“人工智能+智慧醫(yī)療”背景下腦機(jī)接口技術(shù)對腦卒中康復(fù)的應(yīng)用研究

摘要：積極探索神經(jīng)功能損傷的腦卒中康復(fù)治療技術(shù)在近年來的醫(yī)療行業(yè)釋放出巨大的潛力和價值。康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域正在面臨數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級，數(shù)智時代為康復(fù)醫(yī)學(xué)帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。為了滿足優(yōu)質(zhì)便捷、智能高效的康復(fù)技術(shù)的迫切需求，一系列新型人工智能康復(fù)技術(shù)應(yīng)運而生?；谀X機(jī)接口的腦卒中康復(fù)技術(shù)的應(yīng)用不僅加速了康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域智慧數(shù)字化產(chǎn)品的研發(fā)和普及，而且通過人機(jī)交互提高了腦卒中康復(fù)治療的有效性。

關(guān)鍵詞：腦卒中；腦機(jī)接口；康復(fù)

近年來，在國家各項政策加持下，中國醫(yī)療科技發(fā)展勢頭迅猛，人工智能技術(shù)異軍突起，催生智慧醫(yī)療蝶變。迄今為止，人工智能技術(shù)與醫(yī)療行業(yè)的結(jié)合是未來大健康產(chǎn)業(yè)升級的重要一環(huán)，在生物技術(shù)、醫(yī)院管理、健康管理、可穿戴設(shè)備、醫(yī)學(xué)影像等多個領(lǐng)域都取得了比較突出的成就。由此可見，人工智能賦能智慧醫(yī)療在精準(zhǔn)醫(yī)療方面起到了聯(lián)動作用，助力地方醫(yī)療服務(wù)能力提升與轉(zhuǎn)型升級。

一、腦卒中康復(fù)治療的研究意義

腦卒中以“危、重、急”著稱，是人類健康第一殺手，病中之最。它是一種起病快、康復(fù)慢、危害創(chuàng)傷大的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，具有“四高一低”的特征。隨著時代發(fā)展進(jìn)步，生活節(jié)奏日益加快，腦卒中患者數(shù)量不斷增加，病患年輕化趨勢明顯，大部分病患會伴隨各種后遺癥和并發(fā)癥，出現(xiàn)各種程度的運動功能障礙、認(rèn)知障礙、言語障礙、吞咽功能障礙、感覺障礙等。從宏觀層面看，我國長期以來對腦卒中的研究和治療耗費了大量的醫(yī)療資源，產(chǎn)生巨額的醫(yī)療花費，給社會造成沉重的負(fù)擔(dān)；從微觀層面看，很多病患伴隨偏癱，需要他人照顧才能維持生活，既給患者本人增添了痛苦，也給家庭也帶來了負(fù)擔(dān)。因此，國內(nèi)外科研院所和醫(yī)療機(jī)構(gòu)越來越重視腦卒中的康復(fù)與治療。

眾多臨床實踐表明，腦卒中康復(fù)療法對患者的卒中后恢復(fù)是行之有效的?？祻?fù)治療是為了提高患者身體各項機(jī)能、減緩各項障礙，避免患病后遺癥的發(fā)生，同時改善病患生活自理能力，從而減輕家庭的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)以及看護(hù)壓力，幫助病患有尊嚴(yán)地重新融入社會生活各個方面。迄今為止，腦卒中康復(fù)主要涉及醫(yī)學(xué)、社會等手段。一種是中醫(yī)康復(fù)療法，主要包括穴位按摩療法、針灸療法、疏經(jīng)通絡(luò)操和中藥外治療法；另一種是現(xiàn)代康復(fù)療法，主要包括運動想象治療、音樂治療等?？祻?fù)前期，患者通常在醫(yī)院接受這些治療。然而，這些治療方法都有其不足之處，如藥物有副作用、運動訓(xùn)練時間長導(dǎo)致患者依從性差、針刺和灸法分別有感染和燙傷風(fēng)險、心理治療需要在專業(yè)心理治療師的指導(dǎo)下進(jìn)行等。而腦機(jī)接口技術(shù)是一種簡單有效、無創(chuàng)安全且患者易接受、臨床易推廣的治療手段，已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注與研究。

因此，關(guān)注腦卒中康復(fù)領(lǐng)域最新研究進(jìn)展及治療策略，開展高質(zhì)量腦機(jī)接口技術(shù)康復(fù)診斷研究，推動我國腦卒中在國際卒中領(lǐng)域跑出中國速度，為指導(dǎo)卒中臨床實踐、優(yōu)化腦卒中救治方案及改寫卒中急救指南提供了高質(zhì)量循證依據(jù)。

二、腦機(jī)接口系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）技術(shù)是一種在大腦和外界間建立連接和控制通道的多學(xué)科交叉技術(shù)，起源于20世紀(jì)70年代。1999年，美國舉辦的第一次BCI國際會議給出了BCI標(biāo)準(zhǔn)定義：“腦－計算機(jī)接口（Brain Computer Interface）是一種不依賴于正常由外圍神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路的通信系統(tǒng)”。腦卒中患者采用腦機(jī)接口技術(shù)可直接使用大腦控制機(jī)器，這使得偏癱等行動不便的病患擁有自主與外界交流或控制外部環(huán)境的能力。腦機(jī)接口技術(shù)不僅需要大腦發(fā)送信號通過計算機(jī)語言命令驅(qū)動外部設(shè)備，還需要外部設(shè)備持續(xù)向大腦反饋外界環(huán)境信息，通過閉環(huán)反饋的形式使大腦實時改變控制方案，確保系統(tǒng)穩(wěn)定正常運行。從信號獲取的角度考慮，BCI系統(tǒng)可劃分為非侵入式和侵入式；從腦機(jī)接口范式、感覺刺激、采用的信號角度考慮，腦機(jī)接口系統(tǒng)可劃分為單一范式、單一感覺刺激、單一腦信號的腦機(jī)接口和混合腦機(jī)接口。一般來說，BCI技術(shù)主要有以下幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（一）信號采集

如今，BCI系統(tǒng)一般使用下述方式獲取信號：1.腦電圖是最常用的信號采集方法之一，根據(jù)電極帽中嵌入的電極電位變化獲取大腦信號；2.功能磁共振成像根據(jù)磁共振頭線圈采集大腦血流變化情況，反映各種精神活動相關(guān)信號，無法靠時間精度檢測，信號采集要求高，費用昂貴。3.皮層腦電圖需要將電極嵌入人腦中以采集相關(guān)數(shù)據(jù)，對特定最小幾何細(xì)節(jié)的辨識能力較好。4.功能近紅外光譜成像根據(jù)近紅外頭盔獲得感興趣的神經(jīng)活動區(qū)域血液循環(huán)流動參數(shù)的改變特征，反映腦區(qū)的神經(jīng)元活動、細(xì)胞能量代謝和血流動力學(xué)相關(guān)功能變化。上述數(shù)據(jù)獲取后應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步實施數(shù)據(jù)預(yù)處理，以取消基線漂移、生理干擾以及高頻噪聲等其他不需要的數(shù)據(jù)。

（二）特征提取

特征提取主要是從預(yù)處理后的腦電信號中提取能夠反映病患意圖的有用特征。然而，由于大腦信號錯綜復(fù)雜，不能局限于單一特征進(jìn)行分類，而要從不同維度提取多個特征以挖掘更多有用的信息。需要注意的是，特征維度過多會造成維度災(zāi)難，因此特征的重要性評估也是需要考慮的問題。

（三）特征分類

特征提取后緊接著是對特征進(jìn)行分類，分類器作為分類識別的關(guān)鍵，接收來自提取后的特征，并將不同維度的特征解碼成大腦的各項復(fù)雜任務(wù)。研究中通常使用支持向量機(jī)、隨機(jī)森林、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹、深度學(xué)習(xí)等特征分類方法。

（四）外部控制設(shè)備

在機(jī)器層面進(jìn)一步優(yōu)化了人機(jī)互動，在眾多應(yīng)用包含腦卒中康復(fù)應(yīng)用中，智能輪椅、外骨骼機(jī)器人、機(jī)械臂、虛擬現(xiàn)實等依托外部控制系統(tǒng)實現(xiàn)腦卒中等神經(jīng)肌肉受損患者的個性化的輔助康復(fù)訓(xùn)練，激活病患肌肉神經(jīng)組織康復(fù)過程的功能重建。

三、腦機(jī)接口技術(shù)在腦卒中康復(fù)診療領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）腦機(jī)接口與物理電、磁刺激結(jié)合的應(yīng)用研究

劉莉莉、王玲、于峰[1]研究發(fā)現(xiàn)，腦電仿生電刺激是一種依據(jù)物理電流刺激病患處的療法，治療后可以促進(jìn)急性缺血性腦卒中大腦局部血循環(huán)并開啟內(nèi)源神經(jīng)保護(hù)功能，幫助改善腦損傷。當(dāng)結(jié)合新一代的Fourier M2康復(fù)訓(xùn)練時，病人康復(fù)有效率明顯高于對照觀察組，表明該療法能有效改善腦卒中偏癱病患的大腦血流情況，有利于上肢運動功能的恢復(fù)，進(jìn)一步提升患者生活品質(zhì)。

張穎彬、莫林宏、聶憶秋等[2]通過設(shè)置rTMS治療與非認(rèn)知功能藥物治療對照組，利用fNIRS輔助診療手段采集兩組病患前額葉大腦區(qū)域的數(shù)據(jù)，觀察相關(guān)腦區(qū)的血流動力學(xué)變化。實驗結(jié)果顯示，腦卒中后輕度認(rèn)知功能障礙患者經(jīng)高頻rTMS治療后氧合血紅蛋白濃度升高，有利于神經(jīng)元活動、細(xì)胞能量代謝，提高腦卒中患者認(rèn)知功能。

蔡偉強(qiáng)、李浩正、朱玉連等[3]對12位腦卒中后偏癱患者進(jìn)行了腦部感興趣區(qū)的經(jīng)顱磁刺激治療及偽刺激治療對照，經(jīng)fNIRS輔助診療手段采集治療前后血流動力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜息態(tài)腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析。結(jié)果顯示，患側(cè)M1區(qū)-健側(cè)SMA區(qū)的連通性加強(qiáng)，為該病后遺癥的改善乃至痊愈奠定研究條件。

孫文斌[4]研究發(fā)現(xiàn)，腦機(jī)接口技術(shù)的外部接口設(shè)備采用功能性電刺激能夠促進(jìn)腦卒中上肢功能障礙患者肌肉收縮，實現(xiàn)大腦皮層功能適應(yīng)性重塑。他提出一種基于傳統(tǒng)腦電信號的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法聯(lián)合改進(jìn)的獨立成分分析算法的去噪算法，再利用雙樹復(fù)小波變換進(jìn)行特征提取，根據(jù)GA+Light GBM分類算法識別后，準(zhǔn)確率最高約為88%且具有較小方差。因此，該康復(fù)系統(tǒng)能夠促進(jìn)病患的上肢康復(fù)。

（二）腦機(jī)接口與運動想象結(jié)合的應(yīng)用研究

胡義茜、高天昊、陸蓉蓉等[5]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過不依賴外部設(shè)備的基于運動想象的腦機(jī)接口規(guī)范訓(xùn)練20次后，具有手功能障礙的腦卒中病患能夠主動伸展10度，屈曲15度，肌張力相較以前有所改善。通過運動想象輕觸覺、視覺的輸入及反饋，促進(jìn)腦功能重塑，康復(fù)訓(xùn)練效果優(yōu)于常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練，具有一定的臨床價值。

劉鴻鑫、劉曉旭、陳志天等[6]研究發(fā)現(xiàn)，治療組腦卒中后上肢功能障礙患者10例在運動想象治療4周和治療8周后，經(jīng)對比該組臨床試驗結(jié)果的量表得分改善效果更顯著。同時，fNIRS輔助檢測技術(shù)顯示，隨著運動想象治療時間的推移，血氧濃度變化反映大腦皮質(zhì)運動區(qū)和運動前區(qū)變?yōu)樯罴t色，意味著細(xì)胞代謝增強(qiáng)，大腦皮質(zhì)興奮面積更大、程度更明顯，激活效果及功能改善更顯著。

任莎莎、程凱、許亮等[7]研究發(fā)現(xiàn)，陽極tDCS聯(lián)合MIT治療發(fā)揮協(xié)同增效作用，能夠激活相應(yīng)腦區(qū)且治療效果優(yōu)于其他對照組。這表明單一療法的治療有其局限性，二者的有機(jī)結(jié)合有利于大腦神經(jīng)活動的可塑性。

周蘇健，王水良，劉小英等[8]研究發(fā)現(xiàn)，腦卒中的吞咽障礙在運動想象和腦機(jī)接口技術(shù)的康復(fù)治療下，根據(jù)不同患者的病情和病程，模仿正常人的吞咽過程，能夠更精準(zhǔn)和規(guī)范地執(zhí)行吞咽動作，改善吞咽效果。此研究為后續(xù)的臨床治療提供了更有說服力的依據(jù)。

高諾、陳鵬程[9]研究發(fā)現(xiàn)，利用腦機(jī)接口技術(shù)和虛擬現(xiàn)實環(huán)境融合能夠制定個性化康復(fù)治療方案。根據(jù)腦卒中后的手部患病特點差異化可以令手指活動范圍不局限于驅(qū)動方位，設(shè)置因人而異的游戲訓(xùn)練任務(wù)，建立患者與康復(fù)系統(tǒng)的本體、運動感覺閉環(huán)反饋。該系統(tǒng)準(zhǔn)確率高、安全便攜、透氣性好、穩(wěn)定可靠，能夠改善腦功能重塑與腦神經(jīng)重建。

陳鵬程[10]研究發(fā)現(xiàn)，將虛擬現(xiàn)實場景的康復(fù)訓(xùn)練環(huán)境與人機(jī)交互的腦機(jī)接口技術(shù)相結(jié)合，通過基于小波變換和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的腦電算法開展臨床、在線、離線實驗，結(jié)果顯示系統(tǒng)識別準(zhǔn)確率高，能夠有效提升腦卒中患者手部功能障礙的康復(fù)訓(xùn)練效果，并增強(qiáng)患者的主動康復(fù)意愿。

梁明[11]研究發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實任務(wù)導(dǎo)向訓(xùn)練使腦卒中患者實現(xiàn)虛擬世界的物體交互，提高病患的主觀能動性，促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞修復(fù)再生，提高患側(cè)皮質(zhì)運動神經(jīng)元的興奮性，誘發(fā)患側(cè)CST不斷修復(fù)重建，提升患者偏癱肢體肌力，為腦卒中后偏癱恢復(fù)奠定良好的基礎(chǔ)。后期可配合反復(fù)肌肉耐力訓(xùn)練增強(qiáng)運動能力，ADL評定得到有效改良。

孔德聞[12]研究發(fā)現(xiàn)，基于腦機(jī)接口和虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計的腦卒中康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠利用3ds Max和Unity3D創(chuàng)建不同的虛擬場景進(jìn)行訓(xùn)練，并實時采集病患的腦電信號，反饋到虛擬環(huán)境人物以達(dá)到腦重塑和功能重組的目的。

四、結(jié)束語

“腦科學(xué)與類腦研究”催生新興腦智產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在新時代背景以及國家政策加持下，基于腦機(jī)接口的腦卒中康復(fù)醫(yī)療研究具有廣闊的市場前景。腦機(jī)接口技術(shù)通過運動代償和康復(fù)訓(xùn)練對腦卒中患者肢體運動障礙、意識障礙等康復(fù)治療效果顯著，目前可以滿足臨床需求，但仍存在普及率低、研發(fā)時間長等問題，未來需要進(jìn)一步的研究與探討，特別是在產(chǎn)品落地和技術(shù)迭代創(chuàng)新方面。

作者單位：馮洋 金華高等研究院

武昊 金華開放大學(xué)

參考文獻(xiàn)

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