腦機(jī)接口技術(shù)治療腦卒中后運動功能障礙研究進(jìn)展

朱玉連，梁思捷

1 復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院，上海200040；

2 上海體育學(xué)院，上海200438

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，腦-計算機(jī)接口（braincomputer interface，BCI）、虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（augmented reality，AR）等人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，并逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。BCI 因其直接作用于大腦，可以誘導(dǎo)大腦的可塑性，并促進(jìn)大腦的功能重組，在腦卒中后康復(fù)治療，尤其在改善腦卒中患者運動功能方面展現(xiàn)了一定的優(yōu)越性［1］。腦卒中具有高發(fā)病率、高致殘率等特點，腦卒中后會造成諸多功能障礙， 其中以運動功能障礙最常見［2］，給家庭和社會帶來沉重的負(fù)擔(dān)。目前，腦卒中后常規(guī)的治療技術(shù)均集中于患者的外周治療，而忽視對患者大腦的直接干預(yù)［3］，有限的神經(jīng)康復(fù)模式已無法滿足中樞損傷患者日益增長的康復(fù)需求。BCI 在改善腦卒中患者運動功能和提高患者生活水平方面效果顯著，本研究對BCI 技術(shù)治療卒中后運動障礙的機(jī)制、療效和存在的問題進(jìn)行綜述。

1 腦機(jī)接口簡介

1.1 腦機(jī)接口的定義

腦-計算機(jī)接口（BCI）又稱腦-機(jī)器接口（Brainmachine interface ，BMI），是一種硬件和軟件相結(jié)合的通信系統(tǒng)技術(shù)，通過使用腦電活動產(chǎn)生的控制信號，使人類能夠在不受周圍神經(jīng)和肌肉影響的情況下與周圍環(huán)境進(jìn)行交互。 若只是簡單地記錄和分析大腦信號而不以實時交互的方式向用戶提供分析結(jié)果的系統(tǒng)則不是BCI。BCI 通過控制計算機(jī)、語音合成器、輔助器具和神經(jīng)假肢等外部設(shè)備以實現(xiàn)一定的功能［4］。 通過這些功能，BCI 能起到改善患者的生活質(zhì)量，同時降低醫(yī)療費用的作用。

1.2 腦機(jī)接口的分類

BCI 的信號一定是來源于大腦中樞系統(tǒng)的信號，而非中樞性信號的采集與傳輸則不能稱為BCI。根據(jù)BCI 信號采集的位置，BCI 可分為侵入式腦機(jī)接 口（invasive brain-computer interface，IBCI）與 非侵入式腦機(jī)接口（noninvasive brain-computer interface，NBCI）2 類［5］。 根據(jù)信號采集形式的不同，分為腦電圖（electroencephalography，EEG）、皮質(zhì)電圖（electrocorticogram，ECoG）、腦磁圖（magnetoencephalogram，MEG）、皮質(zhì)內(nèi)電信號圖（intracortical neuron recording，INR）、近紅外光譜（near infrared spectroscopy，NIRS）和功能性核磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）等。而這些神經(jīng)信號采集方法主要是活動檢測、時間和空間分辨率、安全性和可移動性等方面存在不同［4］。 見表1。

表1 BCI 中樞神經(jīng)信號采集方式Table 1 BCI central nervous signal collection methods

2 BCI 臨床治療工作原理與理論基礎(chǔ)

2.1 BCI 臨床治療工作原理

BCI 治療腦卒中的工作流程大致可分為信號采集、預(yù)處理或信號增強(qiáng)、特征提取、分類和控制接口5 個步驟。 BCI 可以利用特殊裝置提取腦卒中患者的大腦信號，并通過放大器、過濾器等形成可辨別的信號，由輸入系統(tǒng)對輸入信號進(jìn)行特征提取，然后將其轉(zhuǎn)化為輸出命令，最后通過設(shè)備將輸出命令傳出，通過輔助設(shè)備等幫助患者完成相應(yīng)的動作，從而完成反饋［6］。 見圖1。

2.2 BCI 臨床治療理論基礎(chǔ)

BCI 創(chuàng)造了一個新的非肌肉通道，通過訓(xùn)練腦卒中患者控制大腦信號，使腦卒中運動功能障礙患者能夠利用大腦信號來交流和控制運動，從而繞過受損的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)，在此過程中將大腦的神經(jīng)活動轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぽ敵?，以恢?fù)、替代或彌補(bǔ)大腦的神經(jīng)活動輸出，進(jìn)而促進(jìn)大腦與環(huán)境之間的交互作用，這為有嚴(yán)重運動障礙患者的康復(fù)治療提供了新思路。當(dāng)正常運動功能的通路失效時，BCI 可以利用大腦信號作為交流或設(shè)備控制的替代通道，或者潛在地作為一種影響大腦神經(jīng)可塑性過程的方式，從而誘導(dǎo)正常運動的恢復(fù)［4］。 神經(jīng)可塑性是指神經(jīng)系統(tǒng)在不同因素影響下，通過學(xué)習(xí)來調(diào)整結(jié)構(gòu)、功能和連接的能力，它為神經(jīng)功能恢復(fù)奠定了理論基礎(chǔ)。神經(jīng)可塑性的類型和程度是以任務(wù)為導(dǎo)向的，對時間具有一定的敏感性，在受環(huán)境影響的同時，活動的動機(jī)等也不容忽略［7］。其機(jī)制包括樹突發(fā)芽、軸突發(fā)芽、備用通路利用、突觸數(shù)量增加等方面［8］。 在康復(fù)治療過程中，神經(jīng)可塑性對于神經(jīng)損傷后運動功能的恢復(fù)至關(guān)重要，而利用大腦結(jié)構(gòu)的功能重組和大腦的可塑性促進(jìn)腦卒中后功能改善是目前的熱點與難點問題［9］。

有研究表明，通過對預(yù)期的運動提供反饋，恢復(fù)動作的感知耦合，BCI 已經(jīng)被證明可以誘導(dǎo)腦卒中患者大腦的神經(jīng)可塑性，這與傳統(tǒng)康復(fù)治療過程中遵循的原則相似［10］，通過BCI 治療能夠重組腦卒中患者的大腦連接，加強(qiáng)神經(jīng)元的功能性募集以及促進(jìn)殘存神經(jīng)通路的重塑，從而調(diào)節(jié)患者的大腦活動。 fMRI 結(jié)果顯示，通過BCI 進(jìn)行治療，腦卒中患者損傷的腦區(qū)皮質(zhì)激活狀態(tài)提高，促進(jìn)了患者運動功能的改善。 另外，通過運動再學(xué)習(xí)等模式促進(jìn)功能性活動時，能夠激發(fā)突觸的連接，改善腦卒中患者的運動功能。 而BCI 在整合其他模式一起治療時，利用特征性的信號可以將外周性的刺激和大腦的激活相結(jié)合，形成正常的運動模式，從而促進(jìn)患者肌肉的活動，提高其運動功能［11］。

圖1 BCI 工作流程Figure 1 BCI work flow

3 BCI 治療腦卒中后運動功能障礙進(jìn)展

腦卒中后運動功能障礙是臨床上最為常見的后遺癥，具體可分為上肢、手、下肢運動功能障礙等。 目前，臨床上治療腦卒中后運動功能障礙主要采取的是NBCI，EEG 是其常用的采取腦電信號方式。 通過恢復(fù)和替代這2 種方法來促進(jìn)腦卒中患者大腦的神經(jīng)可塑性，從而幫助患者運動功能的康復(fù)。①恢復(fù)是指通過BCI 進(jìn)行治療，使腦卒中患者產(chǎn)生正常的大腦活動，對其神經(jīng)可塑性進(jìn)行干預(yù)，使中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復(fù)到正常水平，達(dá)到改善運動控制的目的。 有研究認(rèn)為適當(dāng)?shù)闹委煼椒梢愿淖兡X信號特征，引起周圍完整區(qū)域的突觸生長、突觸發(fā)生增加以及軸突發(fā)芽增多等神經(jīng)元功能的改變［12］。通過誘導(dǎo)這些腦活動特征的改變，BCI 可以引導(dǎo)神經(jīng)可塑性，完善腦卒中患者治療過程，從而促進(jìn)其運動功能的恢復(fù)。 ②替代是指使用大腦活動來激活輔助運動的設(shè)備，通過改善腦卒中患者運動功能，來產(chǎn)生感覺輸入，從而誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，促進(jìn)其恢復(fù)正常的運動控制，實現(xiàn)替代上、下肢的運動等。 腦卒中患者通常無法自主進(jìn)行正常運動，需借助其他方式協(xié)助完成，常使用的輔助設(shè)備包括功能性電刺激、外骨骼和機(jī)器人假體等。

3.1 BCI 治療腦卒中后上肢運動功能障礙進(jìn)展

VARKUTI 等［13］利用基于運動想象的BCI 技術(shù)對6 名慢性期腦卒中患者進(jìn)行治療，發(fā)現(xiàn)5 名患者Fugl-Meyer 上肢功能評分明顯提高。 另有研究比較BCI 聯(lián)合機(jī)器人輔助治療和機(jī)器人單獨治療9 例慢性期中重度腦卒中患者患側(cè)上肢運動功能的康復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)BCI 聯(lián)合機(jī)器人輔助治療組患側(cè)上肢運動功能改善更顯著，患者受損腦部結(jié)構(gòu)和神經(jīng)可塑性功能也得到改善［14］。 國外隨機(jī)對照試驗結(jié)果也表明BCI 結(jié)合功能性電刺激或經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)可以有效改善腦卒中患者上肢運動功能［15］。

3.2 BCI 治療腦卒中后手運動功能障礙進(jìn)展

DALY 等［16］觀察腦卒中患者患側(cè)手進(jìn)行抓取任務(wù)時的腦電圖活動，發(fā)現(xiàn)這些腦電圖特征信號隨著運動的改善而改變。 劉小燮等［17］對腦卒中患者進(jìn)行4 周基于運動想象的腦機(jī)交互康復(fù)訓(xùn)練治療，fMRI掃描顯示病灶同側(cè)大腦代償功能逐漸恢復(fù)，病灶對側(cè)大腦的泛化激活減少，大腦皮質(zhì)重塑，激活模式接近正常模式，患側(cè)手運動功能也出現(xiàn)一定提高。ANG 等［18］應(yīng) 用BCI 治 療 腦 卒 中 患 者，發(fā) 現(xiàn) 可 以 有效改善患者上肢運動功能，促進(jìn)后遺癥期腦卒中患者患側(cè)手和腕關(guān)節(jié)的康復(fù)。

3.3 BCI 治療腦卒中后下肢運動功能障礙進(jìn)展

TAYLOR 等［19］利 用BCI 對 腦 卒 中 患 者 進(jìn) 行 干預(yù)，在受試者踝關(guān)節(jié)背屈時進(jìn)行運動想象，使用腦電圖采集運動相關(guān)電位，研究發(fā)現(xiàn)BCI 治療可改善腦卒中患者下肢的運動皮質(zhì)興奮性。 方文垚等［20］對20 名腦卒中患者在常規(guī)治療基礎(chǔ)上進(jìn)行下肢BCI治療，結(jié)果顯示患者下肢肌力以及下肢Fugl-Meyer評分較治療前明顯提高。

3.4 BCI 治療腦卒中后步行功能障礙進(jìn)展

CHUNG 等［21］應(yīng) 用BCI 結(jié) 合 功 能 性 電 刺 激 治 療腦卒中患者，結(jié)果顯示患者起立行走計時、步幅和步寬均有明顯提高，該療法可以有效改善腦卒中患者步行功能和平衡功能。 有研究應(yīng)用BCI 干預(yù)重度腦卒中患者，發(fā)現(xiàn)BCI 干預(yù)組患者的10 m 步行速度以及運動誘發(fā)電位顯著提高［22］。

4 BCI 治療腦卒中后運動功能障礙存在的不足

BCI 作為一種全新的控制與交流方式，被逐漸應(yīng)用于臨床，特別是在腦卒中患者療效較為顯著，但BCI 治療仍處于起步階段，尚有許多不足［23］。

4.1 BCI 信號采集質(zhì)量有待提高

BCI 設(shè)備質(zhì)量問題主要包括腦卒中患者大腦信號采集質(zhì)量、信號加工的長期效用等，這些因素會影響腦電信號的采集和應(yīng)用，從而影響治療效果［24］。

4.2 BCI 治療運動處方參數(shù)設(shè)置亟待規(guī)范

從現(xiàn)有研究來看，BCI 治療腦卒中患者的具體恢復(fù)機(jī)制以及影響B(tài)CI 康復(fù)治療有效性的因素尚不明確，具體包括腦卒中患者的損傷類型及恢復(fù)階段以及BCI 治療腦卒中患者時的強(qiáng)度、類型和治療時間等。 這些不確定因素將影響B(tài)CI 治療運動處方的制定，從而影響治療效果。 這還需要更大規(guī)模的臨床研究以及fMRI 等影像學(xué)檢查進(jìn)一步驗證。

4.3 BCI 治療方式選擇存在難點

目前，腦卒中康復(fù)治療的BCI 主要包括IBCI和NBCI。 IBCI 需要通過外科手術(shù)將芯片等硬件植入患者大腦，雖在神經(jīng)信號采集和傳輸方面有一定的優(yōu)勢，但也會造成繼發(fā)性損傷或感染，患者通常不易接受，倫理審查也很難通過［25］。 而NBCI 雖因安全、方便、無創(chuàng)而受到較多患者青睞，但其采集信號精度卻不如IBCI［3］。 因此，如何平衡IBCI 和NBCI在腦卒中治療過程中的有效性和安全性，還需要進(jìn)一步研究［26］。

5 總 結(jié)

綜上，BCI 治療腦卒中后運動功能障礙療效較好，為臨床治療腦卒中后運動功能障礙提供了新的有效借鑒。 但患者腦組織損傷程度、病程進(jìn)展各不相同，如何提高BCI 信號采集質(zhì)量、合理設(shè)置BCI 運動處方參數(shù)及正確選擇BCI 治療方式是臨床工作者需重點關(guān)注的課題；其有關(guān)作用機(jī)制也還有待于進(jìn)一步深化研究。