基于脑电图的无创脑机接口的临床应用进展

付佳钰，王丽平

(北京大学第三医院神经内科，北京 100191)

全球神经疾病负担研究报告显示，中枢神经系统损害是目前致残性疾病的首要原因，给患者、家庭及国家均带来巨大负担[1]。由于中枢神经系统难以再生，因此神经损伤可导致患者全身多个系统的终生伤害，具体表现为运动、言语功能等严重丧失，而认知功能相对完好，严重影响患者的生存质量。目前，针对致残性神经系统疾病的治疗和康复方法较少[2]。1973年，Vidal[3]首次提出了脑机接口(brain computer interface，BCI) 技术，即通过在大脑与计算机或其他电子设备之间构建全新的信号通路实现脑-机控制，帮助神经通路损伤患者实现与外界的交流。BCI可帮助肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)、帕金森病、脊髓损伤、脑卒中等神经损伤患者获得机器辅助的运动、言语功能，改善患者生活质量；同时，还可通过直接监测调节或间接反馈调节，促进损伤的神经重塑，帮助患者早日康复[4-5]。研究表明，BCI对重症患者意识状态的检查及诊断也有一定帮助[4-6]。现就基于脑电图的无创BCI的临床应用进展予以综述。

1 基于脑电图的BCI的类型及组成

目前，BCI主要分为无创和有创两种形式。其中，无创非植入式BCI具有损伤小、简便快捷等优势，但获得的信号分辨度较弱，可能无法实现精确的功能应用；而有创植入式BCI虽然损伤大、具有一系列感染等风险，但其获得的高精度信号可实现更多复杂的功能。一个完整的BCI主要由三部分装置组成，即信号采集、信号处理和设备控制装置。

1.1信号采集 BCI的信号采集装置可根据所记录信号的部位、采集设备以及信号内容的不同对信号进行分类。根据植入电极或栅栏位置的不同，有创BCI可分为基于皮质表面的皮质信号、皮质浅部的局部场电位和多单元动作单位、皮质深部的单位动作电位型；根据收集信号设备的不同，无创BCI又可分为基于脑电图、脑磁图、功能磁共振成像、近红外光谱以及合并眼、耳等其他部位的混合信号型[4-6]。其中，基于脑电图的无创BCI由于具有损伤小、简便、快速以及成像的高效性等特点而被广泛研究和应用。无创BCI的脑电设备主要通过记录感觉运动节律(sensorimotor rhythms，SMR)、慢皮质电位(slow cortical potentials，SCP)或事件相关电位(event-related potentials，ERP)信号，并将其传递至辅助设备而实现应用，其中ERP中以视觉为主的刺激信号又分为P300视觉刺激电位和稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential，SSVEP)[4]。

SMR是由大脑皮质感觉运动区域自发产生的信号，包含运动想象、运动准备、运动实施时的皮质活动[7]。以SMR为基础的BCI可完成快速打字、光标移动、外骨骼机械臂控制任务，但较长的训练周期及信号灵敏度异质性均是其主要限制因素[6]。SCP是由皮质自发产生的慢信号，负电位代表皮质准备活动，正电位代表皮质的抑制活动[8]。研究证明，SCP BCI可用于打字等简单任务，但该信号的采集相对较困难，因此限制了其应用[5-6]。ERP是指由外界事件刺激后诱导产生的信号，刺激事件主要包括视觉刺激、听觉刺激、触觉刺激等，其中对视觉刺激的研究最为广泛。常用的P300刺激信号多由大脑中央区域和顶叶区产生，主要反映大脑的记忆更新功能。由于P300信号容易触发且具有较好的统一性，因此被广泛应用于BCI，但其缺点在于信号准确度及传输速度均较低、振幅较小、易受干扰，需要多次试验后叠加平均每次试验采集的信号才可最终获得显著信号，且存在长时间使用后失效的风险[9]。SSVEP由大脑视觉皮质产生，是通过特定稳定频率的闪光(通常>5 Hz)进行视觉刺激产生的脑电活动；SSVEP信号采集简单、稳定且信噪比高，且患者的训练周期比其他类型BCI短；SSVEP可用于打字、操控假肢等任务，但需要使用者保留完好的眼球运动功能和视觉功能，因此限制了其在视神经、眼球运动神经损害较重患者中的应用[10]。

1.2信号处理 信号处理是BCI承上启下的过渡环节。通过对脑电图采集到的信号进行编码、预处理、特征提取、分类等算法的组合处理，将采集到的脑电信号变为数字命令。目前，常用的特征提取算法主要包括共空间模式、卡尔曼滤波和小波变换；常用的分类算法主要包括线性判别分析、径向基函数和支持向量机[11]。信息传输率是指单位时间内传输的信息量，目前信息传输率被广泛用于评估BCI的性能[12-13]。

1.3设备控制 设备控制主要依据使用者不同的需求而进行分类，目前主要应用于检查诊断、辅助性功能替代和神经重塑性治疗。检查诊断主要针对重症患者的意识状态检测；辅助性功能替代主要针对各种运动障碍患者，包括虚拟环境中的光标移动、网页浏览、运动辅助设备和现实环境中的文字拼写、外骨骼、轮椅控制设备等；神经重塑性治疗则是利用神经反馈机制对运动障碍、认知障碍的患者进行功能康复[11-13]。目前的研究主要集中于减少使用者的训练周期、提高设备的准确率和速度、扩大设备的应用范围等方面。

2 基于脑电图的无创BCI的临床应用

2.1检查与诊断 目前临床上应用BCI进行疾病检查及诊断的研究较少，且主要集中于意识障碍领域[14-15]。BCI可辅助或替代目前的行为量表(格拉斯哥昏迷评分、昏迷恢复量表等)对意识障碍患者的植物生存状态、微小意识状态、脱离最小意识状态等进行评估，甚至成为意识障碍患者与外界交流的唯一方法[16]。Li等[17]应用P300结合SSVEP BCI对11例意识障碍患者(6例植物生存状态患者、3例微小意识状态患者、2例脱离最小意识状态患者)进行数字识别及运算评估，结果发现，2例植物生存状态患者、1例微小意识状态患者和2例脱离最小意识状态患者的脑电信号被识别，并可准确回应指令做出数字识别及运算。Coyle等[18]对4例微小意识状态患者进行基于SMR BCI的意识评估发现，所有患者对运动指令及视、听觉反馈均产生活跃的脑电信号，提示无创BCI技术可作为意识障碍患者的新型交流方式。由于SCP信号具有采集慢、需要长时间训练以及易受其他信号干扰等缺点，因此目前尚未在相关领域对其进行研究。Wang等[19]比较了昏迷恢复量表与BCI对意识障碍患者的评估结果发现，与昏迷恢复量表相比，BCI的灵敏度显著升高，因此其可作为昏迷恢复量表的补充辅助评估患者的意识。然而，Chatelle等[20]对急性意识障碍(3～38 d)患者进行基于ERP及SMR的BCI评估发现，其检测的准确率较低，无法确定急性意识障碍患者的意识状态。出现这样的结果可能与意识障碍患者的病程有关，因此基于脑电的无创BCI技术对于意识状态的识别仍具有一定局限性，还有待进一步研究探索。

2.2辅助性功能替代 功能替代是BCI最基础、也是目前研究最多的应用，可使ALS、脊髓损伤等神经损伤患者重获运动、语言等功能，实现与外界的交流沟通，改善患者的生活质量。根据输出设备功能不同，BCI可用于通信交流、光标移动及网页浏览、机械运动3个方面。

2.2.1通信交流 通信交流主要通过BCI设备完成字符输入拼写而实现。Farwell和Donchin[21]于1988年首次应用以视觉P300为基础的BCI在正常人中完成12.0 bits/min的打字任务。随后，Furdea等[22]、Brouwer和van Erp[23]也分别应用听觉、触觉P300作为刺激信号同样成功完成了字符输入任务。自此，拼写系统便作为BCI的代表性应用被广泛研究[24]。同时，以ERP为主要采集信号的不同类型BCI不断被研发，且准确率与速度也均显著提升。McCane等[25]应用P300 BCI令14例终末期ALS患者和14例年龄匹配的正常人进行字符输入任务，结果发现，两者最高准确率和速度比较差异均无统计学意义。Hwang等[26]在5例闭锁状态ALS患者中验证了应用SSVEP BCI进行字符选择任务的稳定性和可行性。Hsu等[27]研究发现，ALS患者应用前额SSVEP BCI打字的准确率和速度分别为81.2%和1.51 bits/min。以上研究均提示，基于脑电图的无创BCI辅助的通信技术具有良好的应用前景，其较高的应用速率和准确率使其可能取代目前广泛应用的眼动仪等拼写设备。

2.2.2光标移动及网页浏览 无创BCI可以帮助患者实现电脑操作。有研究表明，基于SMR信号的BCI可实现脊髓损伤患者二维光标移动，其准确率和速度与有创植入式BCI相比差异无统计学意义[28]。应用基于SCP信号的BCI对终末期闭锁状态的ALS患者进行训练，训练1个月后患者可以掌握一维光标移动，2个月后患者能够很好地选择目标字母，同时还可完成简单的网页浏览，从而显著改善患者的生活质量[29]。此外，基于P300信号的BCI也可帮助患者实现网页搜索和浏览，且与眼动装置相比，基于P300信号的BCI具有更快的速度和更好的便捷性[30]。

2.2.3机械运动 以机械运动为靶向的脑电图无创BCI存在虚拟和现实两种应用环境，物体的运动主要通过基于SMR、P300等信号采集的BCI实现[31]。目前已经实现了虚拟物体的二维和三维运动[32]以及真实物体(轮椅[33]、四轴飞行器[34]等)的多维运动。一项研究通过SMR BCI首次实现了机械手臂的三维运动，其中13名健康人成功应用脑电信号操纵机械手臂完成抓取、移动三维空间中的物体，该研究展现了无创脑电技术操控假肢的可能性，在提升运动维度和应用的稳定性后，以机械运动为靶向的脑电图无创BCI有望成为ALS等患者重获四肢运动功能的新方法[35]。

2.3神经重塑性治疗 BCI可作为目前康复方法的一种补充，通过直接或间接调节促进神经通路的重塑，最终促进患者康复，这也是近年BCI应用的重要领域[36-37]。作为一种同时具有输入与输出功能的高敏感性设备，BCI一方面可用于监测患者康复训练时主动产生的脑电信号的准确性，实现更加精确的主动调节；另一方面，还可给予达到康复训练标准的正确动作信号合适的反馈(如视觉、触觉反馈)，从而增强康复训练的信号，实现间接调节，达到目标康复区域的神经重塑以及患者康复的目的[36]。

2.3.1运动康复 目前基于BCI的运动康复领域研究主要针对SMR信号BCI，SMR BCI具有将SMR脑电信号可视化并实时给予合适反馈的独特优势，为神经损伤后无法完成肢体运动患者的康复提供了极大帮助。有研究将32例上肢严重功能障碍的慢性脑卒中患者随机分为基于BCI给予定向反馈康复训练的试验组和传统无定向反馈康复训练的对照组，两组均给予常规的针对上肢假体运动的行为康复训练，其中试验组在达标的行为康复训练的基础上再给予额外的以SMR为基础的BCI正向反馈，结果发现，在同样训练周期后，试验组患者的上肢运动功能评定量表评分显著高于对照组，且评分与对应患者的肌电图活动性及功能磁共振成像指数均成正比[38]。Kim等[39]将BCI与功能电刺激设备结合给予患者正向反馈，结果发现，与传统康复训练相比，增加BCI训练4周后患者的上肢运动评分显著升高。以上结果均提示，BCI可作为常规物理康复的辅助方法帮助神经损伤患者恢复功能。

2.3.2认知改善 目前，基于BCI的认知领域的研究主要针对老年人以记忆力为主的认知改善和注意缺陷多动症儿童以注意力为主的认知改善。2016年，有研究首次将基于SMR的BCI应用于神经反馈，通过评估32例60岁以上老年人使用BCI前后的Luria成人神经心理学诊断痴呆量表发现，BCI可显著提升以视觉空间、语言、记忆及智力为主的认知功能，揭示了利用BCI实现神经反馈、改善认知功能的可行性[40]。另有研究发现，应用BCI治疗8周后，注意缺陷多动症患儿的注意缺陷症状显著改善，且在12周的随访治疗后仍可维持，证实了BCI神经反馈疗法治疗注意缺陷多动症的有效性和安全性[41]。

3 小 结

21世纪是BCI飞速发展的时代，从健康人群试验到患者日常应用、从ALS等退行性病变到脊髓损伤等创伤性病变、从检查诊断到治疗康复、从功能替代到神经重塑，基于脑电图的无创BCI均取得了巨大突破。目前基于脑电图的BCI已广泛应用于多个领域，在计算机领域主要致力于提高脑电信号的识别处理效率、研发更多的应用模式、保证设备的稳定性；在医学领域则侧重于增加设备的可应用人群及疾病种类、改进设备应用体验、探究BCI背后神经重塑的原理。作为在医学、计算机、通信、工程等交叉学科共同努力下诞生的新技术，相信未来BCI将会有更多的创新和突破，从而为广大神经损伤患者的功能康复、生活质量的改善提供更多选择。