脑机接口技术在慢性脑卒中患者上肢康复中的研究进展

何艳，张通

1.首都医科大学康复医学院，北京市 100068；2.中国康复研究中心北京博爱医院，a.运动疗法科；b.神经康复科，北京市100068

脑卒中是全球成年人致残的主要原因之一[1]，超过85%的患者存在运动功能障碍，日常生活活动难以独立完成，导致生活质量下降[2]。慢性脑卒中患者的大脑会发生重组，有限使用受损半球，过度使用对侧半球，从而导致半球间抑制增加，阻碍损伤周围残存区域的兴奋性重组，不利于运动功能恢复[3]。

55%～75%慢性脑卒中患者存在上肢运动障碍[4]，而上肢功能是康复的主要目标[5]，治疗师要最大限度恢复患者上肢功能[6]。强制性运动疗法(constraint-induced movement therapy,CIMT)、作业治疗、虚拟现实和其他运动干预对轻、中度脑卒中患者都有一定效果[7]，但长期疗效存在一定争议[8-9]，且通常不适用于重度脑卒中患者，因为重度患者无法移动患肢进行运动训练，治疗效果不可预测[10-12]。这类患者能选择的治疗方法有限，在慢性期仍存在严重活动受限[10,13]。

激活患者大脑可塑性机制，促进受损神经元修复和再生，成为脑卒中康复的新趋势[14]。在这种情况下，脑机接口(braincomputer interface,BCI)技术应运而生。

1 BCI的机制

BCI 是刺激中枢和外周神经系统的有效方法，可帮助患者激活大脑可塑性机制[4]。BCI 将大脑信号转换成计算机指令，刺激瘫痪肢体，在大脑和肢体运动之间建立联系，激活神经可塑性[4]。对慢性重度脑卒中患者，BCI 可诱导神经系统任何水平信息通路重新连接或激活[3]，有望成为一种新的康复治疗方法。

2 BCI技术

BCI 无需外周神经和肌肉参与，将大脑活动产生的信号转换成控制信号，并利用这些信号控制外部设备[15]。BCI 记录、解码大脑信号，并将其转化为效应动作。几项随机对照试验显示[16-17]，基于脑电图等非侵入性技术的BCI 有助于完全瘫痪的脑卒中患者功能恢复。

2.1 信号采集

记录大脑活动的技术包括侵入性方法和非侵入性方法[3]。侵入性BCI 系统使用腔内微电极阵列(硬膜下电极或硬膜外电极)，用于机械臂的闭环控制和电刺激[18]。这些侵入性方法已在实验室取得部分成功[19]，但终身植入的有效性受到质疑[20]，全植入式装置正在开发中[19]。

非侵入性BCI 信号记录具有安全、便携和低成本的优点，通常采用脑电图技术。无线脑电图系统简化设置并减少移动产生的伪影，应用越来越广泛[21]。其他非侵入性方法还有脑磁图、功能磁共振成像(functional magnetic resonance,fMRI)和近红外光谱(near infrared spectrum instrument,NIRS)等[22]。

近年来已设计出混合脑机接口(hybrid brian computer interface,hBCI)，以克服传统BCI 的局限，提高解码精度和自由度[23]。但相关研究仍处于初级阶段[24]。

2.2 信号处理与解码

采集的大脑信号通过处理后，提取相关特征，转化为可用信息，用于控制外部设备。对BCI精度和效果影响最大的因素仍然是神经活动的记录[3]。侵入性方法有较高的信噪比，可以解码同一肢体的不同运动；非侵入性方法可以区分单一运动指令和静止指令[25]。最近的研究提出解码同一肢体不同运动的方法[26-27]，但它们在闭环场景中的整合尚待证明。

目前临床实践面临两个主要挑战，特别是在非侵入方法，信号特征会随时间而变化，以及人工活动会造成信号污染[27-28]，这些伪影可由BCI控制的设备产生[29]，也可由生理原因(如吞咽等)[30]产生。

2.3 设备控制

从脑电活动中解码的命令可以用于控制不同的康复设备，以诱导患者的功能恢复[31]。其中可以用机器人系统移动患者瘫痪的肢体，精确执行重复任务[32]。目前已出现数百种具有不同自由度和复杂度的机器人装置。通过脑电图控制的外骨骼机器人可用于控制患者的手[33]、上肢[31]，或者执行复杂的运动[34]。

2.4 BCI控制与学习

患者训练前需要学习如何控制BCI 系统；而学习控制BCI会产生大脑活动的变化，如大脑皮质慢电位和血氧水平依赖成像等的变化。还需要进一步研究，将神经生理学变化与运动功能恢复联系起来[33]。运动皮质包含同侧肢体状态的重要信息[35]，这对患者至关重要，因为对侧半球的活动可作为半球严重受损患者学习控制BCI的信号[36]。

3 BCI在慢性脑卒中患者上肢康复中的应用

2008年首次将BCI应用于脑卒中康复；2013年，第一个随机对照试验证明BCI 对完全瘫痪脑卒中患者的康复疗效[33]。之后，其他研究也得到类似结果[1,37-38]。

由于BCI的主要优势在于它可以为无运动残留的患者提供运动相关控制信号，因此大多数研究只招募处于慢性期的重度脑卒中患者[31,33,39-40]。在不同研究中，用于提供反馈的促动器各不相同，有的使用机器人或矫形装置[31,33,39]，有的使用电刺激[40]，有的仅使用视觉反馈。

干预强度每次30～90 min，每周3～5 次，持续2～8 周不等。Ramos-Murguialday 等[38]对慢性脑卒中患者进行每周5 次共4 周训练，上肢运动功能甚至得到长期改善。

大多数研究将Fugl-Meyer评定量表上肢部分作为主要疗效评定指标，发现BCI训练后运动功能改善[31,33,39]。BCI训练不仅可以改善上肢运动功能，包括手和手臂，还能在运动网络内诱导神经组织变化[41-42]。

3.1 BCI训练

目前，基于运动想象(motor imagery,MI)的BCI 训练(MIBCI)非常流行。Carvalho等[43]认为，利用脑电图的MI-BCI有望成为脑卒中患者新的康复方法。虽然很多随机对照试验证明慢性脑卒中患者接受MI-BCI 干预后运动功能改善，但仍不足以表明BCI 训练优于传统康复疗法。Ang 等[44]发现，利用脑电图的MI-BCI对脑卒中患者手腕和手部康复有效，但MI的积极作用不明显。这可能是由于MI-BCI 对患者的认知能力和注意力有严格要求。Cervera 等[45]的Meta 分析也提到，大多数研究的结果是积极的，少数研究有负面结果，BCI 训练对脑卒中患者上肢运动功能有中等或较大影响，但需要更大样本研究提高结果的可靠性。

Ramos-Murguialday 等[38]对重度慢性脑卒中患者(卒中6 个月后)进行BCI训练(试验组)和运动疗法训练(对照组)，训练后，试验组成功控制了同侧肢体的感觉运动节律(sensorimotor rhythm,SMR)去同步化，同时转化为固定在肢体上的机械臂运动，而对照组机械臂的运动随机发生，与患者SMR 去同步化无关。训练结束6 个月后，试验组Fugl-Meyer 评定量表评分持续改善，主要保留为手臂功能的评分；对照组评分无明显变化。家庭训练的频率/强度与运动功能间没有显著相关性。该研究表明，重度慢性脑卒中患者进行BCI训练后，成功促进运动功能恢复和与功能恢复相关的皮质重组，并引起运动功能的持久改善。但该研究样本量较少，虽然进行了功能恢复与病变部位的相关性分析，显示病变部位可能不是影响因素。进一步选择具有特定病变部位的患者，可以研究患者病变部位对BCI训练效果的影响。

Marin-Pardo 等[37]采用REINⅤENT 虚拟现实康复系统，利用基于脑电图的BCI 训练4 例腕部活动严重受限的慢性脑卒中患者(卒中6 个月后)，结果显示，所有患者都表示喜欢虚拟环境，肌肉得到充分激活，产生可检测的运动，临床评分也有提高，与先前报道的BCI 训练相当[46-47]。此外，训练诱发了大脑皮质变化。但由于样本量较小，不足以推广到较大人群中。

3.2 BCI训练与其他方法联合使用

当BCI 与机器人和电刺激相结合[31]时，治疗效果与传统物理疗法相似，尤其是在中重度患者[48]。重度慢性脑卒中患者可通过BCI检测运动意图，联合电刺激驱动手部肌肉收缩，改善患者手指伸展功能[49]。

将BCI 与其他训练方法联合使用，如基于脑电图的MIBCI 结合功能性电刺激(functional electric stimulation,FES)和作业疗法[40]，物理疗法和针灸疗法[43]，传统作业疗法[40-50]或机器人康复[31,33]，其中BCI 与物理疗法结合更具优势，不仅可促进功能恢复，对大脑激活模式正常化也有良好作用[50]。

4 小结

BCI 训练能成功应用于慢性脑卒中患者，使患者上肢运动功能产生有临床意义的改善[1]，并诱导神经组织重塑[41-42]，并使我们对大脑工作机制和神经可塑性机制的认识进一步加深[3]。

但BCI训练仍存在一些局限性。

首先，准确解码上肢各个自由度的运动，以提供更高的灵巧度和控制能力仍然是一个挑战[3]。尽管可植入电极可以准确解码运动意图，但侵入性BCI的接受度仍然较低，这主要与手术及术后并发症有关[51]。hBCI 能更好地将大脑和肌肉活动联系，已取得一定成果，但仍处于初步发展阶段，需要进一步试验评估其有效性[3]。

其次，并不是所有患者都能学会如何控制大脑活动，即使没有临床疾病，也需要进行大量研究预测谁可以控制BCI[37]。大多数脑卒中患者存在皮质下损伤，皮质回路保持完整，产生MI 的能力更好，但也可能干扰BCI 的控制能力[31,50]。皮质卒中患者进行BCI训练是否有同样效果也值得研究。

再次，BCI 技术是在对患者“读脑”和“控脑”，要注意规范相关伦理问题[52]。在家中自行管理BCI 也是一个重大挑战[37]。

BCI 在脑卒中康复中的应用研究有限，多数研究样本量小[5]。同时，缺乏对潜在机制的了解，有些训练任务远离日常生活活动[5]。异质性是脑卒中不可忽略的特征，很多研究没有对患者进行分层。对患者和治疗师施盲不太可能，设立只有一个关键变量被隔离的对照组几乎不可能。为了测试单一治疗的效果，研究团队应该协调起来，招募更多患者[53]，这意味着成本高昂的多中心和国际合作。

BCI 在慢性脑卒中患者上肢运动功能康复中有良好的应用前景。未来需要设计良好、大样本、国际多中心合作的临床研究，进一步研究BCI对慢性脑卒中患者上肢运动功能的疗效和机制。采用新的神经成像方法，开发家用便携式系统，增加个性化治疗[5]。

随着BCI应用的增加，还需要更多临床试验数据支持其在康复中的利弊，包括运动意图解码的准确性，确定BCI管理和有效性训练的指导方针，研究BCI技术的作用时间、频率、强度等。鼓励针对患者分层和量身定制治疗。BCI 训练影响神经系统的机制也有待进一步研究。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。