基于脑机接口技术的肢体康复研究进展

姜月，邹任玲

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093)

1 引 言

引起肢体运动障碍的原因有很多，如脑卒中、脑出血、脑外伤等，可致使患侧脑区控制对侧肢体运动的能力出现障碍，患者表现出偏瘫[1]；如运动神经元受损导致的肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)，患者四肢肌肉通常表现出萎缩无力和严重运动障碍[2]；此外还有脊髓损伤(spinal cord injury，SCI)[3]、闭锁综合征(locked-in syndrome，LIS)[4]等。如何使肢体功能受损的人群得到有效康复，提高生活能力和质量，是当前康复医学领域的研究热点。针对患者肢体康复训练，一般可分为运动疗法、物理疗法、作业疗法，三种方法从不同角度为患者提供康复手段。将20世纪70年代[5]形成的BCI运用于康复治疗是目前的研究热点，它很大程度上克服了其他康复手段的弊端，如传统康复器械给予的机械式训练，过程单调，缺少患者的主观反馈情况。而BCI可在人脑与计算机之间建立直接联系，通过解读患者的脑电信号(electroencephalogram，EEG)[6]，避开正常的神经-肌肉通路，相比于其他方式更注重患者的主观意图，顺应了康复领域发展的要求。

2 BCI应用于运动疗法康复

运动疗法是目前康复最普及的方法，通过进行主动或被动的动作使肢体得到锻炼，提高肌肉力量及关节活动度等[7]，对提高患者的肢体运动功能和日常生活活动(activities of daily living，ADL)能力[8]都具有积极意义。根据实现的功能及主要作用，可将BCI分为两种用于运动疗法中[9]。一是辅助性脑机接口，通过得到的控制信号对假肢或外骨骼(机械手、机械腿等)进行控制，实现训练动作或日常动作；二是康复性脑机接口，将动作情况以不同形式反馈给患者，激活其大脑神经可塑性，提高运动再学习能力[10]。

2.1 辅助性脑机接口

Guger等人[11]设计了基于左右手运动想象的BCI系统控制假肢动作，三组实验分析结果分别为90 %、82.5%和88.75%，成功率较高。Yahud等人[12]研制的BCI控制机械假手具有 16 个自由度，能够实现抓握圆柱体、捏钥匙，以及用两个手指夹取纸片、三个手指夹取鸡蛋这四个动作，手部的简单动作得以实现。Fok等人[13]研制的BCI控制手部矫正器实现了脑卒中患者的手部康复，考虑到患者患肢对侧的大脑运动皮层可能损伤而影响到正常运动脑电，利用了与患肢同侧的EEG，取得了较好效果。杨大鹏等人[14]提出了基于三种思维作业下的脑电控制假手的方法，用闭眼时α节律的功率提升来触发单次实验，实现了对三自由度假手的控制，离线实验时受试者进行虚拟计数、构思写信、复杂乘法三种思维作业，使用功率谱估计特征后的识别率见表1。程明等人[6]搭建了基于稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential，SSVEP)的BCI系统，使假肢能够做到倒水时的连续动作，即握住水杯、倒水、再将水杯放回原位及假肢复位。BCI对于上肢的研究相对较多，但缺点是实现的功能仍然较为固定单一，用于实际日常生活中仍需更多的动作多样性及灵活性。

张艳娜等人[15]基于事件相关同步(event-relatedsynchronization，ERS)和事件相关去同步(event-related desynchronization，ERD)现象的左右手运动想象EEG，分别运用单次和综合分类识别，其中单次分类识别率可达到80%左右，而采用综合分类可提高到86%，并能够控制下肢外骨骼进行屈和伸的动作，从而达到了下肢辅助训练的功能。BCI用于下肢康复的研究相对要少，仅进行单一的屈伸训练，康复效果有限，仍需要对系统加以不同的幅度、频率去配合患者主观思维意图，效果将更佳。

通过BCI对假肢的控制直接替代患者完成日常动作，提高自理能力；或是通过对外骨骼设备的控制辅助患者自身肢体进行训练，增强肌肉关节活动能力，均使BCI在运动疗法中得到了有效利用。

表1 3种思维作业下功率谱估计特征的识别正确率/%

2.2 康复性脑机接口

BCI促进患者运动功能康复的内在机制主要是中枢神经系统的可塑性。BCI系统可通过大脑与外界环境之间的交互实现功能替代，或是患者通过进行运动想象等思维作业促进大脑神经的重塑，实现功能代偿[16]。由于运动想象是重复性的，可反复刺激相关大脑运动皮质，从而提高损伤脑区的皮质激活状态[17-18]，激活运动区和感觉区的活动[19]。同时，这种神经功能重塑的过程也是运动再学习[20]的过程，通过对大脑的刺激与反馈使患者获得学习和强化，从而逐渐获得相关运动能力。将BCI用于康复治疗越早，患者的运动想象思维与所执行任务之间的匹配正确率越高，可塑性就越好[10,19]，康复训练效果也就越佳。

结合了其他技术的康复性BCI更具优点，其中一个重要技术是虚拟现实(virtual reality，VR)，它是指通过模拟产生三维空间的虚拟场景，让使用者身临其境[21]，结合到BCI当中可以提高患者参与训练的积极性与趣味性[22]。主要有两方面应用，一是用于系统的视觉反馈中，患者通过 VR 反馈可对自身训练状态进行调整；二是用于游戏娱乐中，患者利用脑电控制VR游戏中的目标，在激发患者积极性的同时有效促进神经重塑。

Tan[23]等人提出的BCI同步闭环康复系统，对Baxter机器人的双臂进行控制，同时VR 设备向用户进行视觉反馈。Leeb等人[3]基于患者足部运动想象EEG中的beta节律，实现了VR环境中的BCI轮椅控制系统，实验中受试者面对一个由多个人物间断设立的虚拟街道场景，要求从一个人物移动至下一个人物，并完成某些任务，直至街道尽头，环境的真实提高了患者的参与性。Muoz 等人[24]提出的BCI康复系统通过对患者EEG的分析以及动作 Kinematic 信号的捕捉，结合构造了脑kinect 界面(brain kinect interface，BKI)系统，设计出了几款VR康复游戏，该系统目前已在哥伦比亚的一个康复中心被使用，主要目标是脑卒中和脑外伤等后上肢瘫痪和平衡失调的患者。徐保国等人[25]设计的BCI上肢康复机器人利用3D肢体运动动画刺激患者运动想象，利用VR进行视觉反馈，同时控制机械臂动作。将BCI与VR技术相结合，身临其境的真实感调动了患者的主观能动性，提高了康复疗效，具有极大的应用前景。

3 BCI应用于物理疗法康复

物理疗法是运用电、磁、光等物理因子治疗[26]，常见的功能性电刺激(functional electrical stimulation，FES)就属于此疗法。将BCI应用于该疗法，主要是与FES相结合，形成BCI-FES。FES属于神经肌肉电刺激的范畴，利用程序设定的适当强度的低频脉冲，通过表面或皮下电极刺激目标肌肉使其收缩，促使肌肉动作以产生即时效应。利用BCI的输出命令控制 FES，融合了两者的优点，使康复效果得到有效提高。

李明芬等人[27]选取了脑卒中患者利用BCI-FES对上肢进行康复训练，通过观察训练前后执行运动想象任务的准确率及ERD情况，探讨了BCI-FES 在上肢康复中的可行性及机制，结果提示其对促进患者上肢功能康复具有显著疗效。寇程[28]通过分析μ节律的ERD/ERS能量变化情况，将BCI-FES与单纯FES对脑卒中患者慢性期大脑可塑性的影响进行了讨论，并利用Fugl-Meyer量表进行评定，比较了两者对运动功能恢复所起作用的大小，通过五个月的实验后，结果提示，基于运动想象的BCI-FES在改善患者运动功能疗效的方面要优于单纯FES，在提高患肢运动时大脑皮层激活正常化方面也同样要优于单纯FES。FES对瘫痪肌肉治疗虽具有直接性和即时性，但强度等参数都受治疗师主观控制，而BCI使患者主观意识得到重视，因此BCI-FES和BCI-VR这种混合式的系统，具有很大应用潜力。

4 BCI应用于作业能力康复

作业疗法是运用某些目的性的作业活动为手段，帮助患者提高自理、工作甚至娱乐等能力。以往残疾人对于家电的控制可以采用语音控制等方式，但是对于严重瘫痪的患者来说，这些方式甚至都将无法使用[32]。肢体运动障碍使患者日常生活中多种作业无法顺利完成，严重影响生活质量，而通过BCI利用脑电直接控制计算机，家电的开关，甚至汽车，将为患者带来诸多便利。

Rebsamen等人[33]针对对ALS患者的研究，利用P300信号开发了BCI轮椅控制系统，该轮椅主要适合在家庭、医院、办公室这类特定环境中使用，地图被预先设置并有不同地点的选项，用户通过注视目标选项引发P300电位，轮椅即可按预定义路径移动至相应目标。系统同时具有一定适应能力，可调整路径以避免障碍物的干扰。但缺点是使用范围受到限制，不够灵活，患者无法在日常中大范围使用。

Jonathan 等人[34]实现了屏幕上光标的控制。屏幕中出现目标区域后，患者通过脑电对中央出现的光标进行路径控制，光标进入目标区域则任务完成。虽然准确性和光标移动的灵活性仍待提高，但为BCI应用于计算机使用中提供了思路与基础，可为上肢无法自由操作鼠标键盘的患者实现上网带来希望。

Tobias 等人[35]研制了拼写功能的BCI系统，且具有的自校准和预测文本输入功能，比传统系统更好适应了用户需要。实验中，用户平均得分为3.84(满分为4分)，达到了较高的识别率。高上凯等人[36]开发的基于SSVEP的BCI系统可帮助残疾人拨打移动电话。患者进行通信交流的愿望得以实现。

邹鹤良等人[37]考虑到传统BCI多是实现某一种固定控制功能，被控对象较为单一，综合性较差，利用P300信号研制了一个综合控制平台，可控制多个对象，第一级界面是选择电视、电灯、字符输入三者之一，第二级界面是具体控制各个对象，这样的多选择控制平台更为实用方便。

对于作业能力的康复主要是直接实现生活、工作、娱乐等方面的目的，而非直接对患者肢体运动能力改善，因此肢体活动能力可能无法得到提高，但可直接为通信交流、控制家电提供便利。

5 结束语

BCI是一项多学科交叉融合的技术，与脑神经科学、计算机科学、生物医学工程、康复医学、信号处理等多种学科均有很大关联，目前将该技术应用于康复治疗的国内外研究，虽然已取得不少成果，但仍有许多地方待发展和完善。

目前大量研究成果都集中在上肢康复，对下肢运动障碍的患者而言，重建神经系统控制步行的能力，逐渐达到正常步态，对患者正常生活极为重要。对脑电信号处理中的预处理、特征提取和模式识别，优化改进出更佳的算法，提高识别准确度，使患者承受的失误降至最低。对于BCI系统控制和机械部分的设计，可增加多样性、灵活性。由于BCI由大脑活动信号控制，主观性极强，而患者的思维集中程度及认知能力不同，应对患者的认知能力进行评估和改善。此外，应不断改进出更加合理实用的实验范式。BCI的综合性与复杂性决定了目前仍存在许多亟待解决的问题，诸多潜在的应用价值仍有待发掘，随着精确性、可靠性、多样性的不断提升，将会为患者带来更多福音。