付佳鈺，王麗平

(北京大學(xué)第三醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，北京 100191)

全球神經(jīng)疾病負擔(dān)研究報告顯示，中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害是目前致殘性疾病的首要原因，給患者、家庭及國家均帶來巨大負擔(dān)[1]。由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)難以再生，因此神經(jīng)損傷可導(dǎo)致患者全身多個系統(tǒng)的終生傷害，具體表現(xiàn)為運動、言語功能等嚴重喪失，而認知功能相對完好，嚴重影響患者的生存質(zhì)量。目前，針對致殘性神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療和康復(fù)方法較少[2]。1973年，Vidal[3]首次提出了腦機接口(brain computer interface，BCI) 技術(shù)，即通過在大腦與計算機或其他電子設(shè)備之間構(gòu)建全新的信號通路實現(xiàn)腦-機控制，幫助神經(jīng)通路損傷患者實現(xiàn)與外界的交流。BCI可幫助肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)、帕金森病、脊髓損傷、腦卒中等神經(jīng)損傷患者獲得機器輔助的運動、言語功能，改善患者生活質(zhì)量；同時，還可通過直接監(jiān)測調(diào)節(jié)或間接反饋調(diào)節(jié)，促進損傷的神經(jīng)重塑，幫助患者早日康復(fù)[4-5]。研究表明，BCI對重癥患者意識狀態(tài)的檢查及診斷也有一定幫助[4-6]?，F(xiàn)就基于腦電圖的無創(chuàng)BCI的臨床應(yīng)用進展予以綜述。

1 基于腦電圖的BCI的類型及組成

目前，BCI主要分為無創(chuàng)和有創(chuàng)兩種形式。其中，無創(chuàng)非植入式BCI具有損傷小、簡便快捷等優(yōu)勢，但獲得的信號分辨度較弱，可能無法實現(xiàn)精確的功能應(yīng)用；而有創(chuàng)植入式BCI雖然損傷大、具有一系列感染等風(fēng)險，但其獲得的高精度信號可實現(xiàn)更多復(fù)雜的功能。一個完整的BCI主要由三部分裝置組成，即信號采集、信號處理和設(shè)備控制裝置。

1.1信號采集 BCI的信號采集裝置可根據(jù)所記錄信號的部位、采集設(shè)備以及信號內(nèi)容的不同對信號進行分類。根據(jù)植入電極或柵欄位置的不同，有創(chuàng)BCI可分為基于皮質(zhì)表面的皮質(zhì)信號、皮質(zhì)淺部的局部場電位和多單元動作單位、皮質(zhì)深部的單位動作電位型；根據(jù)收集信號設(shè)備的不同，無創(chuàng)BCI又可分為基于腦電圖、腦磁圖、功能磁共振成像、近紅外光譜以及合并眼、耳等其他部位的混合信號型[4-6]。其中，基于腦電圖的無創(chuàng)BCI由于具有損傷小、簡便、快速以及成像的高效性等特點而被廣泛研究和應(yīng)用。無創(chuàng)BCI的腦電設(shè)備主要通過記錄感覺運動節(jié)律(sensorimotor rhythms，SMR)、慢皮質(zhì)電位(slow cortical potentials，SCP)或事件相關(guān)電位(event-related potentials，ERP)信號，并將其傳遞至輔助設(shè)備而實現(xiàn)應(yīng)用，其中ERP中以視覺為主的刺激信號又分為P300視覺刺激電位和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(steady-state visual evoked potential，SSVEP)[4]。

SMR是由大腦皮質(zhì)感覺運動區(qū)域自發(fā)產(chǎn)生的信號，包含運動想象、運動準備、運動實施時的皮質(zhì)活動[7]。以SMR為基礎(chǔ)的BCI可完成快速打字、光標移動、外骨骼機械臂控制任務(wù)，但較長的訓(xùn)練周期及信號靈敏度異質(zhì)性均是其主要限制因素[6]。SCP是由皮質(zhì)自發(fā)產(chǎn)生的慢信號，負電位代表皮質(zhì)準備活動，正電位代表皮質(zhì)的抑制活動[8]。研究證明，SCP BCI可用于打字等簡單任務(wù)，但該信號的采集相對較困難，因此限制了其應(yīng)用[5-6]。ERP是指由外界事件刺激后誘導(dǎo)產(chǎn)生的信號，刺激事件主要包括視覺刺激、聽覺刺激、觸覺刺激等，其中對視覺刺激的研究最為廣泛。常用的P300刺激信號多由大腦中央?yún)^(qū)域和頂葉區(qū)產(chǎn)生，主要反映大腦的記憶更新功能。由于P300信號容易觸發(fā)且具有較好的統(tǒng)一性，因此被廣泛應(yīng)用于BCI，但其缺點在于信號準確度及傳輸速度均較低、振幅較小、易受干擾，需要多次試驗后疊加平均每次試驗采集的信號才可最終獲得顯著信號，且存在長時間使用后失效的風(fēng)險[9]。SSVEP由大腦視覺皮質(zhì)產(chǎn)生，是通過特定穩(wěn)定頻率的閃光(通常>5 Hz)進行視覺刺激產(chǎn)生的腦電活動；SSVEP信號采集簡單、穩(wěn)定且信噪比高，且患者的訓(xùn)練周期比其他類型BCI短；SSVEP可用于打字、操控假肢等任務(wù)，但需要使用者保留完好的眼球運動功能和視覺功能，因此限制了其在視神經(jīng)、眼球運動神經(jīng)損害較重患者中的應(yīng)用[10]。

1.2信號處理 信號處理是BCI承上啟下的過渡環(huán)節(jié)。通過對腦電圖采集到的信號進行編碼、預(yù)處理、特征提取、分類等算法的組合處理，將采集到的腦電信號變?yōu)閿?shù)字命令。目前，常用的特征提取算法主要包括共空間模式、卡爾曼濾波和小波變換；常用的分類算法主要包括線性判別分析、徑向基函數(shù)和支持向量機[11]。信息傳輸率是指單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘浚壳靶畔鬏斅时粡V泛用于評估BCI的性能[12-13]。

1.3設(shè)備控制 設(shè)備控制主要依據(jù)使用者不同的需求而進行分類，目前主要應(yīng)用于檢查診斷、輔助性功能替代和神經(jīng)重塑性治療。檢查診斷主要針對重癥患者的意識狀態(tài)檢測；輔助性功能替代主要針對各種運動障礙患者，包括虛擬環(huán)境中的光標移動、網(wǎng)頁瀏覽、運動輔助設(shè)備和現(xiàn)實環(huán)境中的文字拼寫、外骨骼、輪椅控制設(shè)備等；神經(jīng)重塑性治療則是利用神經(jīng)反饋機制對運動障礙、認知障礙的患者進行功能康復(fù)[11-13]。目前的研究主要集中于減少使用者的訓(xùn)練周期、提高設(shè)備的準確率和速度、擴大設(shè)備的應(yīng)用范圍等方面。

2 基于腦電圖的無創(chuàng)BCI的臨床應(yīng)用

2.1檢查與診斷 目前臨床上應(yīng)用BCI進行疾病檢查及診斷的研究較少，且主要集中于意識障礙領(lǐng)域[14-15]。BCI可輔助或替代目前的行為量表(格拉斯哥昏迷評分、昏迷恢復(fù)量表等)對意識障礙患者的植物生存狀態(tài)、微小意識狀態(tài)、脫離最小意識狀態(tài)等進行評估，甚至成為意識障礙患者與外界交流的唯一方法[16]。Li等[17]應(yīng)用P300結(jié)合SSVEP BCI對11例意識障礙患者(6例植物生存狀態(tài)患者、3例微小意識狀態(tài)患者、2例脫離最小意識狀態(tài)患者)進行數(shù)字識別及運算評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2例植物生存狀態(tài)患者、1例微小意識狀態(tài)患者和2例脫離最小意識狀態(tài)患者的腦電信號被識別，并可準確回應(yīng)指令做出數(shù)字識別及運算。Coyle等[18]對4例微小意識狀態(tài)患者進行基于SMR BCI的意識評估發(fā)現(xiàn)，所有患者對運動指令及視、聽覺反饋均產(chǎn)生活躍的腦電信號，提示無創(chuàng)BCI技術(shù)可作為意識障礙患者的新型交流方式。由于SCP信號具有采集慢、需要長時間訓(xùn)練以及易受其他信號干擾等缺點，因此目前尚未在相關(guān)領(lǐng)域?qū)ζ溥M行研究。Wang等[19]比較了昏迷恢復(fù)量表與BCI對意識障礙患者的評估結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與昏迷恢復(fù)量表相比，BCI的靈敏度顯著升高，因此其可作為昏迷恢復(fù)量表的補充輔助評估患者的意識。然而，Chatelle等[20]對急性意識障礙(3～38 d)患者進行基于ERP及SMR的BCI評估發(fā)現(xiàn)，其檢測的準確率較低，無法確定急性意識障礙患者的意識狀態(tài)。出現(xiàn)這樣的結(jié)果可能與意識障礙患者的病程有關(guān)，因此基于腦電的無創(chuàng)BCI技術(shù)對于意識狀態(tài)的識別仍具有一定局限性，還有待進一步研究探索。

2.2輔助性功能替代 功能替代是BCI最基礎(chǔ)、也是目前研究最多的應(yīng)用，可使ALS、脊髓損傷等神經(jīng)損傷患者重獲運動、語言等功能，實現(xiàn)與外界的交流溝通，改善患者的生活質(zhì)量。根據(jù)輸出設(shè)備功能不同，BCI可用于通信交流、光標移動及網(wǎng)頁瀏覽、機械運動3個方面。

2.2.1通信交流 通信交流主要通過BCI設(shè)備完成字符輸入拼寫而實現(xiàn)。Farwell和Donchin[21]于1988年首次應(yīng)用以視覺P300為基礎(chǔ)的BCI在正常人中完成12.0 bits/min的打字任務(wù)。隨后，F(xiàn)urdea等[22]、Brouwer和van Erp[23]也分別應(yīng)用聽覺、觸覺P300作為刺激信號同樣成功完成了字符輸入任務(wù)。自此，拼寫系統(tǒng)便作為BCI的代表性應(yīng)用被廣泛研究[24]。同時，以ERP為主要采集信號的不同類型BCI不斷被研發(fā)，且準確率與速度也均顯著提升。McCane等[25]應(yīng)用P300 BCI令14例終末期ALS患者和14例年齡匹配的正常人進行字符輸入任務(wù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者最高準確率和速度比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。Hwang等[26]在5例閉鎖狀態(tài)ALS患者中驗證了應(yīng)用SSVEP BCI進行字符選擇任務(wù)的穩(wěn)定性和可行性。Hsu等[27]研究發(fā)現(xiàn)，ALS患者應(yīng)用前額SSVEP BCI打字的準確率和速度分別為81.2%和1.51 bits/min。以上研究均提示，基于腦電圖的無創(chuàng)BCI輔助的通信技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，其較高的應(yīng)用速率和準確率使其可能取代目前廣泛應(yīng)用的眼動儀等拼寫設(shè)備。

2.2.2光標移動及網(wǎng)頁瀏覽 無創(chuàng)BCI可以幫助患者實現(xiàn)電腦操作。有研究表明，基于SMR信號的BCI可實現(xiàn)脊髓損傷患者二維光標移動，其準確率和速度與有創(chuàng)植入式BCI相比差異無統(tǒng)計學(xué)意義[28]。應(yīng)用基于SCP信號的BCI對終末期閉鎖狀態(tài)的ALS患者進行訓(xùn)練，訓(xùn)練1個月后患者可以掌握一維光標移動，2個月后患者能夠很好地選擇目標字母，同時還可完成簡單的網(wǎng)頁瀏覽，從而顯著改善患者的生活質(zhì)量[29]。此外，基于P300信號的BCI也可幫助患者實現(xiàn)網(wǎng)頁搜索和瀏覽，且與眼動裝置相比，基于P300信號的BCI具有更快的速度和更好的便捷性[30]。

2.2.3機械運動 以機械運動為靶向的腦電圖無創(chuàng)BCI存在虛擬和現(xiàn)實兩種應(yīng)用環(huán)境，物體的運動主要通過基于SMR、P300等信號采集的BCI實現(xiàn)[31]。目前已經(jīng)實現(xiàn)了虛擬物體的二維和三維運動[32]以及真實物體(輪椅[33]、四軸飛行器[34]等)的多維運動。一項研究通過SMR BCI首次實現(xiàn)了機械手臂的三維運動，其中13名健康人成功應(yīng)用腦電信號操縱機械手臂完成抓取、移動三維空間中的物體，該研究展現(xiàn)了無創(chuàng)腦電技術(shù)操控假肢的可能性，在提升運動維度和應(yīng)用的穩(wěn)定性后，以機械運動為靶向的腦電圖無創(chuàng)BCI有望成為ALS等患者重獲四肢運動功能的新方法[35]。

2.3神經(jīng)重塑性治療 BCI可作為目前康復(fù)方法的一種補充，通過直接或間接調(diào)節(jié)促進神經(jīng)通路的重塑，最終促進患者康復(fù)，這也是近年BCI應(yīng)用的重要領(lǐng)域[36-37]。作為一種同時具有輸入與輸出功能的高敏感性設(shè)備，BCI一方面可用于監(jiān)測患者康復(fù)訓(xùn)練時主動產(chǎn)生的腦電信號的準確性，實現(xiàn)更加精確的主動調(diào)節(jié)；另一方面，還可給予達到康復(fù)訓(xùn)練標準的正確動作信號合適的反饋(如視覺、觸覺反饋)，從而增強康復(fù)訓(xùn)練的信號，實現(xiàn)間接調(diào)節(jié)，達到目標康復(fù)區(qū)域的神經(jīng)重塑以及患者康復(fù)的目的[36]。

2.3.1運動康復(fù) 目前基于BCI的運動康復(fù)領(lǐng)域研究主要針對SMR信號BCI，SMR BCI具有將SMR腦電信號可視化并實時給予合適反饋的獨特優(yōu)勢，為神經(jīng)損傷后無法完成肢體運動患者的康復(fù)提供了極大幫助。有研究將32例上肢嚴重功能障礙的慢性腦卒中患者隨機分為基于BCI給予定向反饋康復(fù)訓(xùn)練的試驗組和傳統(tǒng)無定向反饋康復(fù)訓(xùn)練的對照組，兩組均給予常規(guī)的針對上肢假體運動的行為康復(fù)訓(xùn)練，其中試驗組在達標的行為康復(fù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上再給予額外的以SMR為基礎(chǔ)的BCI正向反饋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同樣訓(xùn)練周期后，試驗組患者的上肢運動功能評定量表評分顯著高于對照組，且評分與對應(yīng)患者的肌電圖活動性及功能磁共振成像指數(shù)均成正比[38]。Kim等[39]將BCI與功能電刺激設(shè)備結(jié)合給予患者正向反饋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練相比，增加BCI訓(xùn)練4周后患者的上肢運動評分顯著升高。以上結(jié)果均提示，BCI可作為常規(guī)物理康復(fù)的輔助方法幫助神經(jīng)損傷患者恢復(fù)功能。

2.3.2認知改善 目前，基于BCI的認知領(lǐng)域的研究主要針對老年人以記憶力為主的認知改善和注意缺陷多動癥兒童以注意力為主的認知改善。2016年，有研究首次將基于SMR的BCI應(yīng)用于神經(jīng)反饋，通過評估32例60歲以上老年人使用BCI前后的Luria成人神經(jīng)心理學(xué)診斷癡呆量表發(fā)現(xiàn)，BCI可顯著提升以視覺空間、語言、記憶及智力為主的認知功能，揭示了利用BCI實現(xiàn)神經(jīng)反饋、改善認知功能的可行性[40]。另有研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用BCI治療8周后，注意缺陷多動癥患兒的注意缺陷癥狀顯著改善，且在12周的隨訪治療后仍可維持，證實了BCI神經(jīng)反饋療法治療注意缺陷多動癥的有效性和安全性[41]。

3 小 結(jié)

21世紀是BCI飛速發(fā)展的時代，從健康人群試驗到患者日常應(yīng)用、從ALS等退行性病變到脊髓損傷等創(chuàng)傷性病變、從檢查診斷到治療康復(fù)、從功能替代到神經(jīng)重塑，基于腦電圖的無創(chuàng)BCI均取得了巨大突破。目前基于腦電圖的BCI已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，在計算機領(lǐng)域主要致力于提高腦電信號的識別處理效率、研發(fā)更多的應(yīng)用模式、保證設(shè)備的穩(wěn)定性；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域則側(cè)重于增加設(shè)備的可應(yīng)用人群及疾病種類、改進設(shè)備應(yīng)用體驗、探究BCI背后神經(jīng)重塑的原理。作為在醫(yī)學(xué)、計算機、通信、工程等交叉學(xué)科共同努力下誕生的新技術(shù)，相信未來BCI將會有更多的創(chuàng)新和突破，從而為廣大神經(jīng)損傷患者的功能康復(fù)、生活質(zhì)量的改善提供更多選擇。