王　正，李柄佑，楊從敏，董　超，杜　亮，金榮疆

(1.成都中醫(yī)藥大學(xué)，四川 成都　610075；2. 成都軍區(qū)總醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，四川 成都　610083)

腦-機(jī)接口技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的潛在應(yīng)用研究進(jìn)展

王正1，李柄佑1，楊從敏1，董超2，杜亮1，金榮疆1

(1.成都中醫(yī)藥大學(xué)，四川 成都610075；2. 成都軍區(qū)總醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，四川 成都610083)

[摘要]本文主要通過介紹腦-機(jī)接口技術(shù)的基本概念、基本工作原理、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以期對(duì)其在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

[關(guān)鍵詞]腦-機(jī)接口;BCI技術(shù);康復(fù)醫(yī)學(xué);應(yīng)用

優(yōu)先數(shù)字出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1688.R.20160311.2143.028.html

2006年，第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)公布[1]，我國各類殘疾人總數(shù)為8 296萬人，占總?cè)丝诘?.34%。隨著國家對(duì)殘疾者的關(guān)懷以及殘疾者對(duì)生活質(zhì)量需求的提高，對(duì)我國康復(fù)醫(yī)學(xué)事業(yè)提出了新的要求。如何為數(shù)量龐大的殘疾者提供有效的幫助，使其功能障礙得到最大程度恢復(fù)，達(dá)到最終回歸家庭和社會(huì)的目的，是擺在康復(fù)醫(yī)學(xué)者面前的一個(gè)新難題。而腦-機(jī)接口技術(shù)可通過采集人腦的電信號(hào)，直接完成對(duì)輸出設(shè)備的操控，以實(shí)現(xiàn)殘疾者與外界社會(huì)的交流，從而為改善殘疾者的生存質(zhì)量提供了可能。本文通過查閱有關(guān)資料，對(duì)腦-機(jī)接口技術(shù)的基本概念、基本結(jié)構(gòu)、工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀以及在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的潛在應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1基本概念

BCI (brain-computer interface)也稱腦-機(jī)接口技術(shù)。1929年，Hans對(duì)人腦的電活動(dòng)進(jìn)行了相關(guān)描述，為腦-機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展奠定了初步基礎(chǔ)。1973年，腦-機(jī)接口技術(shù)開始形成[2]，主要包括神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的認(rèn)識(shí)和發(fā)展的進(jìn)一步深入，其研究得到快速發(fā)展。

1999年召開的第一次BCI國際會(huì)議，為BCI做出了定義[3]：“腦-計(jì)算機(jī)接口是一種無需依賴于正常的由外圍神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路的通訊系統(tǒng)”。即腦-機(jī)接口系統(tǒng)不經(jīng)過正常的周圍神經(jīng)和肌肉組織而重建傳出路徑，以達(dá)到人機(jī)之間或人同外界的通信交流[4]。

借由新的通信路徑，可從人腦提取電信號(hào)以直接操控輸出設(shè)備。也可把外部信息直接傳入人腦以刺激其特定部位完成調(diào)控行為活動(dòng)。腦-機(jī)接口系統(tǒng)可作為一種新興的康復(fù)治療的輔助系統(tǒng)，并可對(duì)多種疾病進(jìn)行康復(fù)治療[5-7]。其康復(fù)途徑主要有2種：(1)與外環(huán)境的互相交流達(dá)到重癥癱瘓患者某些功能的替代；(2)使大腦功能重塑以代償已喪失的功能。

2基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1腦-機(jī)接口系統(tǒng)的運(yùn)行條件腦-機(jī)接口系統(tǒng)的正常運(yùn)作需符合以下條件：(1)采自人腦的思維電信號(hào)必須是可靠的；(2)此信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)快速準(zhǔn)確地收集；(3)此信號(hào)分類明確。目前較為常用的可收集的人腦信號(hào)腦電圖(electroencephalogram，EEG)、腦磁圖(magnetoencephalography，EMG)和功能性核磁共振圖像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)等。

2.2腦-機(jī)接口系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)腦-機(jī)接口系統(tǒng)一般由輸入裝置、信號(hào)的處理轉(zhuǎn)換、輸出裝置和操作協(xié)議4部分構(gòu)成。輸入設(shè)備會(huì)選擇一定適合的方式采集包含某種特征性的人腦信號(hào)，進(jìn)行初步描述。信號(hào)處理是通過對(duì)已獲取的腦電信號(hào)進(jìn)行分析，從中提取能反映大腦皮質(zhì)神經(jīng)電生理活動(dòng)的具有特征性的信號(hào)參數(shù)，再通過特定的計(jì)算機(jī)運(yùn)算方式將其轉(zhuǎn)化為可以控制外部設(shè)備的命令。信號(hào)轉(zhuǎn)換是使經(jīng)處理后的特征性信號(hào)完成驅(qū)動(dòng)或者執(zhí)行操作命令，以達(dá)到對(duì)輸出設(shè)備的控制或輸出可以表達(dá)患者意圖的信號(hào)(如字母或者數(shù)字)，完成與外環(huán)境的交流。輸出裝置是按一定的方式把加工后得到的操作命令通過信號(hào)形式輸出并執(zhí)行。通過例如活動(dòng)指針、選擇字母或數(shù)字等方式輸出表達(dá)其意圖。操作協(xié)議會(huì)規(guī)定腦-機(jī)接口系統(tǒng)的開關(guān)方式、運(yùn)行方式、運(yùn)行時(shí)間、是否需要向使用者提供反饋及方式等內(nèi)容。神經(jīng)科學(xué)研究表明，在受試者受到外部刺激后或者在大腦產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)時(shí)，神經(jīng)系統(tǒng)的電生理活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，表現(xiàn)出某種節(jié)律性和空間分布。由此我們可以通過一定的手段(如腦電圖)將人腦的這種特征信號(hào)檢測(cè)出來，通過對(duì)其進(jìn)行分類和分析，明確該信號(hào)的意圖，利用計(jì)算機(jī)將其轉(zhuǎn)為可識(shí)別的命令信號(hào)，最后通過該命令信號(hào)直接控制外部裝置。簡(jiǎn)言之，腦-機(jī)接口技術(shù)工作的基本原理[8,3]是在沒有肌肉主動(dòng)收縮和外周神經(jīng)的參與，人腦直接對(duì)外環(huán)境進(jìn)行操控，達(dá)到與外界交流?；谝陨显?，在康復(fù)醫(yī)學(xué)中應(yīng)用腦-機(jī)接口技術(shù)有一定優(yōu)勢(shì)。

3發(fā)展及研究現(xiàn)狀

3.1國外研究現(xiàn)狀?yuàn)W地利Graz大學(xué)[9-10]的Graze-BCI技術(shù)在腦-機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展中占據(jù)十分重要的地位。德國Tuebingen大學(xué)[2]的研究人員研制成功了“思想翻譯器”。美國Wadsworth 中心[9-12]的科研人員研制了BCI的通用系統(tǒng)，為多個(gè)研究中心使用。美國佐治亞州立大學(xué)(Georgia State University，GSU)腦實(shí)驗(yàn)室[13]著重如何使腦-機(jī)接口技術(shù)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境付諸實(shí)施。尼爾鄉(xiāng)紳基金會(huì)(Neil Squire Foundation，NSF)[14]是加拿大的非盈利性組織，長期致力于服務(wù)殘疾人的BCI系統(tǒng)研究。

3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀清華大學(xué)[15]研發(fā)了基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的具有高傳輸速率的腦-機(jī)接口系統(tǒng)。上海交通大學(xué)[16]研究組實(shí)現(xiàn)了用思維操控汽車。浙江大學(xué)[17]通過顱內(nèi)植入電極的方式實(shí)現(xiàn)意念控制機(jī)械手。另有國防科技大學(xué)[18]、西安交通大學(xué)[19]、天津大學(xué)[20]、華東理工大學(xué)[21]、同濟(jì)大學(xué)[22]等科研單位開展了BCI多項(xiàng)研究。

4在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的潛在應(yīng)用

腦-機(jī)接口技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用系針對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如腦卒中、脊髓損傷、腦癱等。某些神經(jīng)肌肉嚴(yán)重障礙的進(jìn)展性疾病，如肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化病(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)、肌營養(yǎng)失調(diào)等造成的肢體運(yùn)動(dòng)功能嚴(yán)重障礙而有意識(shí)的患者[23]，不需要語言交流和身體運(yùn)動(dòng)而用人的思維活動(dòng)直接控制輸出裝置表達(dá)想法[24]。

現(xiàn)階段，康復(fù)醫(yī)學(xué)中腦-機(jī)接口技術(shù)的相關(guān)研究如下：(1)言語功能的康復(fù)。此研究可讓患者與外界交流的能力得到提高。有科研人員[25]研制了一種新型的通信設(shè)備——“思想轉(zhuǎn)換裝置”。借助相關(guān)設(shè)備可使受訓(xùn)人員完成對(duì)字母或單詞的選擇達(dá)到外界的交流；若受訓(xùn)人員不能進(jìn)行相關(guān)選擇，可讓其完成選擇“是”或“否”以完成交流。研究人員報(bào)道[26]基于語音想象的腦-機(jī)接口系統(tǒng)可以完成人腦與外界的交流。另有研究基于ERP模式構(gòu)建了一個(gè)虛擬鍵盤以“模擬閱讀”，以達(dá)到人機(jī)直接通信[27]。(2)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用[28]?，F(xiàn)階段，研究主要是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中腦-機(jī)接口系統(tǒng)的應(yīng)用。如網(wǎng)絡(luò)聊天、視訊對(duì)話等同外環(huán)境交流。已有科研人員發(fā)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可通過想象足的運(yùn)動(dòng)來控制向前移動(dòng)，且使用手持物件可使被試者增加移動(dòng)時(shí)的沉重感[29]?；蛴赡X電信號(hào)的命令完成在虛擬環(huán)境駕駛汽車[30]；研究人員還報(bào)道了1例使用腦-機(jī)接口系統(tǒng)的C5完全性損傷患者完成在虛擬環(huán)境中行走或控制神經(jīng)假體[31]。另有科研人員發(fā)現(xiàn)單側(cè)忽略患者使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以起到治療作用[32]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可提高受試者參與的積極性，以及提升BCI的使用性能[33]。(3)運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)。由腦-機(jī)接口系統(tǒng)完成信號(hào)的采集，經(jīng)處理和轉(zhuǎn)換后把操作命令直接傳給輸出設(shè)備執(zhí)行。即將人腦思維的命令信號(hào)直接輸出到其接受系統(tǒng)，如神經(jīng)假體、輪椅，完成運(yùn)動(dòng)功能，以代替外圍神經(jīng)已喪失的功能。可以用智能化假肢和基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的腦-機(jī)接口康復(fù)系統(tǒng)以完成運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)。有研究證實(shí)[34]腦機(jī)接口系統(tǒng)通過操控輔助設(shè)備可促進(jìn)患側(cè)肢體完成運(yùn)動(dòng)，且可以進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。有研究表明[35]，基于BCI系統(tǒng)的理論上驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)想象操控輪椅在4個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。有研究基于運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)的腦-機(jī)接口系統(tǒng)，5名脊髓小腦共濟(jì)失調(diào)患者經(jīng)訓(xùn)練可以使用腦-機(jī)接口系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)外部控制[36]。此外，科研人員對(duì)8名腦卒中患者通過訓(xùn)練，其中6人可控制安裝在癱瘓側(cè)的上肢假肢，完成抓、握動(dòng)作[37]。(4)作業(yè)能力的康復(fù)。有研究人員對(duì)腦-機(jī)接口技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用做了相關(guān)描述[38]。其可在特殊的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)活動(dòng)，如不需要人操控的汽車、飛機(jī)，在航天領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用[39]。傷殘者操控輔助器具完成基本的日常生活活動(dòng)、簡(jiǎn)單使用家電以提升生活質(zhì)量等。隨著腦-機(jī)接口技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)康復(fù)治療對(duì)殘疾人和老年人有著明顯優(yōu)勢(shì)，且在智能化、娛樂化等方面可以廣泛應(yīng)用[23]。既能豐富娛樂康復(fù)的方式，又促進(jìn)了日常生活能力康復(fù)的前景。(5)腦-機(jī)接口的綜合使用?？蒲腥藛T證實(shí)[40]，可用 BCI-FES對(duì)存在腦損傷的腦卒中患者進(jìn)行實(shí)用康復(fù)訓(xùn)練。有研究人員發(fā)現(xiàn)[41]腦-機(jī)接口技術(shù)控制的功能性電刺激康復(fù)系統(tǒng)，未來對(duì)于癱瘓的患者有一定的應(yīng)用前景。另有研究發(fā)現(xiàn)[42]，為幫助患者更好地控制腦-機(jī)接口系統(tǒng)，較為理想的訓(xùn)練方式是運(yùn)動(dòng)想象?；谶\(yùn)動(dòng)想象的BCI康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于卒中患者其上肢運(yùn)動(dòng)功能有主要幫助[43]。還有研究表明，基于BCI技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人技術(shù)可輔助患者完成肢體的運(yùn)動(dòng)[44]。

5結(jié)語

腦-機(jī)接口技術(shù)為豐富康復(fù)醫(yī)學(xué)的治療手段提供了新的技術(shù)支持和新的思路，正成為康復(fù)醫(yī)學(xué)的一個(gè)新亮點(diǎn)。其初衷旨在為嚴(yán)重殘疾者提供一種能與外界有效交流的新的媒介，為其提供一種新型的醫(yī)療輔助系統(tǒng)，為其康復(fù)治療提供一種新的選擇，為人類用思維活動(dòng)控制外部設(shè)備提供了新的嘗試。綜上，在康復(fù)醫(yī)學(xué)中應(yīng)用腦-機(jī)接口技術(shù)有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。

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通信作者：金榮疆，341765713@qq.com

[中圖分類號(hào)]R49

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

DOI:10.11851/j.issn.1673-1557.2016.03.005

(收稿日期：2015-08-28)