腦機接口技術在醫療領域的應用前景分析

王鑫哲

摘 要 腦機接口技術可以實現大腦與外界環境的交互在醫療領域具有重要的應用價值。通過這項技術，可以幫助身體嚴重殘疾（癱瘓、失語）的患者建立與外界交流的方式，也能幫助肢體殘疾的患者實現大腦直接控制假肢，提高他們的生活質量。文章首先介紹了腦機接口技術的發展歷程，接著闡述了其基本原理和在醫療領域的應用前景，最后討論了腦機接口現階段面臨的技術、商業化和倫理問題，并給出針對性的建議。

關鍵詞 腦機接口；醫療；應用前景

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）230-0145-02

腦機接口（Brain-Computer Interface BCI）技術是涉及信號處理、模式識別、神經科學等學科的一項交叉技術，其研究目的是建立人腦與外界環境間的直接交互機制，進而實現通過大腦直接操作設備、表達想法的功能[ 1 ]。很早之前人們就有通過采集大腦思維活動信號從而實現與外界進行交互或控制設備的想法。1929年，研究者第一次記錄了腦電圖，人們就推測腦電信號或許可以實現這個想法，但由于當時對神經科學了解較少，相關的信號處理、模式識別技術水平有限，一直進展緩慢。20世紀70年代，計算機技術快速發展，人們對大腦神經系統功能的認知逐步加深，同時也帶動了腦機接口技術的進步。目前，腦機接口技術已成為神經科學與計算機技術等領域的研究熱點。

1 腦機接口技術的原理

研究表明，人類完成一個動作首先要在大腦中產生動作意識，在動作執行之前，神經系統的電活動會發生改變，如果通過一定的手段能將這種電活動變化檢測出來，則可以作為識別這個動作的特征信號，進而實現對大腦意識的理解，這就是腦機接口實現的基本原理。圖1給出了腦機接口系統的基本流程，主要包括信號采集、信號處理及設備控制3個部分。

信號采集部分就是對大腦的電活動即腦電信號利用傳感器進行采集，根據采集的方式可以分為有創采集和無創采集。無創采集是將檢測電極安裝在大腦頭皮上記錄腦電信號，而有創采集需要將檢測電極植入大腦的特定區域。兩種方式各有優勢，無創采集比較方便，對使用者沒有傷害，但采集的信號容易受到干擾，后續信號處理難度較大，而有創采集獲取的信號質量較高，但對采集者有傷害。

信號處理部分是腦機接口的關鍵部分，通過對腦電信號進行分析，進而識別出相應的動作，包括預處理、特征提取、識別分類等過程。信號預處理一般是對腦電信號進行濾波操作，降低干擾。特征提取是將腦電信號中與動作相關的特征如幅值、頻率等進行提取，為之后的識別分類做準備。特征信號分類是在特征提取的基礎上，確定腦電信號與動作意識的對應關系，主要采用分類算法，如人工神經網絡、線性判別分析、概率模型等。

設備控制部分是在理解了大腦意識之后，產生驅動或操作命令，對相應的設備進行操作，從而達到與外界交互的目的。此外，設備控制的結果也會形成對大腦意識的反饋，根據反饋，可以對動作進行調整。

2 腦機接口技術在醫療領域的應用前景

腦機接口系統在醫療領域的應用前景較廣，能夠為一些身體殘疾患者與建立一座與外界交互的橋梁，可以實現康復訓練、控制假肢、輪椅等功能[ 2 - 3 ]。

2.1 康復訓練

我國目前腦卒中患者接近3 000萬，且還在以每年約200萬人的速度增加，這些患者大都需要進行康復訓練，市場潛力巨大。傳統的康復方式如按摩、臥床訓練、離床訓練等比較被動，需要護工或家屬進行輔助，患者容易產生疲勞，自身的康復意愿不佳，導致訓練效果一般。如果利用腦機接口技術讓患者進行部分自主訓練，將能很好地調動患者的康復意愿，提高訓練的質量。

西安交通大學的研究團隊設計了一套名為“腦控人機交互及康復訓練系統”，系統利用腦機接口技術，能夠實現一種新型腦控康復方式。利用這套訓練系統，可以幫助訓練人員更好的監控訓練的強度及效果，根據反饋調整訓練計劃。此外，這種通過大腦運動想象的方式進行訓練也有助于神經功能的代償與恢復。臨床試驗表明，使用該腦控康復系統的患者康復效果明顯優于傳統康復訓練患者。

瑞士公司MindMaze構建了一個結合VR、計算機圖形學和神經科學的平臺，通過為神經系統疾病患者創造VR和AR環境，提供多感覺的反饋，以在康復期間刺激運動功能，促進神經功能的康復。美國科技公司NeuroLutions研發了一款具有康復促進功能的機器人外骨骼，名為IpsiHand。IpsiHand會刺激大腦向肢體發送信號，這種連續激發最終會建立新的突觸連接，促使癱瘓部位恢復功能。

2.2 智能假肢

現階段，對于殘疾人來說，如果他們失去了部分肢體，大都會選擇佩戴假肢，這些假肢大都具有固定的結構，不能實現原有肢體的功能。腦機接口技術的出現有望改變假肢不具有功能的現狀，利用腦機接口技術可以將假肢與患者大腦連接起來，通過一段時間的訓練，就能進行自主控制。哈佛研究團隊創立了一個為殘疾人制造智能假肢的半公益項目BrainRobotics，該項目開發的產品可以幫助殘疾人通過自己的意念控制假肢。傳統的假肢是一體化設計，容易損壞，BrainRobotics團隊為解決這個問題，研發了一種模塊化的機械設計，它能讓用戶只更換損壞的部件，而無需購買全新的假肢。模塊化設計大大降低了使用假肢的成本，世界各地的截肢者更容易負擔得起這種高科技產品。

2.3 其他應用

美國的Rythm公司設計了一個名為“Dreem”的頭帶產品，借助腦機接口技術可識別佩戴者的睡眠模式，根據睡眠模式的不同，可進行聽覺或聲音刺激，從而確保佩戴者可長時間停留在深層睡眠階段，進而提高佩戴者的睡眠質量。顯然該產品對于那些睡眠功能障礙的患者十分有用，但佩戴頭戴可能會影響睡眠的舒適性，造成入睡困難的問題。

美國NeuroPace公司開發了一款稱為RNS系統的植入式設備，可用于治療神經障礙。該公司初步的研發重點是治療癲癇，以防止癲癇發作。該裝置能識別異常大腦活動，然后發送脈沖以抵消或破壞導致癲癇發作的異常信號。

對于意識障礙患者如植物人等，意識檢測是一個難點問題，主要原因是這些病人缺乏行為能力，無法進行溝通，借助腦機接口技術，可以幫助完成檢測意識障礙患者如植物人等的意識，輔助量表評估等任務。此外，將腦機接口系統集成在輪椅、家電和護理床中，可以實現對設備的腦控，能夠有效提高殘疾患者的生活自理能力。

3 面臨的問題

雖然近年來腦機接口技術發展迅速，出現了許多醫療產品，但大都還處于實驗室階段，距離臨床應用還有面臨許多問題，主要是技術、商業化、倫理3個方面的問題[ 4 ]。

1）技術問題。在腦機接口技術的挑戰是信號采集與信號處理。采用非侵入式電極獲取腦電信號質量難以保證，且容易受到外界干擾；植入式電極可能會引發免疫反應，一旦植入則不能隨意調整。信號處理是腦機接口的核心部分，但對于大腦的認識還有許多盲區。許多進展都是在動物大腦上完成的，其在人腦上的效果如何還很難判斷。

2）商業化問題。醫療設備要實現臨床應用往往需要耗費大量的時間、資金。腦機接口設備要直接作用于人體，監管部門對其審批十分謹慎，因而相關產品要實現商業化十分困難。企業要實現盈利，產品必須要有市場，現階段，腦機接口技術的發展水平，可以在一些技術比較成熟的領域進行嘗試，積累經驗，之后再逐步推廣應用。

3）倫理問題。腦機接口技術的發展應用業帶來了一些倫理問題。由于大腦的意識十分復雜且多變，很難像控制行動那樣進行控制，例如許多人都會有一些想到但不敢說出來的經歷。如果腦機接口設備探測到這些想法就會帶來隱私問題。更進一步，如果是一些具有傷害性的想法，即使沒有實施，那是否應該采取措施，即我們是否應該為自己的一些想法負責。

4 結論

本文介紹了腦機接口技術的基本原理及其在醫療領域的應用前景，包括康復訓練、智能假肢、睡眠增強等，討論了其目前面臨的技術、商業化和倫理問題。現階段，腦機接口技術還處在初級階段，距離臨床應用還需要解決許多問題，但隨著人們對大腦的了解與技術的進步，未來腦機接口在醫療領域的應用前景巨大。

參考文獻

[1]堯俊瑜，鄔長杰.腦機接口技術研究綜述[J].現代計算機（專業版），2017（27）：80-84.

[2]琚芬，趙晨光，袁華，等.腦機接口在康復醫學中的應用進展[J].中國康復，2017，32（6）：508-511.

[3]汪俊宇，王美玉，向武，等.淺談腦機接口康復假肢的相關研究[J].世界最新醫學信息文摘，2017，17（45）：75-76.

[4]葉岸滔.腦機接口技術：倫理問題與研究挑戰[J].昆明理工大學學報（社會科學版），2016，16（6）：8-14.