腦機(jī)接口在卒中患者上肢功能和手功能康復(fù)中的應(yīng)用

梁文棟，郭曉輝（通信作者），程波，樂贊

深圳睿瀚醫(yī)療科技有限公司研發(fā)部 （廣東 深圳 518000）

目前，卒中已成為繼腫瘤、心血管疾病之后人類的第三大死因，且發(fā)病率呈逐年升高的趨勢(shì)，幸存者常伴有不同程度的運(yùn)動(dòng)功能障礙，尤其是上肢功能和手功能，由于運(yùn)動(dòng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，其恢復(fù)進(jìn)程慢、效果差，已成為康復(fù)治療研究的重、難點(diǎn)。隨著人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、神經(jīng)工程、認(rèn)知科學(xué)等多學(xué)科的發(fā)展，腦機(jī)接口作為一項(xiàng)前沿、熱門的中樞神經(jīng)干預(yù)方法，逐漸被運(yùn)用到卒中患者上肢功能和手功能康復(fù)中。本文以卒中患者為例，梳理了腦機(jī)接口在上肢功能和手功能康復(fù)中的應(yīng)用情況。

1 腦機(jī)接口概述

1.1 概念及工作原理

腦機(jī)接口是一種不依賴外圍神經(jīng)和肌肉，在人腦與設(shè)備之間建立交流和控制的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托高性能的生物電信號(hào)采集裝備和計(jì)算機(jī)算法，能夠?qū)崟r(shí)記錄腦電波，然后通過一定的技術(shù)手段對(duì)采集到的腦電波進(jìn)行解讀，再利用計(jì)算機(jī)語言將其轉(zhuǎn)換成控制語言或命令，以驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。其主要由信號(hào)采集、特征提取、選擇分類和設(shè)備控制4部分組成。其中，信號(hào)采集是腦機(jī)接口最為關(guān)鍵的一步，常用純錫、純銀或不銹鋼等材質(zhì)的電極，通過植入式或半植入式等方式采集信號(hào)，然后經(jīng)過放大和濾波等處理，再借助A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)再處理得到控制口令或信息，需要注意的是，在采集過程中應(yīng)保持室內(nèi)安靜，以最大限度降低外界環(huán)境對(duì)信號(hào)采集的影響。采集到的信號(hào)可能混有各種噪聲和偽跡，為了確保信號(hào)的精度，在檢測(cè)分析前，需進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過預(yù)處理的信號(hào)還需進(jìn)行特征提取，以去除無效信號(hào)，提取出與患者意圖相關(guān)的、有用的信號(hào)特征量，常用的特征提取方法有小波變換、小波包分解，其中，小波包分解具有高穩(wěn)定性、任意多尺度等優(yōu)勢(shì)，是目前腦電波信號(hào)提取應(yīng)用最廣、最有效的方法。選擇分類是實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口功能最重要的一環(huán)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制，需從初始特征中選擇分類最佳的特征子集形成特征向量，輸入給分類器區(qū)分，再輸出對(duì)應(yīng)的邏輯控制信號(hào)[1-2]，目前應(yīng)用較多的分類器是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有參數(shù)選擇方便、分類準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。設(shè)備控制是腦機(jī)接口的最后一環(huán)，經(jīng)過處理的信號(hào)特征量被轉(zhuǎn)換為控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。

1.2 分類及作用機(jī)制

根據(jù)“侵入性”可將腦機(jī)接口分為侵入式腦機(jī)接口、半侵入式腦機(jī)接口和非侵入式腦機(jī)接口3類。其中，侵入式腦機(jī)接口是通過手術(shù)等方式將信號(hào)采集裝置（電極）直接植入患者大腦皮層，以獲得高強(qiáng)度、高質(zhì)量的信號(hào)，但此種方式經(jīng)濟(jì)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)均較高，極有可能引發(fā)免疫反應(yīng)和腦膠質(zhì)細(xì)胞結(jié)痂等炎癥反應(yīng)，從而導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。半侵入式腦機(jī)接口同樣是通過手術(shù)方式植入電極，但電極處于顱腔內(nèi)，未達(dá)到大腦皮層，相較于侵入式腦機(jī)接口，雖采集到的信號(hào)較弱，但免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)發(fā)生率均較低，安全系數(shù)較高。非侵入式腦機(jī)接口則無需手術(shù)，只需將電極附著在頭皮上，雖記錄到的信號(hào)強(qiáng)度較弱，但避免了昂貴的手術(shù)費(fèi)用和不良反應(yīng)的發(fā)生。

就目前的研究而言，腦機(jī)接口主要通過以下機(jī)制促進(jìn)卒中患者上肢功能和手功能康復(fù)，即依托腦機(jī)接口解碼患者腦電波，將其轉(zhuǎn)換成控制命令或信號(hào)以驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，通過對(duì)外部設(shè)備的控制輔助患者上肢和手進(jìn)行訓(xùn)練，從而增強(qiáng)肩、肘、指和腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)能力；或利用腦機(jī)接口設(shè)備直接作用于大腦，通過運(yùn)動(dòng)想象等思維作業(yè)，反復(fù)刺激相關(guān)大腦皮層，從而增強(qiáng)神經(jīng)元突觸之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)修復(fù)，使患者逐漸獲得相關(guān)運(yùn)動(dòng)能力[3-4]。

2 腦機(jī)接口在卒中患者上肢功能和手功能康復(fù)中的應(yīng)用

2.1 上肢功能方面

大腦具有一定的可塑性，能夠通過反饋使功能得到加強(qiáng)。腦機(jī)接口能夠直接對(duì)大腦中樞進(jìn)行干預(yù)，從而激活大腦神經(jīng)可塑性。有研究表明，通過接受腦機(jī)接口干預(yù)，卒中患者的大腦非對(duì)稱性能有所改善[5-6]。而大腦非對(duì)稱性能對(duì)患者功能康復(fù)有重要的影響，通過改善大腦非對(duì)稱性能，能夠有效促進(jìn)患者上肢功能康復(fù)。任海和謝志明[7]以60例卒中偏癱患者作為研究對(duì)象，探討了腦機(jī)接口對(duì)其上肢功能康復(fù)的影響，結(jié)果顯示，接受腦機(jī)接口干預(yù)的觀察組的上肢Fugl-Meyer 運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分、Wolf 運(yùn)動(dòng)功能評(píng)定量表評(píng)分、改良Barthel 指數(shù)評(píng)分均高于接受常規(guī)干預(yù)的對(duì)照組，表明腦機(jī)接口對(duì)促進(jìn)卒中偏癱患者上肢功能康復(fù)有重要意義。梁思捷等[8]通過對(duì)30例卒中患者進(jìn)行腦機(jī)接口干預(yù)，發(fā)現(xiàn)患者的上肢功能和日常生活能力均有一定的改善。向憲文等[9]認(rèn)為，腦機(jī)接口可顯著改善卒中患者的上肢功能，但腦機(jī)接口涉及諸多醫(yī)學(xué)倫理問題，在使用時(shí)需遵循隱私保護(hù)、知情同意等原則，以降低不良影響。此外，有研究表明，接受腦機(jī)接口干預(yù)的卒中患者中樞神經(jīng)元興奮性及注意力均有顯著提高[10-11]，提示腦機(jī)接口對(duì)促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復(fù)有重要意義；但腦電圖波形易受腦脊液、顱骨以及外界環(huán)境的影響，而事件相關(guān)去同步化（event-related desynchronization，ERD）強(qiáng)度并不是一個(gè)十分完善的評(píng)價(jià)中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元興奮性的指標(biāo)，還需進(jìn)一步借助影像學(xué)技術(shù)進(jìn)行深入探究。也有學(xué)者分析對(duì)比了腦機(jī)接口與神經(jīng)肌肉電刺激的效果，發(fā)現(xiàn)兩者在改善卒中偏癱患者上肢運(yùn)動(dòng)功能方面具有明顯的效果，但腦機(jī)接口更為有效[12]。由于卒中偏癱患者大多處于痙攣狀態(tài)，導(dǎo)致上肢肢體運(yùn)動(dòng)受限，而腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練可促使患者通過腦電信號(hào)直接控制神經(jīng)肌肉電刺激儀，從而刺激上肢肌群，增強(qiáng)肌肉力量，幫助患者完成伸肘、抬手腕等動(dòng)作，通過多次反復(fù)有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)后，患者上肢肌肉和關(guān)節(jié)結(jié)合體組織的感官輸入量增加，結(jié)締組織蠕變亦增加，肌肉黏度減少，肌梭傳入率增高，進(jìn)而降低了肢體肌張力，促使上肢功能得到很好的恢復(fù)[13]。也有研究將腦機(jī)接口與經(jīng)皮穴位電刺激療法結(jié)合起來，經(jīng)過8周干預(yù)，發(fā)現(xiàn)基于腦機(jī)接口的經(jīng)皮穴位電刺激療法的效果優(yōu)于單純經(jīng)皮穴位電刺激療法，患者上肢Fugl-Meyer 運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分及上肢動(dòng)作研究測(cè)試評(píng)分更高，并推測(cè)基于腦機(jī)接口的經(jīng)皮穴位電刺激療法有助于激活受損腦區(qū)，使其趨于健康人群的激活模式[14]，這也從側(cè)面說明了腦機(jī)接口有助于卒中患者上肢功能康復(fù)。

2.2 手功能方面

手是人類創(chuàng)造世界的重要工具，也是日常生活、信息和情感交流的重要載體，具有運(yùn)動(dòng)和感官功能，能夠進(jìn)行許多精確的動(dòng)作，包括提、拿、舉、握、捶、按、抓等。相對(duì)于整個(gè)人體體積，手部所占的體積非常小，但手部運(yùn)動(dòng)在大腦皮層的投影區(qū)特別突出，大腦運(yùn)動(dòng)皮層約有1/3用來控制手和上肢[15]。按照美國(guó)永久性障礙分類標(biāo)準(zhǔn)，上肢功能占全身功能的60%，手指功能占上肢功能的90%[16]。因此，健康的手功能在人們的工作和日常生活中發(fā)揮著非常重要的作用。隨著醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，卒中患者的生存率不斷提高，但后續(xù)的手功能問題卻日益突出。手功能障礙是肢體功能障礙的重要組成部分，據(jù)報(bào)道，高達(dá)60%的患者在卒中發(fā)生后半年患側(cè)手仍然處于活動(dòng)受限狀態(tài)[17]。因此，手功能康復(fù)成了卒中幸存者治療的重、難點(diǎn)，傳統(tǒng)的干預(yù)手段如冷療、電刺激等耗時(shí)長(zhǎng)、過程單調(diào)、缺少患者主動(dòng)參與的刺激與反饋，康復(fù)效果有待提升。

腦機(jī)接口通過對(duì)腦電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，能夠誘發(fā)患者主動(dòng)意識(shí)，促使患者主動(dòng)參與訓(xùn)練，進(jìn)而達(dá)到神經(jīng)功能重塑、手功能康復(fù)的目的。有學(xué)者通過對(duì)卒中患者的手功能康復(fù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)接受腦機(jī)接口干預(yù)的患者手腕部分得分顯著高于常規(guī)組，且腦區(qū)激活情況明顯強(qiáng)于常規(guī)組，認(rèn)為在腦機(jī)接口的作用下，患者大腦神經(jīng)可塑性進(jìn)一步被激活，皮質(zhì)得到重新塑造，從而使患者的手功能快速恢復(fù)[18]；但該研究樣本量較少、手部功能評(píng)價(jià)指標(biāo)單一，不足以完全說明腦機(jī)接口干預(yù)與患者手功能恢復(fù)的相關(guān)性。有研究表明，腦機(jī)接口識(shí)別率與患者手臂動(dòng)作調(diào)查測(cè)試結(jié)果成正相關(guān)，并提出通過利用腦機(jī)接口的反饋和外部設(shè)備的反復(fù)訓(xùn)練，可促使患者產(chǎn)生正常的運(yùn)動(dòng)模式，從而間接促進(jìn)正常的大腦信號(hào)產(chǎn)生，達(dá)到促進(jìn)大腦皮質(zhì)重塑的目的，最終使患者手臂動(dòng)作及腕伸肌、腕屈肌等運(yùn)動(dòng)能力和控制水平提高[19]。值得注意的是，損傷后的神經(jīng)重塑有正負(fù)性之分，為了促進(jìn)大腦皮質(zhì)重塑，需保證重塑干預(yù)措施的針對(duì)性和正效應(yīng)，以免患者產(chǎn)生非意向動(dòng)作。也有學(xué)者比較了腦機(jī)接口與傳統(tǒng)訓(xùn)練對(duì)卒中患者手部抓握功能的影響，結(jié)果顯示，觀察組手指關(guān)節(jié)主動(dòng)活動(dòng)度顯著優(yōu)于對(duì)照組，尤其是拇指總主動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度和示指總主動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度；此外，該研究還利用Fugl-Meyer 運(yùn)動(dòng)功能評(píng)定量表和改良Barthel 指數(shù)分別比較了兩組手指屈曲、伸展、鉤狀抓握、柱狀抓握等功能以及日常進(jìn)食、穿衣、洗澡等與手部功能有密切關(guān)系的活動(dòng)，結(jié)果顯示，干預(yù)后兩組上述指標(biāo)均有所改善，但觀察組手功能評(píng)分明顯高于對(duì)照組[20]，表明腦機(jī)接口訓(xùn)練能夠更好地促進(jìn)患者手功能康復(fù)，起到改善日常生活能力的作用。

3 未來展望

目前，雖然腦機(jī)接口在卒中康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景，尤其是在卒中患者上肢功能和手功能恢復(fù)方面，但腦機(jī)接口的廣泛應(yīng)用還存在一定的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在信號(hào)采集和醫(yī)學(xué)倫理方面。腦機(jī)接口信號(hào)采集多采用非植入式，雖避免了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)患者的二次傷害，但受皮層復(fù)雜結(jié)構(gòu)及外界環(huán)境的影響，導(dǎo)致采集到的信號(hào)可能不精準(zhǔn)；而植入式采集具有較大的創(chuàng)傷和更高的風(fēng)險(xiǎn)，且費(fèi)用昂貴；因此，如何兼顧信號(hào)精準(zhǔn)度與風(fēng)險(xiǎn)成了目前腦機(jī)接口應(yīng)用面臨的重要問題。腦機(jī)接口相當(dāng)于“讀腦”，不僅具備采集患者已表達(dá)出來的隱私信息的能力，還具備采集各種僅儲(chǔ)存在大腦的隱私信息的能力，因此，如何控制腦機(jī)接口僅提取對(duì)治療相關(guān)的信息成了目前必須解決的問題[21-22]。此外，閉鎖綜合征患者作為腦機(jī)接口的重點(diǎn)應(yīng)用對(duì)象之一，在對(duì)其應(yīng)用該技術(shù)之前，如何解決知情同意權(quán)的問題也是目前臨床關(guān)注的重點(diǎn)。

盡管腦機(jī)接口在短時(shí)間內(nèi)面臨上述各種暫無法完全解答的問題，但我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及各項(xiàng)制度的建立與完善，這些潛在的風(fēng)險(xiǎn)和倫理問題一定能夠得到有效管控和處理，腦機(jī)接口一定會(huì)給人類帶來更多機(jī)遇，為卒中患者上肢功能和手功能康復(fù)帶來更多成果。