專業(yè)分享丨腦機接口在康復醫(yī)學中的應(yīng)用進展

本文轉(zhuǎn)自《醫(yī)療裝備》2022年11月第21期

據(jù)報道顯示，約 70%~80% 的卒中幸存者遺留不同程度的功能障礙，且超過 40% 的患者喪失獨立生活的能力

，嚴重影響其日常生活和工作。近年來

，隨著人口老齡化趨勢的日益顯著以及生活方式的改變

，卒中發(fā)病率逐年上升，且發(fā)病年齡呈年輕化趨勢

，卒中后的康復治療已經(jīng)成為社會上廣泛關(guān)注的問題

。因此，做好卒中患者的康復治療十分關(guān)鍵

。而康復治療往往離不開康復器械

。目前，臨床常用的康復器械包括上下肢關(guān)節(jié)康復器

、康復行走移位機等

，部分醫(yī)療機構(gòu)配備天軌移位搭配訓練設(shè)施，雖能在一定程度上改善患者的肢體功能

，但仍有部分患者存在恢復速度慢

、康復效果不理想等問題。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展及人工智能技術(shù)的出現(xiàn)

，以腦機接口為代表的可直接干預中樞神經(jīng)的智能康復技術(shù)不斷被研發(fā)出來并應(yīng)用于臨床康復中

。腦機接口直接作用于大腦，可有效改善大腦神經(jīng)的傳導通路

，使患者能夠在不受周圍神經(jīng)和肌肉影響的情況下與周圍環(huán)境進行交互

，在充分發(fā)揮運動想象療法作用的同時又增加了康復治療的趣味性

，目前已被廣泛應(yīng)用于航天、軍事等領(lǐng)域

。本研究通過梳理近年來的相關(guān)文獻

，闡述了腦機接口在康復醫(yī)學中的應(yīng)用進展。

#01

腦機接口的工作原理

20世紀70年代初

，美國加州大學洛杉磯分校的計算機科學教授雅克·維達爾（Jacques Vidal）首次提出了“腦機接口”這一名詞

。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，腦機接口已逐漸成為電腦通信技術(shù)的新種類之一

。其基本原理是

，人們使用腦機接口收集腦電信號，利用腦電信號控制電腦程序

。目前

，腦機接口技術(shù)已經(jīng)取得了諸多突破并且在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，尤其是在康復醫(yī)學領(lǐng)域

。有研究表明

，腦機接口可通過患者的運動想象來刺激大腦皮層相關(guān)區(qū)域，然后利用收集到的腦電信號來啟動功能性電刺激

，并以此來刺激受損的肌肉神經(jīng)

，患者可以利用此電刺激主動參與發(fā)力，以達到改善運動功能的效果

。腦機接口的工作原理可以分為信號采集、信號處理

、控制設(shè)備和反饋 4 個部分

，具體如下。

01

信號采集

信號采集是實現(xiàn)腦機接口技術(shù)較為關(guān)鍵的一步

，根據(jù)采集方式

，可分為非侵入式、侵入式和半侵入式

。非侵入式信號采集是指患者頭戴電極帽對大腦信息進行采集

。該方式操作簡單、風險較低

，但由于顱骨對大腦信號的衰減作用以及神經(jīng)元發(fā)出 的電磁波模糊效應(yīng)

，該方式記錄到的信號強度不高，信號的空間分辨率較差

，且不能有效利用高頻信號

，很難準確捕捉信號發(fā)出腦區(qū)及相關(guān)神經(jīng)元活動。侵入式信號采集是通過手術(shù)將信號采集設(shè)備植入大腦皮層

，以獲得高強度

、高分辨率的神經(jīng)信號

。該方式具有高精確率、高采樣率

、高自由度等優(yōu)勢

，但屬于侵入性操作，可能會引發(fā)免疫反應(yīng)

。半侵入式信號采集是將信號采集設(shè)備植入大腦皮層與頭皮之間

，采集的信號質(zhì)量介于非侵入式和侵入式之間，手術(shù)風險較小

，發(fā)生免疫反應(yīng)的風險較低

。

02

信號處理

信號處理包括預處理、特征提取和分類識別

。采集到的信號可能會受到肌電

、設(shè)備等的干擾，需要通過預處理達到降噪的目的

，常用的方法包括通道選擇

、空間濾波器等。特征提取是根據(jù)預先設(shè)定的需求（如振幅

、頻率

、頻譜相關(guān)性等），將經(jīng)過預處理的信號提取出來

，并轉(zhuǎn)換為緊湊的數(shù)據(jù)形式

，以此組成表征信號的特征向量。常用方法包括小波變換

、維格納分布

、時頻法、時域法等

。

03

設(shè)備控制

設(shè)備控制是指通過信號處理解碼腦電活動命令

，并用于控制不同設(shè)備，以誘導患者的功能恢復

。根據(jù)功能的不同可將控制設(shè)備分為“功能輔助”“功能恢復”“功能增強”3 類

。其中，功能輔助主要幫助患者實現(xiàn)對外界的控制和交流

；功能恢復主要幫助患者恢復喪失功能

；功能增強不僅局限于康復醫(yī)學，在軍事

、教育

、航天等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景，主要用于實現(xiàn)機能的拓展及強化

。

04

反饋環(huán)節(jié)

反饋環(huán)節(jié)實際上是一個調(diào)整磨合的過程

。在此環(huán)節(jié)中

，患者通過感應(yīng)外界環(huán)境的響應(yīng)，進而調(diào)整大腦活動狀態(tài)

，以達到良好的人機交互

，但此環(huán)節(jié)十分復雜，涉及觸覺

、聽覺

、味覺、嗅覺和視覺等

， 相關(guān)技術(shù)還有待進一步的提升和突破

。

#02

腦機接口在康復醫(yī)學中的應(yīng)用

01

上肢康復方面

促進卒中患者上肢功能康復的關(guān)鍵是恢復患者大腦神經(jīng)元的可塑性，而腦機接口可通過“恢復” 和“替代”兩種方法誘導中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性重建

，從而促進患者肢體功能的康復

。有研究表明，利用腦機接口對患者進行康復訓練

，能夠使其產(chǎn)生更正常的大腦活動

，并借助這些大腦活動來激活輔 助運動設(shè)備，從而激活患側(cè)運動相關(guān)的腦區(qū)

，促進中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重塑

，并最終達到康復治療的目的。唐千乇和張通研究發(fā)現(xiàn)

，接受腦機接口控制的功能性電刺激治療的卒中患者的患側(cè)肘關(guān)節(jié)反應(yīng)時間

、事件相關(guān)去同步化（event related desynchronization， ERD）強度

、Fugl-Meyer 上肢評定量表評分及改良 Barthel 指數(shù)均優(yōu)于接受單純功能性電刺激治療的患者

，表明腦機接口可激活大腦神經(jīng)的可塑性，促進中樞神經(jīng)系統(tǒng)重構(gòu)

，并促使患者主動參與康復訓練。另外

，有研究發(fā)現(xiàn)

，接受腦機接口康復訓練不 增強卒中患者的運動認知程度，且可明顯提高其上肢功能

。

02

下肢康復方面

下肢主要用于支撐體重和行走

。卒中后肢體功能障礙尤其是下肢運動障礙不僅給患者生活質(zhì)量造成影響，而且也給其家庭帶來極大的精神和經(jīng)濟負擔

。因此

，促進卒中患者的肢體功能恢復尤其是下 肢功能恢復具有重要意義。有研究證明

，與傳統(tǒng)的康復手段相比

，腦機接口訓練結(jié)合智能算法

，能夠自動感應(yīng)患者的訓練完成情況并主動給予干預。方文垚等對40例卒中患者進行研究發(fā)現(xiàn)

，接受常規(guī)康復訓練的對照組治療后的 Fugl-Meyer 下肢評定量表評分低于接受腦機接口康復訓練的觀察組

，且徒手肌力評估（manual muscle test，MMT）評分亦低于觀察組

，因此該研究認為腦機接口康復訓練對提高卒中患者的下肢運動功能

、平衡功能具有積 極作用，可幫助患者提升生活自理能力

、重返社會

。 

03

意識評估方面

腦機接口亦可用于患者的意識評估，即可通過腦機接口驗證意識障礙患者是否存在意識

。傳統(tǒng)的意識障礙評估主要依靠行為學量表

，但該方式極易將微意識狀態(tài)診斷為植物狀態(tài)或無反應(yīng)覺醒綜合征，誤診率高達40%

。而腦機接口能將大腦信號中與遵囑反應(yīng)相關(guān)的特定成分篩選出來

，當作意識存在的證據(jù)，并以此區(qū)分植物狀態(tài)

、無反應(yīng)覺醒綜合征及閉鎖綜合征

。有研究提出，腦機接口作為意識評估的一種補充方法

，可彌補僅用昏迷恢復量表 （coma recovery scale-revised

，CRS–R）評估意識的不足。 

04

運動想象能力方面

卒中偏癱患者使用腦機接口進行康復訓練

，不僅能促進其上肢及手部運動功能的恢復

，同時還能增強其運動想象能力。運動想象是指患者在腦海中反復模擬運動動作而不需要在現(xiàn)實中進行運動

，可有效刺激 患者的大腦皮層

，從而幫助患者快速恢復運動功能。在開展運動想象訓練時

，患者可通過虛擬現(xiàn)實（virtual  reality

，VR）視頻方式不斷模擬運動，并通過大量多次的運動想象來啟動神經(jīng)肌肉電刺激儀

，最終使得上肢肌肉神經(jīng)得到電刺激并開始逐漸恢復

。該訓練方式會讓患者在無形之中提高自身的運動想象能力。

有研究發(fā)現(xiàn)

，接受腦機接口康復訓練的卒中偏癱患者（觀察組）的運動覺和視覺想象問卷（the kinesthetic and visual  imagery questionnaire

，KVIQ）評分顯著提升，而接受常規(guī)訓練的對照組的評分提高較為緩慢

；在經(jīng)過6~8周的訓練后

，兩組間上述評分差異更為明顯

。另有相關(guān)研究表明，運動想象訓練能有效促進卒中患者上肢運動功能的恢復

?div id="4qifd00" class="flower right">

？梢姡嵘颊叩倪\動想象能力對于促進患者肢體運動功能的恢復具有顯著效果

。

05

其他方面

2.5.1? 緩解疼痛方面

目前

，對于腦機接口在緩解患者疼痛方面的研究還不透徹。有學者通過對脊髓損傷患者的研究發(fā)現(xiàn)

，接受 4 個月腦機接口訓練的脊髓損傷患者損傷后持續(xù)性神經(jīng)病理性疼痛的視覺模擬評分法（visual analogue scale

，VAS） 評分 從8分降至5分， 因此認為腦機接口可緩解患者的持續(xù)神經(jīng)性疼痛

。

2.5.2?日常生活能力方面

有研究發(fā)現(xiàn)

，腦機接口訓練對提高患者的日常生活能力具有積極作用。腦機接口訓練可提升患者的運動想象能力

，進而激活大腦皮層

，進一步改善肢體功能，最終反映到患者的日常生活中

，即患者的吃飯

、穿衣、洗澡

、梳頭

、洗臉、做飯等日常生活能力進一步增強

。

2.5.3? 患者心理及康復參與方面

以卒中患者為例

，疾病會影響到患者的心理狀態(tài)，使其抵觸康復訓練

、產(chǎn)生回避心理

，而患者的心理狀態(tài)與參與度會對康復效果產(chǎn)生直接影響。腦機接口通過虛擬技術(shù)使患者模擬健康狀態(tài)下的肢體運動

，從而可慢慢消除其負面情緒

，加快康復進度。有研究表明

，腦機接口康復訓練結(jié)束后，試驗組患者的焦慮自評量表（self-rating anxiety scale

， SAS）

、 抑 郁 自 評 量 表（self-rating depression scale， SDS）評分均低于對照組

，且康復參與量評分高于對照組

。由此可見

，腦機接口康復訓練不僅可以改善患者的焦慮、恐懼等不良情緒

，還可提高其康復參與度

，促使患者由原來的被動治療過渡到主動治療。

2.5.4? 不良反應(yīng)方面

有研究發(fā)現(xiàn)

，個別患者在進行腦機接口康復訓練過程中僅會出現(xiàn)大腦疲勞

、頭部不適等輕微不良反應(yīng)，休息后可以明顯緩解

，且并無其他不良反應(yīng)出現(xiàn)

。由此可見，腦機接口的安全性較好

。

#03

腦機接口面臨的挑戰(zhàn)

腦機接口在康復醫(yī)學領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力

，但當前的腦機接口康復系統(tǒng)仍處于初期應(yīng)用階段， 距離市場化

、大規(guī)模推廣還有很長一段時間

，在理論技術(shù)、硬件設(shè)備

、神經(jīng)機理等方面還存在一定的挑戰(zhàn)

，具體如下。

（1）易受外界環(huán)境影響：當外界出現(xiàn)噪聲等干擾時

，采集到的腦電信號可能不精準

。

（2）不具有普遍適應(yīng)性：不同患者的腦電信號差異 大，現(xiàn)有腦機接口系統(tǒng)無法滿足所有患者的需求

，在 使用前需對系統(tǒng)進行重新校準

。

（3）信號采集設(shè)備局限：非侵入式采集設(shè)備采集到的信號精準度差，侵入式采集流程繁瑣

、風險較高

，因此，開發(fā)更高效便捷

、安全性好

、風險低、精確度高的采集方式是目前研究的重點之一

。

（4）效率提升方面：腦機接口是人機交互的過程

，患者自身健康狀況、認知水平與腦機接口工作效率密切相關(guān)

，因此

，如何提升低認知水平患者的腦機接口效率是一個重要工程。

（5）倫理方面：腦機接口的本質(zhì)是打通機器與人的大腦思維之間的通路，最終實現(xiàn)人機融合

，必然會將大腦所思所想即患者隱私暴露出來

，具有一定的倫理風險。

#04

小結(jié)

腦機接口為恢復和增強人類能力打開了新世界的大門

，在康復醫(yī)學領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景

，盡管目前還存在諸多挑戰(zhàn)，但我們相信隨著神經(jīng)科學

、傳感器技術(shù)

、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，腦機接口技術(shù)未來將會擁有更多的突破

。

往期精彩推薦

? ，搶占先機!" data-itemshowtype="0" linktype="text" data-linktype="2" style="-webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; text-decoration-line: none; -webkit-user-drag: none; cursor: default; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">吐血整理丨全國多地銀發(fā)經(jīng)濟政策匯總：一鍵收藏，搶占先機!

? 延續(xù)注冊總被退?這9類錯誤80%的企業(yè)都在犯!

? ，醫(yī)械企業(yè)的掘金機會" data-itemshowtype="0" linktype="text" data-linktype="2" style="-webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; text-decoration-line: none; -webkit-user-drag: none; cursor: default; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">銀發(fā)經(jīng)濟”風口下

，醫(yī)械企業(yè)的掘金機會

? 沙特注冊“再下一城”

！本期產(chǎn)品：脫毛儀

? 重磅發(fā)布!2025年第二次醫(yī)療器械分類界定結(jié)果出爐

? 最新發(fā)布→從1025到1047!免臨床評價醫(yī)療器械范圍再擴大

醫(yī)療器械注冊咨詢認準金飛鷹

深圳：0755-86194173

廣州：020 - 82177679

四川：028 - 68214295

湖南：0731-22881823

湖北：181-3873-5940

江蘇：135-5494-7827

廣西：188-2288-8311

海南：135-3810-3052

重慶：135-0283-7139