康復領域應用腦機接口技術的研究進展

孫雪峰，王一丹，劉平，施聰聰，張紅石

1.長春中醫藥大學 護理學院，吉林 長春 130117；2.吉林大學中日聯誼醫院 康復醫學科，吉林 長春 130033

引言

腦 機 接 口 技 術（Brain-Computer Interface Technology，BCIT）是人機交互技術的一項新發展[1]，可在不涉及周圍神經和肌肉的情況下，將大腦活動產生的信號轉換為控制信號，并利用這些信號控制外部設備，進而起到替代、修復、增強、補充或改善機體功能的作用[2]。在康復領域應用BCIT 是現代康復醫療發展的趨勢，但BCIT 在我國醫學領域中的研究起步較晚。近年來，BCIT 在我國醫學領域中飛速發展，其潛在的醫學價值受到廣泛關注，國內外專家一直致力于該技術的研究與探索，提倡腦科學發展。

BCIT 可直接作用于大腦，實現大腦與機器之間的通信[3]，多用于神經功能障礙患者的康復治療中，如由腦卒中、腦損傷及其他中樞神經系統疾病引起的功能障礙。在康復診療過程中，康復治療師很難跟蹤肢體功能的客觀變化，而BCIT 可以在康復治療過程中從視覺、聽覺和觸覺等方面實現人機交互優化[4]，在充分發揮運動想象療法作用的同時，又增加了康復治療的趣味性，從而最大限度地改善康復體驗，提高康復診療效果[5]。但在疾病診斷、治療、評估過程中，臨床研究的特殊性決定了BCIT 的實踐研究必然會遇到不同的臨床問題?；诖耍疚恼撌隽薆CIT 的研究進展，以及康復領域應用BCIT 治療、診斷、監測疾病的研究現狀，進一步探討了BCIT 在臨床實踐研究中的局限性，以期為今后BCIT 臨床實踐的成熟化發展提供參考依據。

1 BCIT研究概述

1.1 BCIT基本原理及分類

腦機接口由腦、機和接口組成：“腦”即大腦，更多地指大腦神經活動信號，如頭皮腦電、皮質腦電、局部場電位等；“機”即機器，一般指計算機、輪椅、假肢、家居等人類能夠控制的設備；“接口”即利用機器學習或模式識別算法將神經活動信號轉換為機器能夠識別的控制信號，實現大腦和機器的連接[6]。完整的腦機接口系統由信號采集、特征提取、特征分類和外部控制設備4 部分組成，大腦活動產生的生物電信號借助過濾器形成可辨別的信號，被用來測量特定的特征，以反映用戶的意圖，通過輔助設備幫助患者完成相應動作[7-8]。該技術可根據不同信號采集位置分為侵入式腦機接口和非侵入式腦機接口：侵入式得到的信號質量較高[9]；非侵入式對人體創傷最小且安全性高，但不能精準感知大腦深處的腦電波，測得的信號噪聲較大，對信號后期的處理要求較高[10]。腦機接口系統具體工作流程如圖1所示。

圖1 腦機接口系統工作流程圖

1.2 國外BCIT研究現狀

1924年，德國精神科醫生漢斯·貝格爾發現了腦電波，正式開啟了BCIT 的先期研究[11]。1960—1970年，BCIT開始初具規模，相關研究和機構逐漸起步[12]。1973年，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校教授Jacques Vidal 首次提出了“腦機接口”概念[13]。2005年至今，BCIT 進入臨床試驗階段，商業化發展開始起步，相關技術和企業數量進一步增加，應用和熱度也日漸攀升。近十幾年來，BCIT 已在眾多領域顯現出廣闊前景，發揮其不可替代的優勢作用，其中，腦機接口系統在神經機制領域的應用研究有顯著優勢[14]。

1.3 國內BCIT研究現狀

2014年，天津大學將腦機接口運動想象和物理康復療法結合在一起，研發了第一臺人工神經機器人系統“神工一號”[15]，成為全球首個適用于全肢體中風康復的“純意念控制”人工神經機器人系統。該系統通過解碼大腦意圖信號，借助外力驅動患肢完成相應的動作，同時對其受傷的腦區神經進行修復和重建。能夠真正實現大腦皮層與肌肉活動的同步耦合，做到“身隨意動、思行合一”[16]。

近年來，高忠科教授團隊采用深度學習模型解決多個領域中腦電信號辨識的難題，取得了一系列進展：2017年，其團隊構建了正常狀態和癲癇發作時的腦電信號可視圖，并結合支持向量機進行癲癇分類，準確度高達100%[17]；2018年，提出一種基于小波時頻的復雜網絡方法[18]；2019年，提出一種基于腦電信號的新型時空卷積神經網絡，用于檢測駕駛員的疲勞程度，可實現高達97.37%的分類精度[19]；2020年，采用基于腦電圖通道融合密集卷積神經網絡實現情感識別[20]；通過模擬人工提取特征模式設計卷積神經網絡，實現基于腦電信號的高精度情緒識別和疲勞駕駛檢測[21]；提出一種基于視覺誘發電位的復雜網絡與深度學習集成算法，為腦機接口系統提供了一種特征提取和特征分類的新思路[22]。

2 BCIT在康復領域中的具體運用

我國BCIT 起步較晚，但發展迅猛，已經擴展到臨床研究的各個領域。目前康復領域中BCIT 主要應用在腦卒中等神經系統疾病中[23]，具有促進神經可塑、病情診斷、治療、評估等作用。

2.1 診斷領域

BCIT 主要承擔抑郁癥患者的診斷與監測功能，具有代表性的為情感腦機接口（Affective Brain-Computer Interface，ABCI）。ABCI 為抑郁癥的診斷與監測提供了客觀依據，它是一種對人的情緒進行識別和（或）調控的腦機接口，是情感智能的一個分支，也是目前實現情感智能的主要途徑[24]。ABCI 可同步采集腦電、眼動等多模態數據，多角度對情緒建模，利用面部表情識別攝像頭、錄音設備以及睡眠狀態監測手環等，采集患者的行為信息和生理特征，從而提高抑郁癥診斷的準確性[25]。醫護人員應盡可能地用多種方式誘發患者情緒，讓受試者快速適應實驗環境。當于早期識別出患者不良情緒時，護理人員應及時評估總結，對有抑郁傾向的患者給予護理干預。

2.2 治療領域

BCIT 已被證明是為神經系統損傷患者提供替代交流和活動的有效工具，以實現更多的互動和更快的神經恢復[26]。優勢病種常包括：腦卒中、脊髓損傷、肌萎縮側索硬化等疾病。以腦卒中為例，臨床上已出現許多治療方法以幫助腦卒中患者恢復功能，如功能訓練、物理療法、作業療法等[27]，以上常規的治療技術均集中于患者的外周治療，忽視對患者大腦的直接干預，有限的神經康復模式已無法滿足中樞損傷患者日益增長的康復需求。隨著我國大力發展腦科學，BCIT 治療腦卒中患者受損功能成為一種可能。BCIT 已被應用于腦卒中患者上肢、手部功能障礙等方面的治療。

其中，Morone 等[28]在研究中報道了基于腦機接口系統的康復機器人，有助于恢復腦卒中患者的上肢功能，尤其是與傳統治療方法相結合，效果更顯著；Leeb 等[29]研究表明腦機接口系統和虛擬現實相結合的新型技術在腦卒中患者的神經康復中起著重要的作用；Wu 等[30]選取25 例亞急性中風患者，并伴中重度上肢功能癱瘓，分別給予常規治療和BCIT 治療，干預4 周后發現，包括BCIT 訓練在內的綜合康復訓練能較常規訓練更好地增強患肢的運動功能；Mattia 等[31]在研究中將48 例首次單側亞急性腦卒中患者，分別給予BCIT 輔助手進行運動想象訓練和無BCIT 支持的手部運動想象訓練，干預6 周后，BCIT 組的運動功能評分量表（FMA）、改良Ashworth 量表（MAS）、徒手肌力評定（MMT）得分明顯高于單純訓練組，表明基于BCIT 的手部運動訓練能夠進一步改善腦卒中后患者手部功能。同樣，荷蘭烏特勒支大學的科研團隊利用BCIT 系統為肌萎縮側索硬化患者提供一種新的交流途徑，實現了與外界的溝通，提高了生活質量[32]；Jovanovic 等[33]采用BCIT 來治療脊髓損傷后患者，改善了患者的伸手抓握功能。

2.3 評估領域

BCIT 在評估領域多被用來識別失眠及創傷后應激障礙，通過識別失眠患者的危險因素[24]，防止出現焦慮、抑郁等其他精神疾病癥狀。基于腦電信號的失眠疲勞狀態識別和預警可以有效降低睡眠障礙問題造成的過度疲勞引發的工作危險[34]；Micoulaud-Franchi 等[35]進一步綜述了腦電圖神經反饋對焦慮障礙、創傷后應激障礙的認識和理解。

3 康復領域應用BCIT的護理現狀分析

2018年，唐瑋等[36]發明了一項基于BCIT 的智能護理系統的專利，該智能護理設備與微型計算機系統通過無線連接，接收微型計算機系統發布的智能護理設備驅動命令并執行相應的護理動作。能夠根據不同用戶進行自適應調節，以準確、快速地完成智能護理任務。此類腦機接口機器人在殘疾人康復、老年人護理領域具有顯著的優勢，主要解決老年人安全管理與便溺管理兩大重點難題。但由于臨床研究的特殊性，BCIT 在我國康復護理領域也面臨諸多現實問題。如臨床研究的倫理問題、隱私泄露風險問題、侵入式腦機接口治療對人體造成創傷和感染問題[37]、患者使用安全問題、患者心理應激問題、患者營養支持問題、后續維護問題等，都會使BCIT 在康復護理臨床領域中的應用受到限制。因此，BCIT 的臨床研究注定是多學科交叉、合作的團隊研究模式，其中，符合BCIT 的護理模式成為了護理學科研究的新領域。目前，國內尚缺少護理學與BCIT 相融合的專科護理模式，導致BCIT 的臨床研究常常忽略了腦機接口患者對護理的需求，降低了BCIT 的臨床應用實效。因此，未來要真正實現BCIT 的臨床應用，必須要有專業的護理團隊協助開展工作。

4 康復領域應用BCIT的護理發展啟示

4.1 加強BCIT中的護理評估

腦機接口使用有創和無創技術檢測和測量不同BCIT 模式的腦活動[38]，其中，侵入性腦機接口是將電極置于大腦皮層內，與神經元直接互動，能夠較為精確地捕捉到患者的大腦信號。侵入性腦機接口作為一種介入治療方法，除了需要復雜的手術、醫療條件之外，還存在很高的風險，其中最為突出的就是感染與免疫排斥反應[39]。作為護理人員，應該在患者介入術前、術后對其基本生命體征及精神狀態進行詳細評估，防止介入術后發生顱內感染，進而造成嚴重后果。同時，患者在康復的過程中，還應防止發生跌倒，尤其是有肢體功能障礙的患者?？傊?，在應用、發展BCIT 的過程中，做好臨床護理工作尤為重要。

4.2 強化對康復專科護士的技能培訓

BCIT 作為一種新型技術逐漸出現在國內醫療領域中，更多地被應用于康復領域。不僅是康復治療師要掌握此技術，于臨床護理而言，尤其是康復?？谱o士，也應加強BCIT 的相關培訓，包括其基本儀器設備的連接方法、BCIT 系統工作原理、電腦屏幕所示信息含義等。通過醫護團隊合作，最大程度恢復患者功能、提高生活質量、重返社會，促進我國醫學領域BCIT 的發展。

5 總結與展望

目前，關于侵入式和非侵入式BCIT 在康復輔助及訓練中的研究取得了突破性的進展，展現了巨大的潛力，解決了傳統醫學治療方式的缺陷。但當前的BCIT 康復系統仍處于實驗應用階段，距實用化、市場化還有一段距離。在神經機理、理論技術、硬件設備、交互設計等方面仍存在許多瓶頸，需各學科研究人員的協同合作，以促進BCIT 在臨床醫療實踐中的應用，提高腦機接口的實用性和便捷性，推動康復領域中的BCIT 趨向成熟，幫助患者實現運動與認知功能的綜合康復。

護士是BCIT 康復團隊中不可或缺的組成部分，康復領域應用BCIT 為護理發展提供諸多啟示，將BCIT與臨床護理緊密結合，為今后BCIT 廣泛應用于臨床打基礎，有助于醫、工、護多學科交叉合作發展?？祻蛯？谱o士應加強BCIT 相關培訓，突出BCIT 的專科護理特色，培養?？谱o理人才；提高專科護士在BCIT 中的科研能力，提高?？谱o理質量。