“人工智能+智慧醫療”背景下腦機接口技術對腦卒中康復的應用研究

摘要：積極探索神經功能損傷的腦卒中康復治療技術在近年來的醫療行業釋放出巨大的潛力和價值。康復醫療領域正在面臨數字化、智能化轉型升級，數智時代為康復醫學帶來了新的機遇與挑戰。為了滿足優質便捷、智能高效的康復技術的迫切需求，一系列新型人工智能康復技術應運而生。基于腦機接口的腦卒中康復技術的應用不僅加速了康復醫療領域智慧數字化產品的研發和普及，而且通過人機交互提高了腦卒中康復治療的有效性。

關鍵詞：腦卒中；腦機接口；康復

近年來，在國家各項政策加持下，中國醫療科技發展勢頭迅猛，人工智能技術異軍突起，催生智慧醫療蝶變。迄今為止，人工智能技術與醫療行業的結合是未來大健康產業升級的重要一環，在生物技術、醫院管理、健康管理、可穿戴設備、醫學影像等多個領域都取得了比較突出的成就。由此可見，人工智能賦能智慧醫療在精準醫療方面起到了聯動作用，助力地方醫療服務能力提升與轉型升級。

一、腦卒中康復治療的研究意義

腦卒中以“危、重、急”著稱，是人類健康第一殺手，病中之最。它是一種起病快、康復慢、危害創傷大的中樞神經系統疾病，具有“四高一低”的特征。隨著時代發展進步，生活節奏日益加快，腦卒中患者數量不斷增加，病患年輕化趨勢明顯，大部分病患會伴隨各種后遺癥和并發癥，出現各種程度的運動功能障礙、認知障礙、言語障礙、吞咽功能障礙、感覺障礙等。從宏觀層面看，我國長期以來對腦卒中的研究和治療耗費了大量的醫療資源，產生巨額的醫療花費，給社會造成沉重的負擔；從微觀層面看，很多病患伴隨偏癱，需要他人照顧才能維持生活，既給患者本人增添了痛苦，也給家庭也帶來了負擔。因此，國內外科研院所和醫療機構越來越重視腦卒中的康復與治療。

眾多臨床實踐表明，腦卒中康復療法對患者的卒中后恢復是行之有效的。康復治療是為了提高患者身體各項機能、減緩各項障礙，避免患病后遺癥的發生，同時改善病患生活自理能力，從而減輕家庭的經濟負擔以及看護壓力，幫助病患有尊嚴地重新融入社會生活各個方面。迄今為止，腦卒中康復主要涉及醫學、社會等手段。一種是中醫康復療法，主要包括穴位按摩療法、針灸療法、疏經通絡操和中藥外治療法；另一種是現代康復療法，主要包括運動想象治療、音樂治療等。康復前期，患者通常在醫院接受這些治療。然而，這些治療方法都有其不足之處，如藥物有副作用、運動訓練時間長導致患者依從性差、針刺和灸法分別有感染和燙傷風險、心理治療需要在專業心理治療師的指導下進行等。而腦機接口技術是一種簡單有效、無創安全且患者易接受、臨床易推廣的治療手段，已經受到廣泛的關注與研究。

因此，關注腦卒中康復領域最新研究進展及治療策略，開展高質量腦機接口技術康復診斷研究，推動我國腦卒中在國際卒中領域跑出中國速度，為指導卒中臨床實踐、優化腦卒中救治方案及改寫卒中急救指南提供了高質量循證依據。

二、腦機接口系統的關鍵技術

腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）技術是一種在大腦和外界間建立連接和控制通道的多學科交叉技術，起源于20世紀70年代。1999年，美國舉辦的第一次BCI國際會議給出了BCI標準定義：“腦－計算機接口（Brain Computer Interface）是一種不依賴于正常由外圍神經和肌肉組成的輸出通路的通信系統”。腦卒中患者采用腦機接口技術可直接使用大腦控制機器，這使得偏癱等行動不便的病患擁有自主與外界交流或控制外部環境的能力。腦機接口技術不僅需要大腦發送信號通過計算機語言命令驅動外部設備，還需要外部設備持續向大腦反饋外界環境信息，通過閉環反饋的形式使大腦實時改變控制方案，確保系統穩定正常運行。從信號獲取的角度考慮，BCI系統可劃分為非侵入式和侵入式；從腦機接口范式、感覺刺激、采用的信號角度考慮，腦機接口系統可劃分為單一范式、單一感覺刺激、單一腦信號的腦機接口和混合腦機接口。一般來說，BCI技術主要有以下幾個關鍵環節。

（一）信號采集

如今，BCI系統一般使用下述方式獲取信號：1.腦電圖是最常用的信號采集方法之一，根據電極帽中嵌入的電極電位變化獲取大腦信號；2.功能磁共振成像根據磁共振頭線圈采集大腦血流變化情況，反映各種精神活動相關信號，無法靠時間精度檢測，信號采集要求高，費用昂貴。3.皮層腦電圖需要將電極嵌入人腦中以采集相關數據，對特定最小幾何細節的辨識能力較好。4.功能近紅外光譜成像根據近紅外頭盔獲得感興趣的神經活動區域血液循環流動參數的改變特征，反映腦區的神經元活動、細胞能量代謝和血流動力學相關功能變化。上述數據獲取后應當進一步實施數據預處理，以取消基線漂移、生理干擾以及高頻噪聲等其他不需要的數據。

（二）特征提取

特征提取主要是從預處理后的腦電信號中提取能夠反映病患意圖的有用特征。然而，由于大腦信號錯綜復雜，不能局限于單一特征進行分類，而要從不同維度提取多個特征以挖掘更多有用的信息。需要注意的是，特征維度過多會造成維度災難，因此特征的重要性評估也是需要考慮的問題。

（三）特征分類

特征提取后緊接著是對特征進行分類，分類器作為分類識別的關鍵，接收來自提取后的特征，并將不同維度的特征解碼成大腦的各項復雜任務。研究中通常使用支持向量機、隨機森林、神經網絡、決策樹、深度學習等特征分類方法。

（四）外部控制設備

在機器層面進一步優化了人機互動，在眾多應用包含腦卒中康復應用中，智能輪椅、外骨骼機器人、機械臂、虛擬現實等依托外部控制系統實現腦卒中等神經肌肉受損患者的個性化的輔助康復訓練，激活病患肌肉神經組織康復過程的功能重建。

三、腦機接口技術在腦卒中康復診療領域的應用

（一）腦機接口與物理電、磁刺激結合的應用研究

劉莉莉、王玲、于峰[1]研究發現，腦電仿生電刺激是一種依據物理電流刺激病患處的療法，治療后可以促進急性缺血性腦卒中大腦局部血循環并開啟內源神經保護功能，幫助改善腦損傷。當結合新一代的Fourier M2康復訓練時，病人康復有效率明顯高于對照觀察組，表明該療法能有效改善腦卒中偏癱病患的大腦血流情況，有利于上肢運動功能的恢復，進一步提升患者生活品質。

張穎彬、莫林宏、聶憶秋等[2]通過設置rTMS治療與非認知功能藥物治療對照組，利用fNIRS輔助診療手段采集兩組病患前額葉大腦區域的數據，觀察相關腦區的血流動力學變化。實驗結果顯示，腦卒中后輕度認知功能障礙患者經高頻rTMS治療后氧合血紅蛋白濃度升高，有利于神經元活動、細胞能量代謝，提高腦卒中患者認知功能。

蔡偉強、李浩正、朱玉連等[3]對12位腦卒中后偏癱患者進行了腦部感興趣區的經顱磁刺激治療及偽刺激治療對照，經fNIRS輔助診療手段采集治療前后血流動力學數據進行靜息態腦神經網絡分析。結果顯示，患側M1區-健側SMA區的連通性加強，為該病后遺癥的改善乃至痊愈奠定研究條件。

孫文斌[4]研究發現，腦機接口技術的外部接口設備采用功能性電刺激能夠促進腦卒中上肢功能障礙患者肌肉收縮，實現大腦皮層功能適應性重塑。他提出一種基于傳統腦電信號的經驗模態分解算法聯合改進的獨立成分分析算法的去噪算法，再利用雙樹復小波變換進行特征提取，根據GA+Light GBM分類算法識別后，準確率最高約為88%且具有較小方差。因此，該康復系統能夠促進病患的上肢康復。

（二）腦機接口與運動想象結合的應用研究

胡義茜、高天昊、陸蓉蓉等[5]研究發現，經過不依賴外部設備的基于運動想象的腦機接口規范訓練20次后，具有手功能障礙的腦卒中病患能夠主動伸展10度，屈曲15度，肌張力相較以前有所改善。通過運動想象輕觸覺、視覺的輸入及反饋，促進腦功能重塑，康復訓練效果優于常規康復訓練，具有一定的臨床價值。

劉鴻鑫、劉曉旭、陳志天等[6]研究發現，治療組腦卒中后上肢功能障礙患者10例在運動想象治療4周和治療8周后，經對比該組臨床試驗結果的量表得分改善效果更顯著。同時，fNIRS輔助檢測技術顯示，隨著運動想象治療時間的推移，血氧濃度變化反映大腦皮質運動區和運動前區變為深紅色，意味著細胞代謝增強，大腦皮質興奮面積更大、程度更明顯，激活效果及功能改善更顯著。

任莎莎、程凱、許亮等[7]研究發現，陽極tDCS聯合MIT治療發揮協同增效作用，能夠激活相應腦區且治療效果優于其他對照組。這表明單一療法的治療有其局限性，二者的有機結合有利于大腦神經活動的可塑性。

周蘇健，王水良，劉小英等[8]研究發現，腦卒中的吞咽障礙在運動想象和腦機接口技術的康復治療下，根據不同患者的病情和病程，模仿正常人的吞咽過程，能夠更精準和規范地執行吞咽動作，改善吞咽效果。此研究為后續的臨床治療提供了更有說服力的依據。

高諾、陳鵬程[9]研究發現，利用腦機接口技術和虛擬現實環境融合能夠制定個性化康復治療方案。根據腦卒中后的手部患病特點差異化可以令手指活動范圍不局限于驅動方位，設置因人而異的游戲訓練任務，建立患者與康復系統的本體、運動感覺閉環反饋。該系統準確率高、安全便攜、透氣性好、穩定可靠，能夠改善腦功能重塑與腦神經重建。

陳鵬程[10]研究發現，將虛擬現實場景的康復訓練環境與人機交互的腦機接口技術相結合，通過基于小波變換和卷積神經網絡的腦電算法開展臨床、在線、離線實驗，結果顯示系統識別準確率高，能夠有效提升腦卒中患者手部功能障礙的康復訓練效果，并增強患者的主動康復意愿。

梁明[11]研究發現，虛擬現實任務導向訓練使腦卒中患者實現虛擬世界的物體交互，提高病患的主觀能動性，促進神經細胞修復再生，提高患側皮質運動神經元的興奮性，誘發患側CST不斷修復重建，提升患者偏癱肢體肌力，為腦卒中后偏癱恢復奠定良好的基礎。后期可配合反復肌肉耐力訓練增強運動能力，ADL評定得到有效改良。

孔德聞[12]研究發現，基于腦機接口和虛擬現實技術設計的腦卒中康復訓練系統，能夠利用3ds Max和Unity3D創建不同的虛擬場景進行訓練，并實時采集病患的腦電信號，反饋到虛擬環境人物以達到腦重塑和功能重組的目的。

四、結束語

“腦科學與類腦研究”催生新興腦智產業發展，在新時代背景以及國家政策加持下，基于腦機接口的腦卒中康復醫療研究具有廣闊的市場前景。腦機接口技術通過運動代償和康復訓練對腦卒中患者肢體運動障礙、意識障礙等康復治療效果顯著，目前可以滿足臨床需求，但仍存在普及率低、研發時間長等問題，未來需要進一步的研究與探討，特別是在產品落地和技術迭代創新方面。

作者單位：馮洋 金華高等研究院

武昊 金華開放大學

參考文獻

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