脑机接口在康复医学中的应用进展

梁文栋，郭晓辉（通信作者），程波，乐赞

深圳睿瀚医疗科技有限公司研发部 （广东深圳 518000）

据报道显示，约70%～80%的卒中幸存者遗留不同程度的功能障碍，且超过40%的患者丧失独立生活的能力，严重影响其日常生活和工作[1]。近年来，随着人口老龄化趋势的日益显著以及生活方式的改变，卒中发病率逐年上升，且发病年龄呈年轻化趋势，卒中后的康复治疗已经成为社会上广泛关注的问题。因此，做好卒中患者的康复治疗十分关键。而康复治疗往往离不开康复器械。目前，临床常用的康复器械包括上下肢关节康复器、康复行走移位机等，部分医疗机构配备天轨移位搭配训练设施，虽能在一定程度上改善患者的肢体功能，但仍有部分患者存在恢复速度慢、康复效果不理想等问题。随着科学技术的发展及人工智能技术的出现，以脑机接口为代表的可直接干预中枢神经的智能康复技术不断被研发出来并应用于临床康复中。脑机接口直接作用于大脑，可有效改善大脑神经的传导通路，使患者能够在不受周围神经和肌肉影响的情况下与周围环境进行交互，在充分发挥运动想象疗法作用的同时又增加了康复治疗的趣味性，目前已被广泛应用于航天、军事等领域。本研究通过梳理近年来的相关文献，阐述了脑机接口在康复医学中的应用进展。

1 脑机接口的工作原理

20世纪70年代初，美国加州大学洛杉矶分校的计算机科学教授雅克·维达尔（Jacques Vidal）首次提出了“脑机接口”这一名词[2]。经过数十年的发展，脑机接口已逐渐成为电脑通信技术的新种类之一。其基本原理是，人们使用脑机接口收集脑电信号，利用脑电信号控制电脑程序。目前，脑机接口技术已经取得了诸多突破并且在多个领域得到应用和推广，尤其是在康复医学领域。有研究表明，脑机接口可通过患者的运动想象来刺激大脑皮层相关区域，然后利用收集到的脑电信号来启动功能性电刺激，并以此来刺激受损的肌肉神经，患者可以利用此电刺激主动参与发力，以达到改善运动功能的效果。脑机接口的工作原理可以分为信号采集、信号处理、控制设备和反馈4个部分（见图1）。具体如下。

图1 脑机接口基本构架

1.1 信号采集

信号采集是实现脑机接口技术较为关键的一步，根据采集方式，可分为非侵入式、侵入式和半侵入式。非侵入式信号采集是指患者头戴电极帽对大脑信息进行采集。该方式操作简单、风险较低，但由于颅骨对大脑信号的衰减作用以及神经元发出的电磁波模糊效应，该方式记录到的信号强度不高，信号的空间分辨率较差，且不能有效利用高频信号，很难准确捕捉信号发出脑区及相关神经元活动。侵入式信号采集是通过手术将信号采集设备植入大脑皮层，以获得高强度、高分辨率的神经信号。该方式具有高精确率、高采样率、高自由度等优势，但属于侵入性操作，可能会引发免疫反应[3]。半侵入式信号采集是将信号采集设备植入大脑皮层与头皮之间，采集的信号质量介于非侵入式和侵入式之间，手术风险较小，发生免疫反应的风险较低。

1.2 信号处理

信号处理包括预处理、特征提取和分类识别。采集到的信号可能会受到肌电、设备等的干扰，需要通过预处理达到降噪的目的，常用的方法包括通道选择、空间滤波器等。特征提取是根据预先设定的需求（如振幅、频率、频谱相关性等），将经过预处理的信号提取出来，并转换为紧凑的数据形式，以此组成表征信号的特征向量。常用方法包括小波变换、维格纳分布、时频法、时域法等[4]。

1.3 设备控制

设备控制是指通过信号处理解码脑电活动命令，并用于控制不同设备，以诱导患者的功能恢复。根据功能的不同可将控制设备分为“功能辅助”“功能恢复”“功能增强”3 类[5]。其中，功能辅助主要帮助患者实现对外界的控制和交流；功能恢复主要帮助患者恢复丧失功能；功能增强不仅局限于康复医学，在军事、教育、航天等领域也有广阔的应用前景，主要用于实现机能的拓展及强化。

1.4 反馈环节

反馈环节实际上是一个调整磨合的过程。在此环节中，患者通过感应外界环境的响应，进而调整大脑活动状态，以达到良好的人机交互，但此环节十分复杂，涉及触觉、听觉、味觉、嗅觉和视觉等，相关技术还有待进一步的提升和突破。

2 脑机接口在康复医学中的应用

2.1 上肢康复方面

促进卒中患者上肢功能康复的关键是恢复患者大脑神经元的可塑性，而脑机接口可通过“恢复”和“替代”两种方法诱导中枢神经系统的可塑性重建，从而促进患者肢体功能的康复。有研究表明，利用脑机接口对患者进行康复训练，能够使其产生更正常的大脑活动，并借助这些大脑活动来激活辅助运动设备，从而激活患侧运动相关的脑区，促进中枢神经系统的重塑，并最终达到康复治疗的目的[6]。唐千乇和张通[7]研究发现，接受脑机接口控制的功能性电刺激治疗的卒中患者的患侧肘关节反应时间、事件相关去同步化（event related desynchronization，ERD）强度、Fugl-Meyer 上肢评定量表评分及改良Barthel 指数均优于接受单纯功能性电刺激治疗的患者，表明脑机接口可激活大脑神经的可塑性，促进中枢神经系统重构，并促使患者主动参与康复训练。另外，有研究发现，接受脑机接口康复训练不仅可增强卒中患者的运动认知程度，且可明显提高其上肢功能[8]。

2.2 下肢康复方面

下肢主要用于支撑体重和行走。卒中后肢体功能障碍尤其是下肢运动障碍不仅给患者生活质量造成影响，而且也给其家庭带来极大的精神和经济负担。因此，促进卒中患者的肢体功能恢复尤其是下肢功能恢复具有重要意义。有研究证明，与传统的康复手段相比，脑机接口训练结合智能算法，能够自动感应患者的训练完成情况并主动给予干预[9]。方文垚等[10]对40例卒中患者进行研究发现，接受常规康复训练的对照组治疗后的Fugl-Meyer 下肢评定量表评分低于接受脑机接口康复训练的观察组，且徒手肌力评估（manual muscle test，MMT）评分亦低于观察组，因此该研究认为脑机接口康复训练对提高卒中患者的下肢运动功能、平衡功能具有积极作用，可帮助患者提升生活自理能力、重返社会。

2.3 意识评估方面

脑机接口亦可用于患者的意识评估，即可通过脑机接口验证意识障碍患者是否存在意识。传统的意识障碍评估主要依靠行为学量表，但该方式极易将微意识状态诊断为植物状态或无反应觉醒综合征，误诊率高达40%[11]。而脑机接口能将大脑信号中与遵嘱反应相关的特定成分筛选出来，当作意识存在的证据，并以此区分植物状态、无反应觉醒综合征及闭锁综合征。有研究提出，脑机接口作为意识评估的一种补充方法，可弥补仅用昏迷恢复量表（coma recovery scale-revised，CRS–R）评估意识的不足[12]。

2.4 运动想象能力方面

卒中偏瘫患者使用脑机接口进行康复训练，不仅能促进其上肢及手部运动功能的恢复，同时还能增强其运动想象能力。运动想象是指患者在脑海中反复模拟运动动作而不需要在现实中进行运动，可有效刺激患者的大脑皮层，从而帮助患者快速恢复运动功能。在开展运动想象训练时，患者可通过虚拟现实（virtual reality，VR）视频方式不断模拟运动，并通过大量多次的运动想象来启动神经肌肉电刺激仪，最终使得上肢肌肉神经得到电刺激并开始逐渐恢复。该训练方式会让患者在无形之中提高自身的运动想象能力。有研究发现，接受脑机接口康复训练的卒中偏瘫患者（观察组）的运动觉和视觉想象问卷（the kinesthetic and visual imagery questionnaire，KVIQ）评分显著提升，而接受常规训练的对照组的评分提高较为缓慢；在经过6～8周的训练后，两组间上述评分差异更为明显[13]。另有相关研究表明，运动想象训练能有效促进卒中患者上肢运动功能的恢复[14]。可见，提升患者的运动想象能力对于促进患者肢体运动功能的恢复具有显著效果。

2.5 其他方面

2.5.1 缓解疼痛方面

目前，对于脑机接口在缓解患者疼痛方面的研究还不透彻。有学者通过对脊髓损伤患者的研究发现，接受4个月脑机接口训练的脊髓损伤患者损伤后持续性神经病理性疼痛的视觉模拟评分法（visual analogue scale，VAS）评分从8分降至5分，因此认为脑机接口可缓解患者的持续神经性疼痛[15]。

2.5.2 日常生活能力方面

有研究发现，脑机接口训练对提高患者的日常生活能力具有积极作用[16]。脑机接口训练可提升患者的运动想象能力，进而激活大脑皮层，进一步改善肢体功能，最终反映到患者的日常生活中，即患者的吃饭、穿衣、洗澡、梳头、洗脸、做饭等日常生活能力进一步增强。

2.5.3 患者心理及康复参与方面

以卒中患者为例，疾病会影响到患者的心理状态，使其抵触康复训练、产生回避心理，而患者的心理状态与参与度会对康复效果产生直接影响。脑机接口通过虚拟技术使患者模拟健康状态下的肢体运动，从而可慢慢消除其负面情绪，加快康复进度[17]。有研究表明，脑机接口康复训练结束后，试验组患者的焦虑自评量表（self-rating anxiety scale，SAS）、抑 郁 自 评 量 表（self-rating depression scale，SDS）评分均低于对照组，且康复参与量评分高于对照组[18]。由此可见，脑机接口康复训练不仅可以改善患者的焦虑、恐惧等不良情绪，还可提高其康复参与度，促使患者由原来的被动治疗过渡到主动治疗。

2.5.4 不良反应方面

有研究发现，个别患者在进行脑机接口康复训练过程中仅会出现大脑疲劳、头部不适等轻微不良反应，休息后可以明显缓解，且并无其他不良反应出现[19-20]。由此可见，脑机接口的安全性较好。

3 脑机接口面临的挑战

脑机接口在康复医学领域展现出巨大的潜力，但当前的脑机接口康复系统仍处于初期应用阶段，距离市场化、大规模推广还有很长一段时间，在理论技术、硬件设备、神经机理等方面还存在一定的挑战，具体如下。（1）易受外界环境影响：当外界出现噪声等干扰时，采集到的脑电信号可能不精准。（2）不具有普遍适应性：不同患者的脑电信号差异大，现有脑机接口系统无法满足所有患者的需求，在使用前需对系统进行重新校准。（3）信号采集设备局限：非侵入式采集设备采集到的信号精准度差，侵入式采集流程烦琐、风险较高，因此，开发更高效便捷、安全性好、风险低、精确度高的采集方式是目前研究的重点之一[21]。（4）效率提升方面：脑机接口是人机交互的过程，患者自身健康状况、认知水平与脑机接口工作效率密切相关，因此，如何提升低认知水平患者的脑机接口效率是一个重要工程。（5）伦理方面：脑机接口的本质是打通机器与人的大脑思维之间的通路，最终实现人机融合，必然会将大脑所思所想即患者隐私暴露出来，具有一定的伦理风险[22]。

4 小结

脑机接口为恢复和增强人类能力打开了新世界的大门，在康复医学领域具有重要的应用前景，尽管目前还存在诸多挑战，但我们相信随着神经科学、传感器技术、人工智能等技术的发展，脑机接口技术未来将会拥有更多的突破。