脑机接口在卒中患者上肢功能和手功能康复中的应用

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）

目前，卒中已成为继肿瘤、心血管疾病之后人类的第三大死因，且发病率呈逐年升高的趋势，幸存者常伴有不同程度的运动功能障碍，尤其是上肢功能和手功能，由于运动和中枢神经系统损伤，其恢复进程慢、效果差，已成为康复治疗研究的重、难点。随着人工智能、计算机科学、神经工程、认知科学等多学科的发展，脑机接口作为一项前沿、热门的中枢神经干预方法，逐渐被运用到卒中患者上肢功能和手功能康复中。本文以卒中患者为例，梳理了脑机接口在上肢功能和手功能康复中的应用情况。

1 脑机接口概述

1.1 概念及工作原理

脑机接口是一种不依赖外围神经和肌肉，在人脑与设备之间建立交流和控制的通信系统。该系统依托高性能的生物电信号采集装备和计算机算法，能够实时记录脑电波，然后通过一定的技术手段对采集到的脑电波进行解读，再利用计算机语言将其转换成控制语言或命令，以驱动外部设备。其主要由信号采集、特征提取、选择分类和设备控制4部分组成。其中，信号采集是脑机接口最为关键的一步，常用纯锡、纯银或不锈钢等材质的电极，通过植入式或半植入式等方式采集信号，然后经过放大和滤波等处理，再借助A/D 转换器将其转换为数字信号，输入计算机再处理得到控制口令或信息，需要注意的是，在采集过程中应保持室内安静，以最大限度降低外界环境对信号采集的影响。采集到的信号可能混有各种噪声和伪迹，为了确保信号的精度，在检测分析前，需进行预处理，经过预处理的信号还需进行特征提取，以去除无效信号，提取出与患者意图相关的、有用的信号特征量，常用的特征提取方法有小波变换、小波包分解，其中，小波包分解具有高稳定性、任意多尺度等优势，是目前脑电波信号提取应用最广、最有效的方法。选择分类是实现脑机接口功能最重要的一环，为了实现对外部设备的控制，需从初始特征中选择分类最佳的特征子集形成特征向量，输入给分类器区分，再输出对应的逻辑控制信号[1-2]，目前应用较多的分类器是人工神经网络，具有参数选择方便、分类准确度高等特点。设备控制是脑机接口的最后一环，经过处理的信号特征量被转换为控制命令，实现对外部设备的控制。

1.2 分类及作用机制

根据“侵入性”可将脑机接口分为侵入式脑机接口、半侵入式脑机接口和非侵入式脑机接口3类。其中，侵入式脑机接口是通过手术等方式将信号采集装置（电极）直接植入患者大脑皮层，以获得高强度、高质量的信号，但此种方式经济成本和安全风险均较高，极有可能引发免疫反应和脑胶质细胞结痂等炎症反应，从而导致信号质量下降。半侵入式脑机接口同样是通过手术方式植入电极，但电极处于颅腔内，未达到大脑皮层，相较于侵入式脑机接口，虽采集到的信号较弱，但免疫反应和炎症反应发生率均较低，安全系数较高。非侵入式脑机接口则无需手术，只需将电极附着在头皮上，虽记录到的信号强度较弱，但避免了昂贵的手术费用和不良反应的发生。

就目前的研究而言，脑机接口主要通过以下机制促进卒中患者上肢功能和手功能康复，即依托脑机接口解码患者脑电波，将其转换成控制命令或信号以驱动外部设备，通过对外部设备的控制辅助患者上肢和手进行训练，从而增强肩、肘、指和腕关节的活动能力；或利用脑机接口设备直接作用于大脑，通过运动想象等思维作业，反复刺激相关大脑皮层，从而增强神经元突触之间的联系，实现修复，使患者逐渐获得相关运动能力[3-4]。

2 脑机接口在卒中患者上肢功能和手功能康复中的应用

2.1 上肢功能方面

大脑具有一定的可塑性，能够通过反馈使功能得到加强。脑机接口能够直接对大脑中枢进行干预，从而激活大脑神经可塑性。有研究表明，通过接受脑机接口干预，卒中患者的大脑非对称性能有所改善[5-6]。而大脑非对称性能对患者功能康复有重要的影响，通过改善大脑非对称性能，能够有效促进患者上肢功能康复。任海和谢志明[7]以60例卒中偏瘫患者作为研究对象，探讨了脑机接口对其上肢功能康复的影响，结果显示，接受脑机接口干预的观察组的上肢Fugl-Meyer 运动功能评分、Wolf 运动功能评定量表评分、改良Barthel 指数评分均高于接受常规干预的对照组，表明脑机接口对促进卒中偏瘫患者上肢功能康复有重要意义。梁思捷等[8]通过对30例卒中患者进行脑机接口干预，发现患者的上肢功能和日常生活能力均有一定的改善。向宪文等[9]认为，脑机接口可显著改善卒中患者的上肢功能，但脑机接口涉及诸多医学伦理问题，在使用时需遵循隐私保护、知情同意等原则，以降低不良影响。此外，有研究表明，接受脑机接口干预的卒中患者中枢神经元兴奋性及注意力均有显著提高[10-11]，提示脑机接口对促进中枢神经系统功能恢复有重要意义；但脑电图波形易受脑脊液、颅骨以及外界环境的影响，而事件相关去同步化（event-related desynchronization，ERD）强度并不是一个十分完善的评价中枢神经系统神经元兴奋性的指标，还需进一步借助影像学技术进行深入探究。也有学者分析对比了脑机接口与神经肌肉电刺激的效果，发现两者在改善卒中偏瘫患者上肢运动功能方面具有明显的效果，但脑机接口更为有效[12]。由于卒中偏瘫患者大多处于痉挛状态，导致上肢肢体运动受限，而脑机接口康复训练可促使患者通过脑电信号直接控制神经肌肉电刺激仪，从而刺激上肢肌群，增强肌肉力量，帮助患者完成伸肘、抬手腕等动作，通过多次反复有规律地运动后，患者上肢肌肉和关节结合体组织的感官输入量增加，结缔组织蠕变亦增加，肌肉黏度减少，肌梭传入率增高，进而降低了肢体肌张力，促使上肢功能得到很好的恢复[13]。也有研究将脑机接口与经皮穴位电刺激疗法结合起来，经过8周干预，发现基于脑机接口的经皮穴位电刺激疗法的效果优于单纯经皮穴位电刺激疗法，患者上肢Fugl-Meyer 运动功能评分及上肢动作研究测试评分更高，并推测基于脑机接口的经皮穴位电刺激疗法有助于激活受损脑区，使其趋于健康人群的激活模式[14]，这也从侧面说明了脑机接口有助于卒中患者上肢功能康复。

2.2 手功能方面

手是人类创造世界的重要工具，也是日常生活、信息和情感交流的重要载体，具有运动和感官功能，能够进行许多精确的动作，包括提、拿、举、握、捶、按、抓等。相对于整个人体体积，手部所占的体积非常小，但手部运动在大脑皮层的投影区特别突出，大脑运动皮层约有1/3用来控制手和上肢[15]。按照美国永久性障碍分类标准，上肢功能占全身功能的60%，手指功能占上肢功能的90%[16]。因此，健康的手功能在人们的工作和日常生活中发挥着非常重要的作用。随着医学的进步，卒中患者的生存率不断提高，但后续的手功能问题却日益突出。手功能障碍是肢体功能障碍的重要组成部分，据报道，高达60%的患者在卒中发生后半年患侧手仍然处于活动受限状态[17]。因此，手功能康复成了卒中幸存者治疗的重、难点，传统的干预手段如冷疗、电刺激等耗时长、过程单调、缺少患者主动参与的刺激与反馈，康复效果有待提升。

脑机接口通过对脑电信号的实时监测和反馈，能够诱发患者主动意识，促使患者主动参与训练，进而达到神经功能重塑、手功能康复的目的。有学者通过对卒中患者的手功能康复进行研究，发现接受脑机接口干预的患者手腕部分得分显著高于常规组，且脑区激活情况明显强于常规组，认为在脑机接口的作用下，患者大脑神经可塑性进一步被激活，皮质得到重新塑造，从而使患者的手功能快速恢复[18]；但该研究样本量较少、手部功能评价指标单一，不足以完全说明脑机接口干预与患者手功能恢复的相关性。有研究表明，脑机接口识别率与患者手臂动作调查测试结果成正相关，并提出通过利用脑机接口的反馈和外部设备的反复训练，可促使患者产生正常的运动模式，从而间接促进正常的大脑信号产生，达到促进大脑皮质重塑的目的，最终使患者手臂动作及腕伸肌、腕屈肌等运动能力和控制水平提高[19]。值得注意的是，损伤后的神经重塑有正负性之分，为了促进大脑皮质重塑，需保证重塑干预措施的针对性和正效应，以免患者产生非意向动作。也有学者比较了脑机接口与传统训练对卒中患者手部抓握功能的影响，结果显示，观察组手指关节主动活动度显著优于对照组，尤其是拇指总主动关节活动度和示指总主动关节活动度；此外，该研究还利用Fugl-Meyer 运动功能评定量表和改良Barthel 指数分别比较了两组手指屈曲、伸展、钩状抓握、柱状抓握等功能以及日常进食、穿衣、洗澡等与手部功能有密切关系的活动，结果显示，干预后两组上述指标均有所改善，但观察组手功能评分明显高于对照组[20]，表明脑机接口训练能够更好地促进患者手功能康复，起到改善日常生活能力的作用。

3 未来展望

目前，虽然脑机接口在卒中康复医疗领域有巨大的应用前景，尤其是在卒中患者上肢功能和手功能恢复方面，但脑机接口的广泛应用还存在一定的挑战，主要体现在信号采集和医学伦理方面。脑机接口信号采集多采用非植入式，虽避免了手术风险和对患者的二次伤害，但受皮层复杂结构及外界环境的影响，导致采集到的信号可能不精准；而植入式采集具有较大的创伤和更高的风险，且费用昂贵；因此，如何兼顾信号精准度与风险成了目前脑机接口应用面临的重要问题。脑机接口相当于“读脑”，不仅具备采集患者已表达出来的隐私信息的能力，还具备采集各种仅储存在大脑的隐私信息的能力，因此，如何控制脑机接口仅提取对治疗相关的信息成了目前必须解决的问题[21-22]。此外，闭锁综合征患者作为脑机接口的重点应用对象之一，在对其应用该技术之前，如何解决知情同意权的问题也是目前临床关注的重点。

尽管脑机接口在短时间内面临上述各种暂无法完全解答的问题，但我们相信随着科学技术的发展以及各项制度的建立与完善，这些潜在的风险和伦理问题一定能够得到有效管控和处理，脑机接口一定会给人类带来更多机遇，为卒中患者上肢功能和手功能康复带来更多成果。