功能性电刺激与脑机接口在医学中的应用

隋宝石，万柏坤

1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2.天津市南开医院网络中心，天津 300100

功能性电刺激与脑机接口在医学中的应用

隋宝石1,2，万柏坤1

1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2.天津市南开医院网络中心，天津 300100

本文回顾了功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）在治疗脑损伤和脊髓损伤所造成的运动功能和吞咽障碍方面的应用；总结了脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）技术在现代医学中的应用以及基于BCI的FES的研究现状。结果显示，BCI、FES及二者相结合技术在现代康复工程领域中是极具应用前景的新技术。

功能性电刺激；脑机接口；脑损伤；脊髓损伤；康复医学

0 前言

功能性电刺激（Functional Electrical Stim ulation，FES）与经皮 电 神 经刺激（Transcutaneous Electrical NerveStimulation，TENS）统属为神经肌肉电刺激。其原理是通过低频脉冲电流刺激神经或肌肉，引起肌肉收缩，继而实现被刺激肌肉或肌群功能的改善或恢复。与 TENS不同的是，患者经 FES治疗后可以即时产生功能性活动。已有报道指出，在治疗脑卒中方面，FES 的疗效约为 TENS 的 1.5～2.3 倍。在过去的几十年中，FES 技术在医疗领域已被应用于许多不同的方面。如脊髓损伤后膀胱功能的恢复，睡眠呼吸暂停或中风导致的呼吸和吞咽障碍的治疗，瘫痪患者的运动功能改善，以及广为人知的心脏起搏器等。但是需要指出的是，FES治疗最适用于具有完整的神经传导通路的人体，即由中枢神经系统 (脑和脊髓 )损伤引起的肌肉功能障碍，而对于不具有完整的神经传导通路的周围神经损伤引起的肌肉无力效果不佳[1]，但可用来促进损伤的周围神经再生和防治骨骼肌失神经萎缩。

脑机接口（Brain-computer Interface，BCI）是在人的大脑和外部设备（如计算机或其他电子设备）之间建立的一种新型的通讯和控制技术。它是人机接口的一种方式，不依赖于脑——外周神经——肌肉这一正常输出通路，通过采集和分析脑电信号即可实现意愿的表达和设备的操控。因此，在瘫痪病人辅助康复领域及治疗交流障碍等方面有着广泛的应用前景。

下面就对这两种技术在国内外的应用进展概况分别给予介绍。

1 功能性电刺激的应用

1.1 肢体功能的改善与恢复

肢体运动功能的障碍甚至丧失，是脑损伤和脊髓损伤后的常见后遗症。如何降低残障的程度，最大限度地达到生活自理，是改善瘫痪患者生命质量的首要问题，也是康复医学的主要目标。

偏瘫是脑卒中等脑损伤发生后的主要症状，其表现为上下肢、面肌和舌肌下部的运动障碍。FES最早用于康复医学领域，1961 年 Liberson 等人通过刺激腓神经治疗足下垂的 7 名偏瘫患者[2]。在接下来的几十年中，FES 技术独立使用，及与其他疗法配合使用来应用于偏瘫造成的上下肢功能重建，在国内外临床上变得日益普遍。国外，如加拿大多伦多康复研究所康复工程技术实验室的 Popovic 等人评价了 15 例 FES+ 常规卒中康复和 9 例行时间和强度与FES相同的常规治疗的偏瘫卒中患者的康复效果。所有患者在治疗前患侧腕、肘或肩均不能自主屈伸，前臂不能旋转或手指不能活动。经过 FES 每周 3 次持续 45 min 的训练，连续 16周的治疗后，结果显示，与传统物理治疗和作业治疗的患者相比，进行 FES的患者康复实验室手功能（Rehabilitation Laboratory Hand Function，REL）测试在扭矩、力量和偏心荷载（eccentric load）等方面都获得显著的改善。FES 组和对照组扭矩分别平均提高 13%和 2%，力量分别提高 23%和 3%，偏心荷载分别提高 13%和 0%，所有差异均有统计学意义。FES 组的 Fugl-Meyer评价（Fugl-Meyer Assessment，FMA）与标准治疗组差异显著（30%对4%）[3]。国内，赵文霞等人利用早期运动疗法配合 FES 治疗观察了其对急性脑梗死运动障碍的临床疗效。方法为将急性脑梗死患者 150 例随机分成 3 组，均接受神经内科常规药物治疗。I组应用早期给予神经促进技术及功能电刺激；Ⅱ组应用功能电刺激治疗；Ⅲ组单纯应用神经内科常规药物治疗。结果表明，8周后，治疗前后功能性步行分级（FAC）、FMA、改良 Banhel指数（BMI）各指标均有明显变化，而且 I组改善程度明显优于Ⅱ、Ⅲ组，I、Ⅱ明显优于Ⅲ组，且差异均有显著性[4]。林子玲等人利用 FES 技术探讨了其对初发早期脑卒中偏瘫患者上肢功能的远期影响。方法为将 37 例初发脑卒中患者分层后随机分为 FES组（19 例）和对照组（l8 例）。2 组常规治疗相同，对照组不给任何电刺激，FES组给予功能性电刺激治疗，每天治疗 1 次，每次 30min，共 3 周（15 次）。结果表明，治疗后第 1 个月和 3 个月两组在肩部肌群肌力（MMT）、FMA 和BMI差异均有显著性意义 ；治疗后第 6 个月，两组在 FMA和MBI差异有显著性意义，在MMT 差异有近似显著性意义，说明 FES 疗效可以持续 6 个月以上[5]。

截瘫是脊髓损伤后的常见后果，其主要症状之一就是运动功能障碍，特别是下肢即行走能力的丧失。因此，脊髓损伤后下肢功能重建对患者日后的生活具有重要意义。目前在截瘫患者行走能力恢复方面，FES技术在国内外被普遍认为是一种比较有效的临床工具。在全世界，约有超过 24 个研究中心都在积极地评估 FES 在恢复站立和行走能力方面的作用，以及开发 FES 助行系统[6]。但是，迄今为止，通过 FDA 认证的用于短距离步行的 FES 系统只有 Parastep助行系统，该系统由多通道刺激器、12片（6对）表面电极和辅助器械组成，用于训练残疾度介于 T4 级和 T12 级之间的截瘫病人的站立和行走[6-7]。目前，已有多项研究对 FES治疗截瘫的实际临床效果进行了评估。检测指标包括，血压、心律、耗氧量、二氧化碳呼出量、呼吸交换比率、上躯干关键肌群的表面肌电水平，大腿摆角和踝背屈的运动情况，行走的运动时空参数（步速，步周期，步频等）以及自体感受（如疲劳感等）。结果表明，当神经损伤稳定后开始使用 FES并保持下去，可明显改善或阻止残疾状态的进一步发展，在恢复截瘫行走能力方面有显著的运动功能替代和重建功效[8]。而且，它在改善患者心肺功能和新陈代谢的健全等方面也有良好的疗效。

1.2 吞咽障碍的改善和治疗

吞咽障碍是由于下颌、双唇、舌、软腭、咽喉、食管括约肌或食管功能受损，而导致的不能安全有效地将食物由口送到胃内取得足够营养和水分的进食困难。它是脑卒中后常见并发症之一，在脑外伤，肿瘤，放疗和食管动力性病变等中也较常见。有数据表明，脑卒中急性期有29%～64% 的患者出现不同程度的吞咽障碍[9]。还有报道称57%～73%脑卒中患者发生吞咽障碍，其中小部分患者临床上表现为“无症状”吸入食物或液体。即不显性误吸（silent aspiration）[10]。因此，为了减轻患者痛苦，需要对其进行语言训练及康复治疗。

随着生物工程的快速发展，FES近几年来逐渐被用于吞咽困难的治疗，其基本原理是通过电刺激咽喉部，使咽喉部产生吞咽的动作。目前来说，这方面的研究还相对较少，且以美国和德国居多。如 Burnett等人使用 FES 系统，将刺激电极置于下颌舌骨肌和甲状舌骨肌（两侧），帮助喉部上抬延迟和缺乏的患者的恢复吞咽功能。结果显示，电刺激后患者喉部上抬和吞咽速度有明显提高，可分别达到 正 常 吞 咽 的 50% 和 80%[11]。 在 国 内， 魏 智 钧 等 人 使 用FES和综合康复疗法研究了其对脑卒中吞咽障碍的治疗效果。结果表明，综合康复组（57 例，FES、针灸穴位刺激配合功能训练）的总有效率为 87.7%，对照组（58 例，康复训练）为 65.5%。两组具有显著性差异，证明 FES、针灸穴位刺激配合功能训练是治疗脑卒中后吞咽障碍的有效的方法[10]。

1.3 周围神经损伤修复

周围神经损伤后，在临床上，一般采用显微外科修复技术结合药物、激素和神经生长因子促进神经再生的治疗方法。但修复后的神经再生速度并不理想，而且由于骨骼肌丧失了支配神经的营养会迅速发生萎缩，再加上神经再生速度缓慢，因此对骨骼肌失神经萎缩的防治效果也不理想。目前 FES 正被逐步应用于临床治疗多种神经肌肉疾患，其通过电流刺激作用，可为修复后的神经重新支配肌肉争取时间，最大限度地保留残存肌肉形态与功能。已有的动物实验结果表明，FES在维持肌肉体积及肌力、改善肌肉组织物质代谢、调节肌纤维生理及生化性质等方面作用突出[12]。而且大量实验证实，电刺激对周围神经再生的影响，不论是局部还是全身应用，不论电场类型、脉冲频率、波长以及疗程长短，均具有促进周围神经再生的作用[13]。临床上，FES 对肌肉萎缩也有很好的治疗效果。如 Williams等人用全植入式持续电刺激对15例周围神经损伤者进行了试验，结果表明其对防止失神经肌萎缩有良好效果，尤以臂丛神经损伤患者效果最佳[13]。Kern 等人观察了 FES 对长期失神经导致的肌肉萎缩的治疗效果。结果表明，FES可使肌肉结构发生变化，有效逆转肌肉萎缩。肌纤维的镜检结果显示，治疗组的肌纤维平均直径为失神经组的3倍，平均面积百分比为 3.7 倍，且 FES 治疗组中超过 50%的肌纤维直径大于 30mm，对照组超过 50%的肌纤维直径小于10mm。在平均脂肪和结缔组织百分比方面，结果显示治疗组远低于失神经组。由此可见，FES治疗不仅可使尚存的肌纤维体积变大，促进新生纤维的再生，还可逆转长期失神经肌肉的退行性变[12]。

2 脑机接口的应用

2.1 周围环境及外部设备的控制

瘫痪患者由于患有运动障碍，所以活动范围极为有限。如果能有有效的手段使其能自己控制周围环境（如控制灯光、电视、电动床和房间温度等）将会使他们的自主能力有很大提高。最近，Cincotti等人开展了一项初步研究，尝试了将基于脑电（Electroencephalographic，EEG）信号控制的 BCI技术与家庭环境控制系统相结合，来遥控一些家用设备，如电灯、电视，声学闹钟、电动床、电话、前门开启和使用无线相机监测周围环境。研究中，测试对象为健康对照者 15 人，患有脊髓肌肉萎缩 II型和 Duchenne 肌肉萎缩 4 人，经过 8～12 次的测试后，结果显示，在最后 3 次测试中患者对系统的操控准确率平均达到了 60%～75%[14]。

对于瘫痪患者来说，恢复不受约束的移动是另一个需要解决的重要问题。因此，许多 BCI研究团队尝试开发 BCI- 驱动的 轮椅。如，Tanaka 等人开发了一 种基于EEG 的电动轮椅，通过 EEG 检测方向命令，然后用于轮椅的直接控制，但这样精确的操控对使用者的要求较高。Rebsamen 等人开发了一种基于 P300-BCI系统控制的轮椅，在此系统中，使用者可以通过目的地菜单简单的选择目的地。虽然此系统降低了对使用者的要求，但存在实时方向控制能力较差的问题[14]。

2.2 运动控制与功能恢复

BCI技术的另一个重要应用就是用于身体残缺者和瘫痪病人的运动控制恢复，这是 BCI领域许多研究者的主要目标。

对于身体残缺的患者来说，主要是通过 BCI控制神经假体或矫形器，像机器人手臂等。这方面的研究在临床上的应用目前还很少，且以基于感觉运动节律（Sensorimotor Rhythms，SMR）的系统为主。如 Wolpaw 等人论证了使用SMR 系统进行一维、二维和三维指针控制，并开展了 SMR控制的机器人手臂初步实验[14]。Lee 等人基于运动想象电位控制机器人手臂，并通过视觉诱发电位反馈来调整动作，取得了初步成功。此系统能于三维空间内完成抓取目标物的简单动作，但存在控制精度低的缺点。基于其它信号，像 EEG 信号的机器人手臂研究，国内外也有少量研究[15]。如 Yahud 等人研制出的机器人手臂，具有 16 个自由度，能熟练完成圆柱体抓取，钥匙捏取，2手指夹取纸片，3手指夹取鸡蛋的动作。但系统功能性不强，处理信号的速率、识别率、控制精确率都不高，信号干扰现象严重，而且受试者还需经过严格训练，适应性不强[15]。

对于那些神经阻断但肢体尚在或肌肉损伤的瘫痪类残疾人，通过使用 BCI直接控制其肢体肌肉或进行神经再恢复治疗，可以使其运动能力得到重建，进而实现肢体完成日常生活基本动作的目的。这种方法首先是用于评价脑卒中 患 者 的 脑 磁 波（magnetoencephalographic, MEG） 信 号，结果表明，经过基于 BCI的训练后，脑皮层出现重组，病人可获得对特殊脑活动模式的控制[14]。目前，BCI 与 FES技术相结合治疗神经或肌肉损伤患者，是其在康复领域的最新应用。虽然 FES很早就用于临床并取得了显著疗效，但是其刺激信号的控制问题制约了 FES的进一步发展。因为如果找不到合适的刺激信号，FES就不能达到很好的治疗效果，而且其对残肢的运动控制只能根据预设的模式进行，不能实时的根据患者意愿来随意进行肢体的运动控制。由此可见，BCI技术提供了一个非常好的操作界面。最近，Muller-Putz 等人开展了一项将基于 EEG 的 BCI 与植入 式FES装置徒手系统相连接的个案研究。研究中，首先对患者进行短期的培训，目的是使其通过想象残手的动作而产生明显的 EEG 模式。这种模式被 BCI进一步分类， 接着由BCI仿真肩部操纵杆产生的输出信号被提供给不同抓握阶段的徒手系统。随着连续想象的进行，患者能够将一个简单的物体由一处移动到另一处[7]。周鹏等使用左右手动作想象电位作为 BCI的输入信号，与 FES 配合使用，开发了一种可供瘫痪病人根据自己的运动意愿控制其残肢运动的智能康复系统。此系统能绕过瘫痪病人体内受损的神经通路，直接将人的运动意图通过外部的通路传达给 FES 仪器，刺激相应的神经肌肉，完成患者对残肢的直接控制。初步实验表明，本系统能以 95%以上正确率分析人的运动意图，控制 FES 仪完成预定的刺激任务，恢复手部抓握动作[16]。

3 结论

虽然基于 BCI技术的周围环境的控制与交流，以及基于 BCI的 FES 技术用于运动控制与功能恢复的研究目前均处于初级阶段，且尚有许多问题亟待解决，但是初步的研究结果表明，这些方案是完全可行的。今后，无论是在提高残障患者自理能力方面，还是在现代康复工程领域中它们均是极具应用前景的一项新技术。

[1] Chae J, et al．The rehabilitation of gait in patients with hemiplegia: a comparison between conventional therapy and multi-channel functional electrical stimulation therapy[J]．Phyther,1995,75:490．

[2] Liberson W T,et al．Fuctional electrotherapy stimulation of peroneal nerve synchronized with the swing phase of the gait of hemiplegic patients[J]．Arch Phy Med Rehabil,1961,42:101．

[3] 李宏建．功能性电刺激疗法改善卒中恢复国际脑血管病杂志[J]．2006,14(7):551．

[4] 赵文霞,等．神经促进技术配合功能电刺激治疗急性脑梗死运动障碍疗效分析[J]．中国医药导报,2008,5(36):45．

[5] 林子玲,等．功能性电刺激改善脑卒中患者上肢功能的随机对照研究[J]．中国康复医学杂志,2010,25(2):152．

[6] Samar Hamid,et al．Role of electrical stimulation for rehabilitation and regeneration after spinal cord injury:an overview[J]．Eur Spine J, 2008,17:1256．

[7] Graupe D．An overview of the state of the art of noninvasive FES for independent ambulation by thoracic level paraplegics[J]．Neurol Res,2002,24(5):431．

[8] 明东,等．功能性电刺激技术在截瘫行走中的应用研究进展[J]．生物医学工程学杂志,2007,24(4):932．

[9] 韩瑞．脑卒中后吞咽障碍的研究进展[J]．安徽医学,2009,30(12): 1381．

[10] 魏智钧,等．综合康复疗法及功能性电刺激改善脑卒中吞咽障碍的观察[J]．中国康复医学杂志,2008,23(8):739．

[11] Burnett T A,et al．Selftriggered functional electrical stimulation during swallowing[J]．J Neurophysiol,2005,94:4011．

[12] 李琦,等．神经肌电刺激治疗失神经肌肉萎缩研究进展[J]．中国康复医学杂志,2007,22(5):478．

[13] 林森,等．功能性电刺激在周围神经损伤修复中的研究进展[J]．中国修复重建外科杂志,2005,19(8):669．

[14] Joseph N．Mak,Clinical applications of brain-computer interfaces:current state and future prospects[J]． IEEE Rev Biomed Eng．2009,2:187．

[15] 孙进,等．基于脑机接口技术的康复机器人综述[J]．机电工程技术,2010,39(4):13．

[16] 周鹏,等．基于脑机接口的智能康复系统的设计[J]．计算机工程与应用,2007,43(26):1．

Application of Functional Electrical Stimulation and Brain Computer Interface in Medicine

SUI Bao-shi1,2, WAN Bai-kun1
1.College of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering, Tianjin University Tianjin 300072,China;2. Network Center,Tianjin Nankai Hospital, Tianjin 300100,China

To review the application of funcfional electrical stimulation (FES) on treatment of motor dysfunction and dysphagia induced by brain or spinal cord injury, and introduce the application of brain computer interface in modern medicine and the progress of BCI-based FES. The results show that BCI, FES and BCI-based FES are good prospect of new technology in modern rehabilitation engineering area.

functional electrical stimulation;brain computer interface;brain injury;spinal cord injury;rehabilitation medicine

R743.3

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.06.021

1674-1633(2011)06-0063-04

2011-03-24

作者邮箱：suibaoshi@hotmail．com