蔣仕琪 田淑華 李夢(mèng)曉 金榮疆

腦-機(jī)接口(brain-computer interface，BCI)技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種電腦通訊系統(tǒng)，是一種不依賴于大腦-外周神經(jīng)與肌肉正常輸出通道的控制系統(tǒng)，通過(guò)采集和分析人腦生物信號(hào)，在人腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備間建立起直接交流或控制的通道[1]。BCI技術(shù)能夠幫助嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者實(shí)現(xiàn)直接與外界的交流。BCI技術(shù)常融合一些認(rèn)知任務(wù)來(lái)誘導(dǎo)大腦的神經(jīng)可塑性，幫助患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能[2]。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的患者，在肢體運(yùn)動(dòng)功能上有明顯的障礙。卒中發(fā)病后在急性期進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，部分患者可自行恢復(fù)且效果良好，但在后遺癥期，傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練效果則不明顯，患者自行恢復(fù)能力顯著降低，尤其是上肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)等問(wèn)題[3]。脊髓損傷的患者常常表現(xiàn)為四肢癱，上下肢運(yùn)動(dòng)功能不同程度的下降，而傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練往往達(dá)不到效果。因而，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后不斷尋求新的康復(fù)訓(xùn)練方法顯得格外重要?；诖?，筆者就BCI技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷患者康復(fù)訓(xùn)練的研究進(jìn)展綜述如下。

1 BCI技術(shù)及其工作原理

BCI是一種通訊設(shè)備，通過(guò)提取患者的腦電信號(hào)，分析患者腦電信號(hào)的特點(diǎn)，將此轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的語(yǔ)言，作為指令輸出來(lái)控制周?chē)沫h(huán)境[4]。BCI有一套完整的系統(tǒng)[5]，其中包括三要素：第一，將特定的神經(jīng)電活動(dòng)信號(hào)編輯成為BCI控制信號(hào)；第二，BCI控制訓(xùn)練可誘發(fā)受損大腦皮質(zhì)重塑，重塑后皮質(zhì)又能使控制訓(xùn)練的能力提高；第三，需有充足的時(shí)間和空間分辨率的神經(jīng)電信號(hào)記錄方法。其次BCI工作系統(tǒng)也包括信號(hào)收集、信號(hào)檢測(cè)、解碼翻譯和輸出設(shè)備等4個(gè)組件。

信號(hào)收集和檢測(cè)是將提取的大腦信號(hào)放大、濾波等過(guò)程，進(jìn)行特征提取及分類(lèi)處理。解碼翻譯是BCI工作的核心環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)處理的電信號(hào)解碼后形成輸出指令，并且這種解碼能夠適應(yīng)人體大腦變化和周?chē)h(huán)境變化，從而及時(shí)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)整改變[6]。很大程度上BCI的應(yīng)用基于腦組織可以通過(guò)軸突發(fā)芽、軸突數(shù)量增加、離子通道改變、潛伏通路的啟用及未受損組織的代償?shù)确绞竭M(jìn)行功能重組[7]。近年來(lái)，BCI又與其他新技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的康復(fù)，其中機(jī)械假肢、機(jī)械矯形器、功能電刺激和康復(fù)機(jī)器人等均已經(jīng)成為其常用的輸出設(shè)備[8]。

BCI根據(jù)信號(hào)收集和檢測(cè)的途徑不同[9-10]，可分為基于腦電信號(hào)的BCI和基于腦活動(dòng)代謝信號(hào)的BCI。前者可分為植入式BCI和非植入式BCI。植入式BCI的信號(hào)來(lái)源可以是腦神經(jīng)元峰電位、細(xì)胞外局部場(chǎng)電位或皮質(zhì)電位；而非植入式BCI目前的研究熱點(diǎn)是基于表面腦電的BCI(electroencephalogram-BCI，EEG-BCI)和基于腦磁圖的BCI(magnetoencephalography-BCI，MEG-BCI)。前者的信號(hào)來(lái)源可以是P300電位、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)波和慢波皮質(zhì)電位。基于腦活動(dòng)代謝信號(hào)的BCI包括基于近紅外光譜的BCI和基于功能性磁共振的BCI(functional magnetic resonance imaging-BCI，F(xiàn)MRI-BCI)等。

2 BCI技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷中的康復(fù)應(yīng)用

2.1 BCI技術(shù)在卒中后肢體運(yùn)動(dòng)中的康復(fù)應(yīng)用腦卒中發(fā)病急性期患者的受損運(yùn)動(dòng)功能區(qū)可有部分的自發(fā)性恢復(fù)，而慢性期腦卒中患者受損運(yùn)動(dòng)功能自發(fā)性恢復(fù)的可能性則會(huì)降低，只能通過(guò)一些特殊康復(fù)治療及訓(xùn)練來(lái)促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)[11]。卒中后肢體運(yùn)動(dòng)障礙明顯，常常表現(xiàn)為上肢屈肌痙攣，下肢伸肌痙攣，粗大不協(xié)調(diào)的肢體運(yùn)動(dòng)極大的影響了患者的日常生活能力。BCI[12]將采集的相關(guān)信號(hào)處理轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)給患者，同時(shí)控制信息經(jīng)脊髓和外周神經(jīng)傳遞給肢體，通過(guò)這樣的重復(fù)訓(xùn)練控制大腦信號(hào)，逐漸形成趨于正常狀態(tài)的皮質(zhì)激活，具有恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)模式的潛力。

在對(duì)BCI改善肢體運(yùn)動(dòng)功能的研究中，Prasad等[13]報(bào)道了5例卒中慢性期上肢處于嚴(yán)重癱瘓的患者，均接受6周的基于運(yùn)動(dòng)想象的BCI訓(xùn)練并結(jié)合每天常規(guī)運(yùn)動(dòng)療法訓(xùn)練后，所有患者的上肢動(dòng)作研究測(cè)試(action research arm test，ARAT)評(píng)分和手的抓握能力均有明顯提高。Caria等[14]對(duì)1例老年慢性期卒中患者進(jìn)行14個(gè)月的傳統(tǒng)訓(xùn)練，患者的上肢和手仍處于嚴(yán)重癱瘓，佩戴機(jī)械手屈伸支具進(jìn)行4周基于MEG-BCI訓(xùn)練，再佩戴上肢機(jī)械臂進(jìn)行4周的EEG-BCI訓(xùn)練后，患者的上肢Fugl-Meyer量表評(píng)分、Wolf運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分、改良Ashworth評(píng)分和GAS評(píng)分(goal attainment score)均有提高。

Young等[15]報(bào)道9例卒中后經(jīng)過(guò)6周上肢EEG-BCI訓(xùn)練的患者，應(yīng)用FMRI進(jìn)行評(píng)估，證實(shí)患者訓(xùn)練前后一些腦區(qū)間連接強(qiáng)度明顯增強(qiáng)(P＜0.05)，與ARAT評(píng)分、九孔柱測(cè)試和日常生活活動(dòng)能力評(píng)分增加呈正相關(guān)(r分別為0.851、0.677、0.686，均P＜0.05)。Kim等[16]將30例首次患卒中的患者隨機(jī)分為試驗(yàn)組和對(duì)照組，試驗(yàn)組進(jìn)行基于運(yùn)動(dòng)想象的BCI-FES訓(xùn)練，對(duì)照組進(jìn)行傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練。經(jīng)過(guò)4周治療，試驗(yàn)組患者的上肢關(guān)節(jié)活動(dòng)度(尤其是腕關(guān)節(jié)背伸)、上肢Fugl-Meyer量表評(píng)分和改良Barthel指數(shù)評(píng)分均明顯高于對(duì)照組，提示BCI-FES對(duì)卒中后患者上肢功能恢復(fù)有顯著效果。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的患者，尤其是卒中后恢復(fù)期的患者，往往面臨平衡功能障礙[17]。平衡的建立是依靠患者的肌肉骨骼、神經(jīng)系統(tǒng)和軀體感覺(jué)輸入共同作用的結(jié)果[18]。卒中后偏癱可引起肌張力的變化，進(jìn)而影響平衡及步態(tài)。近年來(lái)[19]，國(guó)內(nèi)外也研制出很多可以改善平衡功能的新的康復(fù)儀器，BCI就是其中之一。

Chung等[20]將10例卒中患者分為兩組，試驗(yàn)組5例患者采用BCI-FES進(jìn)行踝背屈訓(xùn)練，對(duì)照組5例患者只進(jìn)行FES的踝背屈訓(xùn)練。治療5 d后，試驗(yàn)組患者療效優(yōu)于對(duì)照組(P＜0.05)，提示BCI-FES訓(xùn)練優(yōu)于單純性FES訓(xùn)練。McCrimmon等[21]對(duì)29例慢性期卒中患者進(jìn)行報(bào)道，經(jīng)過(guò)4周的EEG-BCI-FES訓(xùn)練踝背屈后，患者的踝背屈角度和下肢Fugl-Meyer量表評(píng)分明顯提高。研究表明[22]將功能近紅外光譜的BCI用于步行訓(xùn)練，為以后卒中患者的步態(tài)矯正也提供了新的空間。

2.2 BCI技術(shù)在卒中后意識(shí)障礙的康復(fù)應(yīng)用 腦卒中的患者有不同程度的意識(shí)障礙，嚴(yán)重者可出現(xiàn)昏迷、植物狀態(tài)等[23]。BCI[24-25]技術(shù)給患者設(shè)置了一個(gè)相關(guān)任務(wù)，從混合聽(tīng)覺(jué)序列中數(shù)出自己的名字，即將他人的名字作為標(biāo)準(zhǔn)刺激，將自己的名字作為偏差刺激，其中5例MCS患者聽(tīng)到自己的名字時(shí)，出現(xiàn)了的P300電位，4例MCS患者聽(tīng)到他人的名字時(shí)出現(xiàn)了更明顯的P300，其余5例MCS患者和所有植物狀態(tài)患者均未出現(xiàn)任務(wù)相關(guān)的P300，說(shuō)明MCS組的意識(shí)狀態(tài)明顯優(yōu)于植物狀態(tài)組，這里需要說(shuō)明的是，P300是在偏差刺激后300 ms左右出現(xiàn)的正波，可分為P3a和P3b兩個(gè)成分，經(jīng)典的P300又被稱為P3b，目前EEG-BCI用于意識(shí)障礙患者的研究多采用P3b成分。

Cruse等[26]則利用SMP-BCI對(duì)23例MCS患者進(jìn)行研究，相關(guān)任務(wù)是想象緊握右手和擺動(dòng)腳趾，結(jié)果有5例(22%)患者完成了命令跟隨，出現(xiàn)了SMP阻滯或消失現(xiàn)象，提示部分意識(shí)障礙患者可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)想象的方式表達(dá)意圖，完成簡(jiǎn)單交流，建立一種新的范式。李明芬等[27]認(rèn)為基于運(yùn)動(dòng)想象的BCI康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于卒中患者處理運(yùn)動(dòng)相關(guān)的認(rèn)知時(shí)間的改善，認(rèn)知程度的增強(qiáng)，是提高腦卒中患者恢復(fù)的一個(gè)重要因素。

3 BCI技術(shù)在脊髓損傷患者中的康復(fù)應(yīng)用

脊髓損傷后對(duì)患者日常生活影響最大的是運(yùn)動(dòng)和排尿功能。下肢的運(yùn)動(dòng)功能直接影響患者的站立、步行、回歸家庭和社會(huì)的廣度與深度，以及對(duì)生活的信心和生命質(zhì)量。因此重建下肢功能對(duì)脊髓損傷患者來(lái)說(shuō)意義重大。

對(duì)大腦可塑性的研究被認(rèn)為是腦-機(jī)技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。腦工作模式的識(shí)別[28-29]、運(yùn)動(dòng)控制的腦電信號(hào)特征(EEG)、運(yùn)動(dòng)適應(yīng)過(guò)程中腦的區(qū)域活動(dòng)特點(diǎn)、腦信息表達(dá)和腦-機(jī)交互等方面的深入研究，使基于腦運(yùn)動(dòng)生理信息的康復(fù)策略的形成成為可能。將BCI技術(shù)和功能性電刺激結(jié)合[30]，運(yùn)用BCI技術(shù)控制實(shí)施電刺激，解決了電刺激技術(shù)對(duì)刺激信號(hào)本身控制的問(wèn)題。對(duì)脊髓高位完全損傷的患者可以運(yùn)用BCI提取腦部信號(hào)，直接實(shí)施刺激以實(shí)現(xiàn)站立、行走等功能[31]。這既推動(dòng)BCI進(jìn)入實(shí)用階段，又可以提高FES的可靠性和可操作性，對(duì)康復(fù)治療的臨床實(shí)踐將產(chǎn)生重要影響?；贓EG信號(hào)的BCI系統(tǒng)采用植入式神經(jīng)假體能有效促進(jìn)癱瘓肢體的運(yùn)動(dòng)功能，BCI系統(tǒng)為那些高位頸髓損傷患者，提供語(yǔ)言交流和環(huán)境控制途徑，提高其生存質(zhì)量[32]。

4 BCI技術(shù)在閉鎖綜合征(LIS)當(dāng)中的康復(fù)應(yīng)用

LIS多為雙側(cè)腦橋基底部血管病變所致，常出現(xiàn)雙側(cè)中樞性面舌癱和四肢癱[33]。近年來(lái)，BCI技術(shù)在LIS的治療中扮演著越來(lái)越重要的角色。

Sellers等[34]報(bào)道了1例腦干卒中所致LIS的68歲男性患者，利用P300-Speller-BCI成功完成交流的研究。值得一提的是，300-Speller是目前較為廣泛應(yīng)用的腦-機(jī)信息交互轉(zhuǎn)化范式之一。當(dāng)視覺(jué)靶刺激誘發(fā)出P300電位，經(jīng)過(guò)BCI轉(zhuǎn)化處理，識(shí)別出P300所出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，重復(fù)這一過(guò)程使患者完成信息交流[35]。針對(duì)視覺(jué)受損或眼球運(yùn)動(dòng)控制能力下降的LIS患者，也逐漸研發(fā)出了基于聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位的BCI，從視野范圍拓展到全方位空間信息，有利于重度四肢癱瘓患者的信息交流。Chaudhary和Birbaumer[36]也證實(shí)了將P300-Speller-BCI訓(xùn)練用于LIS患者的可行性。

5 思考與展望

我國(guó)已成為卒中發(fā)病率的大國(guó)，且發(fā)病率逐年上升，患者在傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練中，更加追求新的康復(fù)技術(shù)。BCI技術(shù)為患者提供一種新的與外界交流的方式，通過(guò)腦電信號(hào)直接控制外接設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練，表達(dá)思想意圖。在大腦可塑性的基礎(chǔ)上這一技術(shù)的實(shí)施給患者帶去了康復(fù)的希望。但在BCI快速發(fā)展的同時(shí)，仍有問(wèn)題需要解決：①BCI傳送速度較慢。②BCI設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，容易受到外界的干擾，尤其是在對(duì)患者進(jìn)行治療時(shí)，發(fā)送的電信號(hào)可能會(huì)因?yàn)榛颊叩囊宦暱人远挥绊?。③目前腦-機(jī)技術(shù)大多存在于理工科院校，還沒(méi)有真正意義上和醫(yī)學(xué)院校進(jìn)行合作，雖然近年來(lái)對(duì)BCI研究的熱度持續(xù)不下，但臨床上的研究標(biāo)準(zhǔn)得不到統(tǒng)一。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后對(duì)BCI的研究可從上述幾個(gè)方面進(jìn)行拓展，使BCI技術(shù)將不斷提高，為提高患者的康復(fù)治療效果而不斷進(jìn)步。

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