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(jì)算機(jī)接口（braincomputer interface，BCI）、虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（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(yùn)動(dòng)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(diǎn)，腦卒中后會(huì)造成諸多功能障礙， 其中以運(yùn)動(dòng)功能障礙最常見［2］，給家庭和社會(huì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)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(dòng)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(shí)時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)降低醫(yī)療費(fèi)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(dòng)檢測、時(shí)間和空間分辨率、安全性和可移動(dòng)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(gè)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(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)功能障礙患者能夠利用大腦信號來交流和控制運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)障礙患者的康復(fù)治療提供了新思路。當(dāng)正常運(yùn)動(dòng)功能的通路失效時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(shí)間具有一定的敏感性，在受環(huán)境影響的同時(shí)，活動(dòng)的動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)與難點(diǎn)問題［9］。

有研究表明，通過對預(yù)期的運(yùn)動(dòng)提供反饋，恢復(fù)動(dòng)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(dòng)。 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(yùn)動(dòng)功能的改善。 另外，通過運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)等模式促進(jìn)功能性活動(dòng)時(shí)，能夠激發(fā)突觸的連接，改善腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能。 而BCI 在整合其他模式一起治療時(shí)，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(yùn)動(dòng)模式，從而促進(jìn)患者肌肉的活動(dòng)，提高其運(yùn)動(dòng)功能［11］。

圖1 BCI 工作流程Figure 1 BCI work flow

3 BCI 治療腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能障礙進(jìn)展

腦卒中后運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)功能障礙等。 目前，臨床上治療腦卒中后運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。 ②替代是指使用大腦活動(dòng)來激活輔助運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，通過改善腦卒中患者運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)替代上、下肢的運(yùn)動(dòng)等。 腦卒中患者通常無法自主進(jìn)行正常運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)功能障礙進(jìn)展

VARKUTI 等［13］利用基于運(yùn)動(dòng)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(dú)治療9 例慢性期中重度腦卒中患者患側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yàn)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(yùn)動(dòng)功能［15］。

3.2 BCI 治療腦卒中后手運(yùn)動(dòng)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(shí)的腦電圖活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)這些腦電圖特征信號隨著運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象，使用腦電圖采集運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)時(shí)、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(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位顯著提高［22］。

4 BCI 治療腦卒中后運(yùn)動(dòng)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(huì)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(yùn)動(dòng)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(shí)的強(qiáng)度、類型和治療時(shí)間等。 這些不確定因素將影響B(tài)CI 治療運(yùn)動(dòng)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(yàn)證。

4.3 BCI 治療方式選擇存在難點(diǎn)

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(huì)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(yùn)動(dòng)功能障礙療效較好，為臨床治療腦卒中后運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)處方參數(shù)及正確選擇BCI 治療方式是臨床工作者需重點(diǎn)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。