小結

腦機接口為恢復和增強人類能力打開了新世界的大門，在康復醫學領域具有重要的應用前景，盡管目前還存在諸多挑戰，但我們相信隨著神經科學、傳感器技術、人工智能等技術的發展，腦機接口技術未來將會擁有更多的突破。