脑-计算机接口技术在医学领域的应用*

赵俊龙 贾花萍

(渭南市中心医院康复科 渭南 714000) (渭南师范学院数学与信息科学学院 渭南 714099)



•医学信息研究•

脑-计算机接口技术在医学领域的应用*

赵俊龙 贾花萍

(渭南市中心医院康复科 渭南 714000) (渭南师范学院数学与信息科学学院 渭南 714099)

介绍脑-计算机接口系统的结构、工作原理，重点阐述该技术在医学领域中的应用，包括癫痫自动检测及分类、康复训练、麻醉深度检测等方面，指出脑-计算机接口技术面临的挑战。

1 引言

对严重神经或肌肉伤残患者来说直接用大脑控制装置是不可能的,但是近年来随着脑科学、计算机科学、信号处理技术的飞速发展以及残疾患者需求意识的不断提高，一项被指作脑-计算机接口(Brain-computer Interface, BCI)的技术,使得人类利用脑信号同计算机或其他装置进行通讯成为可能。脑-计算机技术是指在人脑和计算机或其他电子设备之间建立的直接交流和控制通道。通过这种通道，人就可以直接通过脑来表达想法或操作其他设备，而不需要通过语言或肢体的动作，是一种全新的通讯和控制方式[1]。这对思维正常但有运动障碍的人来说有着极其重要的意义。在脑-计算机接口中，“脑”是指神经系统或者有机生命形式的脑，而并不仅仅指抽象的“思想”，“机”是指任何用于处理或计算的设备，其形式可以从简单电路到硅芯片。

脑-计算机接口技术是一门涉及神经学、心理认知科学、康复工程、生物医学工程和计算机科学等多学科的交叉技术[2]，近年来随着计算机技术、信号处理技术及认知神经科学的快速发展，“脑-计算机”接口技术逐步走向了实用化，已成为脑信息领域和生物医学工程领域的研究热点。

2 脑-计算机接口系统结构及其基本工作原理

2.1 系统结构

简单地说，脑-计算机接口技术就是将人类的思维和计算机相结合，即在人脑与计算机之间建立一条通信电路。图1是简单的脑-计算机接口系统结构图，通过实体界面如计算机界面刺激脑组织传递特有的感觉信息，这种刺激编码后经大脑认知，产生特定的目的，通过大脑命令，计算机产生相应的行为。如浙江大学2012年2月向世界展示了最新的“脑-计算机”研究成果，一只约5岁、头上戴着电极帽的猴子，帽子上的电极连在计算机上，通过科研人员的指挥，猴子做出了抓、勾、握、捏4种不同的手部动作[3]。

图1 脑-计算机接口系统结构

2.2 工作原理

脑-计算机接口系统的基本工作原理，见图2，一般包括信号采集、信号分析及信号控制3个功能模块。来自外界的刺激信号对大脑产生相对应的神经电活动(即EEG信号)，该信号与即将发生的肢体活动相对应，计算机对其进行预处理和特征提取等分析处理后，采用各种分类算法进行识别，通过识别结果判断引发脑电变化的动作意图，经过计算机传输和外部驱动设备作用，将动作意图转换成为机器的实际动作。

图2 脑-计算机接口系统的基本工作原理

3 脑-计算机接口技术在医学领域的应用

3.1 癫痫自动检测及分类

癫痫是由大脑神经细胞异常放电所引起的,以短暂中枢神经系统功能失常为特征的慢性神经系统疾病[4-5]。癫痫发作具有反复性、突发性和暂时性等特点[6]，会给病人身体和大脑带来巨大伤害，甚至危及生命。癫痫的发作信息在脑电信号中有显著的表现，因此多数研究都基于此展开：如汪春梅[7]提出用近似熵和小波分析方法提取癫痫脑电特征,对癫痫脑电信号进行分类检测,提高了检测率；袁琦[8]提出用分形几何理论方法对癫痫脑电进行分类识别及自动检测，能够更好地区分癫痫发作期和间歇期的脑电，同时他提出的多导长程脑电癫痫发作检测方法对癫痫发作进行预报，具有良好的性能；Adeli等[9]利用小波变换检测失神性癫痫患者脑电信号中的棘慢复合波，发现可以在时频域获得脑电信号的瞬态特征；Lasemidis等[10]在短程最大Lyapunov指数基础上建立癫痫发作预测系统，在设置确定参数情况下，可预测到82%的癫痫发作，提前预报时间超过70分钟。此外，脑电刺激疗法治疗癫痫病目前已进入临床试验阶段。因此对癫痫脑电信号的检测与记录，对于癫痫的病灶定位、预测及病情分析具有重要的意义。

3.2 中风病人和肢体损伤病人的康复训练

在中风病人和肢体损伤病人的康复训练中，脑-计算机接口技术可以帮助残疾人或失去运动能力的老年人进行主动康复训练，BCI护理机器人可以从事基本护理工作，提高残疾人或老年人的生活质量[11]。孙克伟[12]提出脑-计算机接口技术和功能性电刺激(FES)技术结合的中风康复系统，将大脑由于想象肢体运动而产生的脑电信息作为控制命令来控制FES对肢体进行刺激,使其能够完成某种特殊动作,实现康复效果。李明芬[13]提出采用脑-计算机接口对手三里、外关进行经皮电刺激，用运动想象期间的在线准确率及相关去同步事件评价治疗前后患者脑电信号的变化，发现经过治疗后，脑-计算机接口组患者在线准确率明显高于对照组及治疗前,能显著改善中风患者的运动功能。

3.3 麻醉深度检测

脑-计算机接口技术在医疗检测方面也具有非常大的应用前景。Berger在氯仿麻醉时曾经测量过脑电信号的变化，Gibbs等用脑电信号监测术中麻醉药的作用。计算机技术在医学领域中的研究与应用，使利用脑电信号进行麻醉深度监测成为可能。但是由于脑电信号微弱性及非线性特点，在临床应用时存在指标延时、不明确、误报问题。梁振虎[14]提出脑电信号熵麻醉深度监测方法，提出排序熵、小波稀疏度测量、Hurst指数等非线性指标估计方法。黄力宇等[15]提出用脑电互信息序列和复杂度分析反应异氟醚麻醉条件下患者的麻醉情况，计算时间短 ,适合临床使用。麻醉医生可以通过脑电信号监测病人的麻醉深度信息来减少或降低麻醉药物对病人大脑的损害。

3.4 老年痴呆病及认知功能

2003年1月英国《自然科学》杂志登载了旅美华人学者申勇的最新发现，老年痴呆症并非基因突变所致，而是脑部的一种蛋酶活性过大，导致大量淀粉在脑内形成块状沉淀造成的[16]。随着年龄的增长，老年人的认知功能逐渐衰退,发生不同的生理和病理过程, 形成不同的老年认知状态。盛倩倩[17]对不同认知功能状态下的老年人进行研究时发现,正常老年人脑电复杂度并不是均匀分布,左半球具有明显优势,而轻度认知功能障碍患者双侧半球脑电复杂度无差异,己丧失该优势。翟静波[18]将脑电指标用于阿尔兹海默病的发病机制和早期预警研究，利用脑电指标与认知功能的关联性，揭示脑电信号有可能是用于评价认知功能状态的敏感指标。

3.5 脑血管病

在评价急性脑血管病的病情及其预后方法中，脑电信号可以准确定位局部异常活动。某些特殊脑电对急性脑血管病病情及预后有明显的指示意义，在超早期的溶栓治疗中具有重要的意义，是一般影像学方法所无法比拟的。在急性脑血管病的诊疗中，定量脑电分析方法在临床上的应用也成为未来的发展方向，尤其在判断病情、预后及监测中较为实用。

3.6 康复领域及其他方面

康复医学是促进病、伤、残者康复的一门医学学科，是断预防医学、临床医学之后的第三医学，主要研究有关功能障碍的评定和处理等问题[19]。张春芳等[20]指出建立中国残疾与康复信息数据库的必要性，收集国内外的康复最新研究信息,对残疾人的康复起到重要的作用[22-23]。清华大学开发的听觉目标辨识的脑-计算机接口技术、视觉运动起始的脑-计算机接口技术、伪随机编码的高速视觉脑-计算机接口技术，让人脑通过思维控制机器人踢足球成为现实。其中，听觉认知强化的新型脑-计算机接口技术将能够帮助像物理学家史蒂芬·霍金这样的“渐冻人”通过听觉脑电活动来表达自己的思想，与外界沟通。脑-计算机接口技术在生物体的神经系统与外部环境之间建立一种新型神经信息交流与控制通道,为神经的功能修复提供了一种新方法。在感觉功能修复、运动功能修复、神经精神疾病和脑积水治疗领域的临床应用将日趋广泛。脑-计算机接口技术旨在开发用于神经疾病治疗的新技术和残障人士康复的新设备。

此外，在假肢控制方面，用思想控制轮椅，对于被截肢者，用思想控制义肢及各种神经假体设备，也可以帮助他们进行运动功能重建和生活自理，提高残疾人的生活质量。在抢险、救援及人类无法进入的危险区域，也可以借助神经假体来完成。在视觉和听觉假体方面，脑-计算机接口技术的应用包括人工电子耳蜗、脑干植入、合成视觉、人造硅视网膜等方面。此外，脑-计算机接口专家加州大学伯克利分校神经学副教授Jose Carmena通过在鼠类上植入脑-计算机接口研究大脑神经回路。2014年他参与了美国军方7 000万美元的研究项目。该项目将通过大脑植入物分析、控制情绪，治疗美国士兵的多种精神疾病。未来将大大降低因精神疾病造成的自杀事件。目前，脑电图己成为评价脑功能状态的重要指标，被广泛应用于中枢神经系统疾病、精神性疾病的诊断和研究。同时，在心理学和认知科学研究领域也有着广泛的应用。

4 脑-计算机接口技术面临的挑战

经过多年的努力，脑-计算机接口技术的研究取得了不少令人欣慰的结果，但不可否认的是尚处于发展的初期，大多数脑-计算机接口技术还处于实验室阶段，大部分测试在正常人中进行，在残疾人中测试较少。通过研究脑-计算机接口技术，人们对脑电产生的神经生理学机制产生认识，了解神经系统及其大脑功能，为解释大脑活动的本质提供重要线索。但脑-计算机接口技术要进入实际应用阶段，还有很多问题等待解决。(1)连接到神经系统会导致永久性脑损伤，造成感觉、运动的损失，或持续疼痛。(2)病毒的攻击可能引发脑部疾病。(3)由于脑电信号十分微弱，如何减少干扰成分、提取有效信号特征、找到最优的特征提取算法和分类算法值得探讨。(4)需要用有线连接到设备，是非便携式的，需要携带电脑。(5)系统存在分辨率不高和通讯速度慢等问题[22-23],有运动障碍残疾人与外界进行交流时，实时性要强，要能够接近正常人间的交流速度。(6)现有设备价格昂贵，不适合普通人购买。(7)系统要满足用户的个体差异。(8)在现实中应用时要减少电极数量，降低使用的复杂程度，增强脑-计算机接口系统的稳定性和兼容性。随着对这些问题的充分认识和逐步解决，脑-计算机接口技术最终将走出实验室，进入人们的生活。

5 结语

脑-计算机接口技术为人们提供了全新的与外界进行交流的方式，人们可以不通过语言和动作，直接用脑电信号来表达思想、控制设备，这为智能机器人的发展提供了一个更为灵活的信息交流方式。至今该技术真正投入实际使用的很少，研究和开发还有很多问题需要解决。但是应该相信随着计算机科学、神经生物学、数学、智能控制等各个相关学科的不断发展与融合，脑-计算机接口技术将逐步应用于现实，造福人类。

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3 周玮，古越.浙大课题组实现猴子“意念”控制机械手[EB/OL].[2014-02-20].http://www.news.zju.edu.cn/news.php?id=35019.

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Application of Brain - computer Interface Technology in Medical Field

ZHAOJun-long,

RehabilitationDepartment,WeinanCentralHospital,Weinan714000,China；JIAHua-ping，CollegeofMathematicsandinformationScience,WeinanNormalUniversity,Weinan714099,China

The paper introduces the structure and working principle of brain - computer interface system, elaborates the application of the technology in medical field, including automatic detection and classification of epilepsy, rehabilitation training and anesthetic depth monitoring, pointing out the challenges brain - computer interface technology faces.

Brain-computer interface; EEG; Medical; Application

2015-05-20

赵俊龙，主治医师，发表论文4篇。

陕西省教育厅专项科研计划项目(项目编号：14JK1256)；陕西省自然科学基础研究计划项目(项目编号：2014JM1026)；2014年渭南师范学院校级特色学科建设项目(项目编号：14TSXK02)。

R-058

A 〔DOI〕10.3969/j.issn.1673-6036.2015.07.011

〔关键词〕 脑-计算机接口；脑电信号；医学；应用