腦機接口技術(shù)在意識障礙領(lǐng)域應(yīng)用的前景展望

李遠清

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腦機接口技術(shù)在意識障礙領(lǐng)域應(yīng)用的前景展望

李遠清

腦機接口(brain computer interface，BCI)研究的是在大腦與外部設(shè)備之間建立新的通信通道，進行信息傳遞。這項技術(shù)在上世紀九十年代起步，2000年后逐漸成為研究熱點。BCI的研究涉及生物、醫(yī)學、計算機、通信等眾多領(lǐng)域,是一個交叉學科的研究方向。隨著BCI的發(fā)展，動物士兵、昆蟲士兵相繼出現(xiàn)，一些輔助診斷和輔助治療的BCI系統(tǒng)在醫(yī)學上開始越來越廣泛的被應(yīng)用。本視頻介紹腦機接口在意識障礙領(lǐng)域的應(yīng)用。這個技術(shù)在國內(nèi)外，都只是方興未艾。

一、背景與方法

目前對于植物生存狀態(tài)(vegetative state，VS)和微小意識狀態(tài)(minimally conscious state，MCS)的評估或診斷，主要是基于各種行為量表，如格拉斯哥昏迷評分(Glasgow coma scale，GCS)和Johnson康復機構(gòu)附屬JFK醫(yī)學中心的昏迷恢復量表(coma recovery scale revised，R-CRS)，這樣做的缺陷是誤診率很高。因此設(shè)想用BCI量化人的意識程度。

BCI作為信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括信號的采集、處理、輸出和反饋等裝置。信號采集系統(tǒng)是腦機接口的輸入裝置，用于采集大腦活動的信號。首先提取腦信號，然后將腦信號進行處理，把這個信號翻譯成一種控制信號，控制信號作用于患者以后就得到反饋，然后患者根據(jù)這個反饋可以實時地調(diào)節(jié)腦信號，從而達到提高控制效果的目的。

BCI所用的腦信號可以是功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)，但是它的成本太高了，而且實時性也很差；也可以是功能性近紅外光譜(functional near infrared spectroscopy，fNIRS)，但目前也比較貴，而且不是很穩(wěn)定；最現(xiàn)實的還是用腦電圖，因為腦電圖相對來講便宜，而且使用起來很方便，不足之處是它的信號質(zhì)量會差一些。

信號處理系統(tǒng)是BCI的核心部分，通過它實現(xiàn)將輸入信號向控制信號的轉(zhuǎn)化。信號處理系統(tǒng)可分為特征提取和特征轉(zhuǎn)換算法兩個部分。

特征轉(zhuǎn)換算法旨在將特征提取后的信號轉(zhuǎn)換為控制外界裝置的命令。不同的BCI采用了不同的特征轉(zhuǎn)換算法。特征轉(zhuǎn)換算法通過一定的特征轉(zhuǎn)換函數(shù)將信號特征劃分為不同的類別。特征轉(zhuǎn)換函數(shù)可以是線性的，也可以是非線性的。線性的轉(zhuǎn)換函數(shù)包括線性判別分析和線性方程等，而非線性的轉(zhuǎn)換函數(shù)如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。BCI最普遍的輸出裝置為顯示器，如在屏幕呈現(xiàn)的信息中選擇某個字母或圖標或直接控制光標的移動。

二、國外研究進展

我們檢索了目前在意識障礙方面應(yīng)用BCI的文章，有以下幾篇：第一篇是柳葉刀上的一篇文章，這個也不能說是完全的腦機接口，他用16個VS病例進行實驗，12個正常人作為對照，做的任務(wù)是右手的運動想象或者腳趾的運動想象，然后進行分類和信號處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)16個患者中有3個(19%)能夠達到顯著的分類效果，準確率不是很高。正常對照組有9個可以達到顯著的分類效果，準確率是75%。當然還有一個很關(guān)鍵的地方，就是他用的任務(wù)是運動想象，運動想象對那些沒有特定運動經(jīng)驗的人，本身分類就不太容易。

第二篇文章是一個MCS的個案報道。他做的任務(wù)是想象擺動腳趾和緊握右手。這個研究就比較符合BCI了，因為他增加了實時反饋的內(nèi)容。它分類的準確率平均在50%～60%，不算很高，但是最高的準確率達到82.5%。

第三篇文章的病例多一些，有22個嚴重腦損傷的患者，包括14個MCS和8個VS，以及12個健康人對照。實驗方法一項是被動的——聽，兩項是主動的——數(shù)自己的名字，以及數(shù)不熟悉的名字。然后他做一些信號處理，主要是分析了事件相關(guān)電位(event-related potential，ERP)，發(fā)現(xiàn)這些VS患者和正常人的P3波是存在差異的，但在MCS組與正常人之間沒有發(fā)現(xiàn)差異。

第四篇文章，包括18個嚴重腦損傷患者，其中2個閉鎖綜合征((locked in syndrome，LIS)，13個MCS，3個VS，以及16個健康人對照。檢測的任務(wù)是命令跟隨，18個病例里有2個病例，1例是LIS在線的有命令跟隨，還有1例MCS是離線檢測到命令跟隨。這個研究當然也是有不足之處，因為18個病例嚴格來講僅1個有命令跟隨。

因此，就目前來講，雖然用BCI做意識障礙病例的研究是一個很有前景的方向，但是問題還很多。第一個就是準確率普遍不高，擺在我們面前的一個首要任務(wù)，就是要提高準確率。關(guān)鍵問題是患者的信號和正常人的差別太大，患者的認知能力也很低。另一個問題就是大量的研究沒有包含反饋的內(nèi)容，反饋是BCI里面一個很關(guān)鍵的因素，也是一個很重要且很有意義的一個因素。

三、我們做的工作

下面報告我們在這方面做的一點工作。我們是和廣州軍區(qū)總醫(yī)院合作，做到現(xiàn)在近兩年時間。我們首先是用BCI來檢測意識狀態(tài)，這是第一個目的。第二個目的，我們要開發(fā)那種比較強大的BCI，讓這個檢測盡量的敏感。

我們的實驗設(shè)計是在電腦上顯示兩張照片，一張是患者自己的，一張是別人的。讓患者執(zhí)行兩個任務(wù)，第一個任務(wù)是讓他選出自己的照片，第二個任務(wù)是讓他選別人的照片，不選自己的照片。我們還讓兩張照片以一定的頻率閃爍，從BCI角度來講，是兩種模態(tài)混合的。我們同時用了兩種刺激，一個是相框誘發(fā)P300波，還有一個是通過照片閃爍來誘發(fā)穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(steady-state visual evoked potential，SSVEP)。SSVEP和P300等皮層誘發(fā)電位信號因易于處理且不要長時間訓練而被廣泛應(yīng)用。

P300是指在刺激出現(xiàn)后300～400 ms時出現(xiàn)的內(nèi)源性ERP，通常通過Oddball范式誘發(fā)。所謂Oddball范式，是指在標準刺激(大概率刺激)的序列中，偏差刺激或靶刺激(小概率刺激)誘發(fā)的ERP。Farwell和Donchin等最早將P300作為控制信號應(yīng)用于BCI，他們提出了基于P300的拼寫系統(tǒng)。

SSVEP是指由固定頻率閃爍的視覺刺激所產(chǎn)生的誘發(fā)電位，通常包含了與刺激頻率相同的基波和諧波。SSVEP既與刺激信號的頻率有關(guān)，也與刺激信號的強度有關(guān)。以往研究均認為，基于SSVEP的BCI依賴于注視點的轉(zhuǎn)移。Allison等認為，只要注意的焦點發(fā)生轉(zhuǎn)移，即使注視點未發(fā)生轉(zhuǎn)移也能產(chǎn)生不同的SSVEP。

我們基于以上的研究一共納入8個病例參與這個實驗，其中包括4例VS，3例MCS，1例LIS。實驗過程中我要他選自己的照片，他這樣就盯著它看，看一會兒以后計算機再實時的處理，就可以把自己的照片給選出來，然后要他選另外一張照片也是類似的。為了讓他明白，家屬和醫(yī)生在實驗過程中反復跟他強調(diào)，根據(jù)選擇結(jié)果實時地給他一個反饋，摸索對了肯定會給他一個鼓勵，錯了之后也有一個相應(yīng)的反饋。

數(shù)據(jù)分析的過程我就不詳細講了，我們將P300和SSVEP的檢測結(jié)果合起來做一個判決，再通過統(tǒng)計檢驗得到我們的結(jié)果。結(jié)果是8個病例里有3例能檢測到命令跟隨，其中一例是VS，一例是MCS，還有一例是LIS。8例患者中對自己照片比較敏感的病例稍多一些，有5例能選出自己的照片，但是能選出別人的照片就只有3例。我們還做了離線分析和統(tǒng)計檢驗，結(jié)果都是類似的。

這一次用BCI來做意識檢測的實驗中，我們設(shè)計了兩個程序，第一個程序是要患者識別自己的照片，第二個程序是識別別人的照片。有3個患者(37.5%)能夠完成這個任務(wù)，同時ERP分析也確實發(fā)現(xiàn)，他們有明顯的P300波，或者SSVEP的反應(yīng)。

當然還有一點要強調(diào)的，如果通過BCI得到了正的結(jié)果，那么一般來講是沒問題，說明患者有意識；但是如果得到負的結(jié)果，卻不代表他真正的沒有意識。我們實驗中檢測到有意識的一個患者，他恢復的很不錯，兩個月以后他就脫離了MCS，6個月以后他就開始說話了。

BCI是在大腦和計算機或其他電子設(shè)備之間建立不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路(外周神經(jīng)和肌肉組織)的全新通訊和控制技術(shù)。人們可以直接通過腦來表達想法或操縱設(shè)備，而不需要語言或動作，這可以有效增強身體嚴重殘疾的患者與外界交流或控制外部環(huán)境的能力，以提高患者的生活質(zhì)量。BCI系統(tǒng)的順利開展需要多學科多方面人才的協(xié)同工作，相信隨著各學科的不斷發(fā)展與融合，將促進其向更高科學層次和更深技術(shù)內(nèi)容的境界發(fā)展，并將以其實用性應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

2015-02-09)

(本文編輯：楊藝)

10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2015.02.017

510600廣州，華南理工大學自動化科學與工程學院

李遠清，Email：yuanqingli@163.com

李遠清.腦機接口技術(shù)在意識障礙領(lǐng)域應(yīng)用的前景展望[J/CD].中華神經(jīng)創(chuàng)傷外科電子雜志,2015,1(2)：124-125.