功能性電刺激與腦機接口在醫學中的應用

隋寶石，萬柏坤

1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072；2.天津市南開醫院網絡中心，天津 300100

功能性電刺激與腦機接口在醫學中的應用

隋寶石1,2，萬柏坤1

1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072；2.天津市南開醫院網絡中心，天津 300100

本文回顧了功能性電刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）在治療腦損傷和脊髓損傷所造成的運動功能和吞咽障礙方面的應用；總結了腦機接口（Brain Computer Interface，BCI）技術在現代醫學中的應用以及基于BCI的FES的研究現狀。結果顯示，BCI、FES及二者相結合技術在現代康復工程領域中是極具應用前景的新技術。

功能性電刺激；腦機接口；腦損傷；脊髓損傷；康復醫學

0 前言

功能性電刺激（Functional Electrical Stim ulation，FES）與經皮 電 神 經刺激（Transcutaneous Electrical NerveStimulation，TENS）統屬為神經肌肉電刺激。其原理是通過低頻脈沖電流刺激神經或肌肉，引起肌肉收縮，繼而實現被刺激肌肉或肌群功能的改善或恢復。與 TENS不同的是，患者經 FES治療后可以即時產生功能性活動。已有報道指出，在治療腦卒中方面，FES 的療效約為 TENS 的 1.5～2.3 倍。在過去的幾十年中，FES 技術在醫療領域已被應用于許多不同的方面。如脊髓損傷后膀胱功能的恢復，睡眠呼吸暫停或中風導致的呼吸和吞咽障礙的治療，癱瘓患者的運動功能改善，以及廣為人知的心臟起搏器等。但是需要指出的是，FES治療最適用于具有完整的神經傳導通路的人體，即由中樞神經系統 (腦和脊髓 )損傷引起的肌肉功能障礙，而對于不具有完整的神經傳導通路的周圍神經損傷引起的肌肉無力效果不佳[1]，但可用來促進損傷的周圍神經再生和防治骨骼肌失神經萎縮。

腦機接口（Brain-computer Interface，BCI）是在人的大腦和外部設備（如計算機或其他電子設備）之間建立的一種新型的通訊和控制技術。它是人機接口的一種方式，不依賴于腦——外周神經——肌肉這一正常輸出通路，通過采集和分析腦電信號即可實現意愿的表達和設備的操控。因此，在癱瘓病人輔助康復領域及治療交流障礙等方面有著廣泛的應用前景。

下面就對這兩種技術在國內外的應用進展概況分別給予介紹。

1 功能性電刺激的應用

1.1 肢體功能的改善與恢復

肢體運動功能的障礙甚至喪失，是腦損傷和脊髓損傷后的常見后遺癥。如何降低殘障的程度，最大限度地達到生活自理，是改善癱瘓患者生命質量的首要問題，也是康復醫學的主要目標。

偏癱是腦卒中等腦損傷發生后的主要癥狀，其表現為上下肢、面肌和舌肌下部的運動障礙。FES最早用于康復醫學領域，1961 年 Liberson 等人通過刺激腓神經治療足下垂的 7 名偏癱患者[2]。在接下來的幾十年中，FES 技術獨立使用，及與其他療法配合使用來應用于偏癱造成的上下肢功能重建，在國內外臨床上變得日益普遍。國外，如加拿大多倫多康復研究所康復工程技術實驗室的 Popovic 等人評價了 15 例 FES+ 常規卒中康復和 9 例行時間和強度與FES相同的常規治療的偏癱卒中患者的康復效果。所有患者在治療前患側腕、肘或肩均不能自主屈伸，前臂不能旋轉或手指不能活動。經過 FES 每周 3 次持續 45 min 的訓練，連續 16周的治療后，結果顯示，與傳統物理治療和作業治療的患者相比，進行 FES的患者康復實驗室手功能（Rehabilitation Laboratory Hand Function，REL）測試在扭矩、力量和偏心荷載（eccentric load）等方面都獲得顯著的改善。FES 組和對照組扭矩分別平均提高 13%和 2%，力量分別提高 23%和 3%，偏心荷載分別提高 13%和 0%，所有差異均有統計學意義。FES 組的 Fugl-Meyer評價（Fugl-Meyer Assessment，FMA）與標準治療組差異顯著（30%對4%）[3]。國內，趙文霞等人利用早期運動療法配合 FES 治療觀察了其對急性腦梗死運動障礙的臨床療效。方法為將急性腦梗死患者 150 例隨機分成 3 組，均接受神經內科常規藥物治療。I組應用早期給予神經促進技術及功能電刺激；Ⅱ組應用功能電刺激治療；Ⅲ組單純應用神經內科常規藥物治療。結果表明，8周后，治療前后功能性步行分級（FAC）、FMA、改良 Banhel指數（BMI）各指標均有明顯變化，而且 I組改善程度明顯優于Ⅱ、Ⅲ組，I、Ⅱ明顯優于Ⅲ組，且差異均有顯著性[4]。林子玲等人利用 FES 技術探討了其對初發早期腦卒中偏癱患者上肢功能的遠期影響。方法為將 37 例初發腦卒中患者分層后隨機分為 FES組（19 例）和對照組（l8 例）。2 組常規治療相同，對照組不給任何電刺激，FES組給予功能性電刺激治療，每天治療 1 次，每次 30min，共 3 周（15 次）。結果表明，治療后第 1 個月和 3 個月兩組在肩部肌群肌力（MMT）、FMA 和BMI差異均有顯著性意義 ；治療后第 6 個月，兩組在 FMA和MBI差異有顯著性意義，在MMT 差異有近似顯著性意義，說明 FES 療效可以持續 6 個月以上[5]。

截癱是脊髓損傷后的常見后果，其主要癥狀之一就是運動功能障礙，特別是下肢即行走能力的喪失。因此，脊髓損傷后下肢功能重建對患者日后的生活具有重要意義。目前在截癱患者行走能力恢復方面，FES技術在國內外被普遍認為是一種比較有效的臨床工具。在全世界，約有超過 24 個研究中心都在積極地評估 FES 在恢復站立和行走能力方面的作用，以及開發 FES 助行系統[6]。但是，迄今為止，通過 FDA 認證的用于短距離步行的 FES 系統只有 Parastep助行系統，該系統由多通道刺激器、12片（6對）表面電極和輔助器械組成，用于訓練殘疾度介于 T4 級和 T12 級之間的截癱病人的站立和行走[6-7]。目前，已有多項研究對 FES治療截癱的實際臨床效果進行了評估。檢測指標包括，血壓、心律、耗氧量、二氧化碳呼出量、呼吸交換比率、上軀干關鍵肌群的表面肌電水平，大腿擺角和踝背屈的運動情況，行走的運動時空參數（步速，步周期，步頻等）以及自體感受（如疲勞感等）。結果表明，當神經損傷穩定后開始使用 FES并保持下去，可明顯改善或阻止殘疾狀態的進一步發展，在恢復截癱行走能力方面有顯著的運動功能替代和重建功效[8]。而且，它在改善患者心肺功能和新陳代謝的健全等方面也有良好的療效。

1.2 吞咽障礙的改善和治療

吞咽障礙是由于下頜、雙唇、舌、軟腭、咽喉、食管括約肌或食管功能受損，而導致的不能安全有效地將食物由口送到胃內取得足夠營養和水分的進食困難。它是腦卒中后常見并發癥之一，在腦外傷，腫瘤，放療和食管動力性病變等中也較常見。有數據表明，腦卒中急性期有29%～64% 的患者出現不同程度的吞咽障礙[9]。還有報道稱57%～73%腦卒中患者發生吞咽障礙，其中小部分患者臨床上表現為“無癥狀”吸入食物或液體。即不顯性誤吸（silent aspiration）[10]。因此，為了減輕患者痛苦，需要對其進行語言訓練及康復治療。

隨著生物工程的快速發展，FES近幾年來逐漸被用于吞咽困難的治療，其基本原理是通過電刺激咽喉部，使咽喉部產生吞咽的動作。目前來說，這方面的研究還相對較少，且以美國和德國居多。如 Burnett等人使用 FES 系統，將刺激電極置于下頜舌骨肌和甲狀舌骨肌（兩側），幫助喉部上抬延遲和缺乏的患者的恢復吞咽功能。結果顯示，電刺激后患者喉部上抬和吞咽速度有明顯提高，可分別達到 正 常 吞 咽 的 50% 和 80%[11]。 在 國 內， 魏 智 鈞 等 人 使 用FES和綜合康復療法研究了其對腦卒中吞咽障礙的治療效果。結果表明，綜合康復組（57 例，FES、針灸穴位刺激配合功能訓練）的總有效率為 87.7%，對照組（58 例，康復訓練）為 65.5%。兩組具有顯著性差異，證明 FES、針灸穴位刺激配合功能訓練是治療腦卒中后吞咽障礙的有效的方法[10]。

1.3 周圍神經損傷修復

周圍神經損傷后，在臨床上，一般采用顯微外科修復技術結合藥物、激素和神經生長因子促進神經再生的治療方法。但修復后的神經再生速度并不理想，而且由于骨骼肌喪失了支配神經的營養會迅速發生萎縮，再加上神經再生速度緩慢，因此對骨骼肌失神經萎縮的防治效果也不理想。目前 FES 正被逐步應用于臨床治療多種神經肌肉疾患，其通過電流刺激作用，可為修復后的神經重新支配肌肉爭取時間，最大限度地保留殘存肌肉形態與功能。已有的動物實驗結果表明，FES在維持肌肉體積及肌力、改善肌肉組織物質代謝、調節肌纖維生理及生化性質等方面作用突出[12]。而且大量實驗證實，電刺激對周圍神經再生的影響，不論是局部還是全身應用，不論電場類型、脈沖頻率、波長以及療程長短，均具有促進周圍神經再生的作用[13]。臨床上，FES 對肌肉萎縮也有很好的治療效果。如 Williams等人用全植入式持續電刺激對15例周圍神經損傷者進行了試驗，結果表明其對防止失神經肌萎縮有良好效果，尤以臂叢神經損傷患者效果最佳[13]。Kern 等人觀察了 FES 對長期失神經導致的肌肉萎縮的治療效果。結果表明，FES可使肌肉結構發生變化，有效逆轉肌肉萎縮。肌纖維的鏡檢結果顯示，治療組的肌纖維平均直徑為失神經組的3倍，平均面積百分比為 3.7 倍，且 FES 治療組中超過 50%的肌纖維直徑大于 30mm，對照組超過 50%的肌纖維直徑小于10mm。在平均脂肪和結締組織百分比方面，結果顯示治療組遠低于失神經組。由此可見，FES治療不僅可使尚存的肌纖維體積變大，促進新生纖維的再生，還可逆轉長期失神經肌肉的退行性變[12]。

2 腦機接口的應用

2.1 周圍環境及外部設備的控制

癱瘓患者由于患有運動障礙，所以活動范圍極為有限。如果能有有效的手段使其能自己控制周圍環境（如控制燈光、電視、電動床和房間溫度等）將會使他們的自主能力有很大提高。最近，Cincotti等人開展了一項初步研究，嘗試了將基于腦電（Electroencephalographic，EEG）信號控制的 BCI技術與家庭環境控制系統相結合，來遙控一些家用設備，如電燈、電視，聲學鬧鐘、電動床、電話、前門開啟和使用無線相機監測周圍環境。研究中，測試對象為健康對照者 15 人，患有脊髓肌肉萎縮 II型和 Duchenne 肌肉萎縮 4 人，經過 8～12 次的測試后，結果顯示，在最后 3 次測試中患者對系統的操控準確率平均達到了 60%～75%[14]。

對于癱瘓患者來說，恢復不受約束的移動是另一個需要解決的重要問題。因此，許多 BCI研究團隊嘗試開發 BCI- 驅動的 輪椅。如，Tanaka 等人開發了一 種基于EEG 的電動輪椅，通過 EEG 檢測方向命令，然后用于輪椅的直接控制，但這樣精確的操控對使用者的要求較高。Rebsamen 等人開發了一種基于 P300-BCI系統控制的輪椅，在此系統中，使用者可以通過目的地菜單簡單的選擇目的地。雖然此系統降低了對使用者的要求，但存在實時方向控制能力較差的問題[14]。

2.2 運動控制與功能恢復

BCI技術的另一個重要應用就是用于身體殘缺者和癱瘓病人的運動控制恢復，這是 BCI領域許多研究者的主要目標。

對于身體殘缺的患者來說，主要是通過 BCI控制神經假體或矯形器，像機器人手臂等。這方面的研究在臨床上的應用目前還很少，且以基于感覺運動節律（Sensorimotor Rhythms，SMR）的系統為主。如 Wolpaw 等人論證了使用SMR 系統進行一維、二維和三維指針控制，并開展了 SMR控制的機器人手臂初步實驗[14]。Lee 等人基于運動想象電位控制機器人手臂，并通過視覺誘發電位反饋來調整動作，取得了初步成功。此系統能于三維空間內完成抓取目標物的簡單動作，但存在控制精度低的缺點。基于其它信號，像 EEG 信號的機器人手臂研究，國內外也有少量研究[15]。如 Yahud 等人研制出的機器人手臂，具有 16 個自由度，能熟練完成圓柱體抓取，鑰匙捏取，2手指夾取紙片，3手指夾取雞蛋的動作。但系統功能性不強，處理信號的速率、識別率、控制精確率都不高，信號干擾現象嚴重，而且受試者還需經過嚴格訓練，適應性不強[15]。

對于那些神經阻斷但肢體尚在或肌肉損傷的癱瘓類殘疾人，通過使用 BCI直接控制其肢體肌肉或進行神經再恢復治療，可以使其運動能力得到重建，進而實現肢體完成日常生活基本動作的目的。這種方法首先是用于評價腦卒中 患 者 的 腦 磁 波（magnetoencephalographic, MEG） 信 號，結果表明，經過基于 BCI的訓練后，腦皮層出現重組，病人可獲得對特殊腦活動模式的控制[14]。目前，BCI 與 FES技術相結合治療神經或肌肉損傷患者，是其在康復領域的最新應用。雖然 FES很早就用于臨床并取得了顯著療效，但是其刺激信號的控制問題制約了 FES的進一步發展。因為如果找不到合適的刺激信號，FES就不能達到很好的治療效果，而且其對殘肢的運動控制只能根據預設的模式進行，不能實時的根據患者意愿來隨意進行肢體的運動控制。由此可見，BCI技術提供了一個非常好的操作界面。最近，Muller-Putz 等人開展了一項將基于 EEG 的 BCI 與植入 式FES裝置徒手系統相連接的個案研究。研究中，首先對患者進行短期的培訓，目的是使其通過想象殘手的動作而產生明顯的 EEG 模式。這種模式被 BCI進一步分類， 接著由BCI仿真肩部操縱桿產生的輸出信號被提供給不同抓握階段的徒手系統。隨著連續想象的進行，患者能夠將一個簡單的物體由一處移動到另一處[7]。周鵬等使用左右手動作想象電位作為 BCI的輸入信號，與 FES 配合使用，開發了一種可供癱瘓病人根據自己的運動意愿控制其殘肢運動的智能康復系統。此系統能繞過癱瘓病人體內受損的神經通路，直接將人的運動意圖通過外部的通路傳達給 FES 儀器，刺激相應的神經肌肉，完成患者對殘肢的直接控制。初步實驗表明，本系統能以 95%以上正確率分析人的運動意圖，控制 FES 儀完成預定的刺激任務，恢復手部抓握動作[16]。

3 結論

雖然基于 BCI技術的周圍環境的控制與交流，以及基于 BCI的 FES 技術用于運動控制與功能恢復的研究目前均處于初級階段，且尚有許多問題亟待解決，但是初步的研究結果表明，這些方案是完全可行的。今后，無論是在提高殘障患者自理能力方面，還是在現代康復工程領域中它們均是極具應用前景的一項新技術。

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Application of Functional Electrical Stimulation and Brain Computer Interface in Medicine

SUI Bao-shi1,2, WAN Bai-kun1
1.College of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering, Tianjin University Tianjin 300072,China;2. Network Center,Tianjin Nankai Hospital, Tianjin 300100,China

To review the application of funcfional electrical stimulation (FES) on treatment of motor dysfunction and dysphagia induced by brain or spinal cord injury, and introduce the application of brain computer interface in modern medicine and the progress of BCI-based FES. The results show that BCI, FES and BCI-based FES are good prospect of new technology in modern rehabilitation engineering area.

functional electrical stimulation;brain computer interface;brain injury;spinal cord injury;rehabilitation medicine

R743.3

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.06.021

1674-1633(2011)06-0063-04

2011-03-24

作者郵箱：suibaoshi@hotmail．com