腦機綜述（一） | 腦機接口在康復醫學中的應用進展

來源：《中國康復醫學》雜誌 、臻泰智能

論文《腦機接口在康復醫學中的應用進展》

琚芬１，趙晨光１，袁華１，牟翔１，王冰水２

【關鍵詞】 腦機接口；運動功能；康復

【基金項目】國家自然科學基金重大研究計劃（９１４２０３０１）；國 家 高 技 術 研究發展計劃（８６３計劃）（ＳＳ２０１５ＡＡ０４１００２）

【作者單位】１．第四軍醫大學西京醫院康復理療科，西 安 ７１００３２；２．南 方醫科大學深圳醫院康復醫學科，深圳 ５１８０００

腦機接口是在大腦和計算機或其他電子設備之間建立全新通訊和控制的不依賴於常規大腦信息輸出通路的技術。

在康復領域，腦－機接口技術可直接完成對輸出設備的操控，通過採集人腦的電信號，以實現功能障礙者與外界的交流，從而提供了一種爲改善功能障礙者的生存質量可能的途徑。

腦控機器人接口（Brain－ControlledRobotInterface，BCRI）是一種新型的人－機器人接口技術，是腦－機器接口／腦－計算機接口（Brain－MachineInterface，BMI／Brain－ComputerInterface，BCI）在機器人控制領域的重要應用和研究方向。

腦－計算機接口（Brain－ComputerInterface，BCI）是BCRI系統的核心模塊。腦機接口技術是一種涉及認知科學、神經科學、生物技術、生物醫學工程、納米技術、信息技術、計算機科學和應用數學等多學科的交叉技術。腦機接口包括了植入性及非侵入性。

本文主要闡述非侵入性腦機接口的康復應用進展。

1腦機接口的治療基礎－神經可塑性

由於中樞神經系統結構和功能的複雜性，人類對疾病的認識不全，缺乏有效的治療方法。大腦可塑性的發現爲神經功能恢復奠定了理論基礎，“神經的可塑性決定神經損傷後的恢復”已成爲共識。

大腦可塑性是指在內、外環境因子的作用下，神經元之間的相互聯繫可發生改變，神經功能將會發生重組。其機制涉及軸突及樹突發芽、神經細胞再生、備用通路啓用、突觸數量增多等方面。神經可塑性貫穿於神經損傷後功能康復的全過程，在整個康復過程中發揮重要作用，如何促進大腦、脊髓神經的可塑性和功能重組是當前中樞神經損傷後功能康復研究的熱點。

BCI訓練促進中樞神經系統的重塑的途徑有兩個1］：

第一種是用正確的調節方式改變大腦信號的特徵。

第二種途徑是通過BCI的反饋利用其外接設備進行反覆練，可產生正常的運動模式，間接促進正常的大腦信號產生，促進大腦重塑，是BCI與其外接設備共同參與重塑 及康復［6］。

2腦機接口在康復醫學中的應用

2.1 運動功能

腦機接口可在大腦和外部設備之間建立信息通路，實現替代上、下肢的運動。其可不依賴於外周神經和肌肉，通過反饋調節使患者控制對支具、假肢、機器臂等外接設備。

1999年 Chapin等［8］用 人工神經網絡算法將大鼠運動皮層神經集羣電信號轉換爲水泵控制指令，首次實現了大腦對外部設備的直接控制。202年最早發表了應用神經接口理論可使脊髓損傷患者產生上肢運動［9］。

Varkuti等［10］對慢性期腦卒中患者，經過４周基於運動想象的BCI訓練後，在６名受試者中有５人的 Fugl－Meyer上肢功能評價得分明顯提高。

Pfurtscheller［11］將基於μ波的BCI－FES（Brain－ComputerInterface－FunctionalElectricalStimulation）系統應用於１例四肢癱瘓患者，通過BCI實現對上肢電刺激的啓動控制，使其掌握抓握水杯－喝水的動作，明顯提高了患者的上肢功能。

Kubler等［11］證實了在肌萎縮側索硬化症（AmyotrophicLateralScle－rosis，ALS）所致的閉鎖綜合症患者中，通過訓練其控制顯示屏上光標的移動，從而達到和外界交流的目的。

Dandan等［13］指出大腦運動皮層的 Ｐ波是最易被監測及最精確的。

ChriStian等［14］報道一例頸５完全性損傷患者可以通過應用腦機接口系統控制Ｐ波，實現在虛擬情況下行走在訓練。

因此，該技術能修復或重建功能障礙患者喪失的運動能力；可以爲腦卒中患者提供一種全新的主動參與控制的康復訓練模式，使之可以利用腦機接口進行直接的康復訓練，訓練患者恢復正常的運動想象模式，更快的恢復肢體運動功能；脊髓損傷患者可以利用腦機接口系統，使用基於腦電信號的輔助設備控制平臺進行輪椅控制、環境控制等，提高生活自理能力。

2.2言語交流能力

腦機接口目前已經被開發並測試用來控制交流設備。對於嚴重的交流障礙者而言，腦機接口是最合適、最被需要的一種技術。這其中包括了晚期的多發性硬化患者，無認知障礙但缺乏交流能力的患者（如高位脊髓損傷患者、閉鎖綜合徵等），以及其他不能操作物體或不能利用視覺輔助系統的患者。

Kübler等［15］探討了家庭用腦機接口的適用人羣、治療策略和環境影響因素等。目前，腦機接口已經從實驗室研究發展到臨牀對照研究中。除完全性閉鎖的患者外，各階段癱瘓患者均能通過基於 P300、SMR或SCP的腦機接口實現簡單語言交流［16-18］。

2004 年Hinterberge等［19］第一次將聽覺反饋範式引入了腦－機接口研究。研究發現視覺反饋和視聽覺聯合反饋對腦機接口的操控更爲靈活，但單純聽覺反饋比單純視覺反饋對腦機接口的操控效果差。

Peters等［20］在研究中描述了作爲一個通信設備，腦機接口與傳統的輔助技術相比，它的優點和不足。通過研究發現，利用腦機接口來完成指定的任務是更容易實現的，但對於提高日常生活能力而言，並沒有明確的效果。

2.3 對意識的評估

對於意識障礙的患者，腦機接口可提供機會證實他們有意識存在。腦機接口不僅是一種可用於評估意識的方法，還能重建一種交流渠道。腦機接口用於意識障礙的鑑別，是一項極其重要的發現。Coyle等［21］在腦機接口應用於極低意識狀態患者的研究中證實，在缺乏其他交流方法的情況下，可學習應用腦機接口用於交流。

2.４ 作業能力

有研究表明腦－機接口技術在智能交通中的應用很多［22］。隨着腦－機接口技術的不斷髮展，更智能化、更有趣味性的康復治療方法對功能障礙者可以得到廣泛應用［23］。有研究 顯示［24］，基於BCI系統的理論，運動想象操控輪椅在４個方向的運動，明顯能夠提高患者的轉移能力及日常生活能力。既能豐富娛樂康復的方式，又促進了日常生活能力康復的前景。

2.５ 與輔助技術結合

腦機接口已經越來越多的與其他輔助技術相結合，應用於實驗中。它是基於腦電信號，可與外骨骼輔助技術相結合。Schettini等［18］研製了一種適用於多發性硬化患者的混合性腦機接口，並證實對於這種非侵入性腦機接口，多發性硬化患者最爲適用。對於脊髓損傷和腦幹梗死患者，腦機接口是極爲重要和有用的。應用於脊髓損傷患者的腦機接口包含了計算機導 向性任務和外骨骼的控制。Hug－gins等［25］探討了腦機接口的設計應以實現脊髓損 傷患者的目標爲優先，並評估瞭如何能更多爲患者帶來益處。

2.６ 綜合應用

目前直接作用於大腦的治療方法有很多，其結果是有限的。因此我們需要去發現一種促進運動功能恢復的干預措施，使其能更直接作用於靶點，更快地促進大腦損傷區域的恢復。

生物反饋治療對於不同種類的功能障礙是有效的干預手段。目前BCI已經應用於無創的生物反饋系統，它依賴於對大腦信號的快速處理，可從認知、情緒管理，運動學習的訓練中直接實時獲取。無時間延遲的離線的信號的處理，使fMRI－BCI在許多運動學習訓練中更好地用於 學習機制和效果的測試。實時fMRI－BCI通過調整右側扣帶回前部皮質的節律，已經被用於疼痛的治療中［26］。EEG－BCI系統還被用於減少癲癇發作，並可改善患者的注意力缺陷。

目前，一項隨機對照研究對比了物理治療與物理治療聯合EEG－BCI治療的臨牀效果［27］，結果顯示根據Fugl－Meyer上肢協調能力評分的比較，物理治療聯合EEG－BCI組治療明顯有效，其差異有統計學意義。

3腦機接口未來發展的方向與挑戰

直接對大腦進行刺激的治療和大腦神經反饋訓練的應用均依賴於我們對運動恢復機制、神經區域的有關功能、干預的機制、運動控制的神經修復機制等的認識。這些認識的發現，將對未來腦機接口的應用提供一個良好的平臺［28］。

同時，腦機接口未來的發展應該在於對運動學習的神經機制的認識以及如何利用腦機接口增加這些神經機制的特異性。重獲運動能力的機制，即腦機接口的基礎，是釋放神經遞質到大腦特殊的部位或致特殊底物來促進神經損傷或疾病後運動功能的恢復。雖然表面上看起來不可行，但Janis等［29］已經設計並測試了一種 EEG－BCI，利用小鼠模型的腦電信號 來控制無線電設備進行細胞移植。

綜上所述，目前實驗室腦機接口、家庭交流用的腦機接口的應用已經取得成功。臨牀醫生以及臨牀科學研究者應該進一步深入研究，使得腦機接口在康復醫學中充分發揮潛力。

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論文信息：《腦機接口在康復醫學中的應用進展》

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