“人工智能+智慧医疗”背景下脑机接口技术对脑卒中康复的应用研究

摘要：积极探索神经功能损伤的脑卒中康复治疗技术在近年来的医疗行业释放出巨大的潜力和价值。康复医疗领域正在面临数字化、智能化转型升级，数智时代为康复医学带来了新的机遇与挑战。为了满足优质便捷、智能高效的康复技术的迫切需求，一系列新型人工智能康复技术应运而生。基于脑机接口的脑卒中康复技术的应用不仅加速了康复医疗领域智慧数字化产品的研发和普及，而且通过人机交互提高了脑卒中康复治疗的有效性。

关键词：脑卒中；脑机接口；康复

近年来，在国家各项政策加持下，中国医疗科技发展势头迅猛，人工智能技术异军突起，催生智慧医疗蝶变。迄今为止，人工智能技术与医疗行业的结合是未来大健康产业升级的重要一环，在生物技术、医院管理、健康管理、可穿戴设备、医学影像等多个领域都取得了比较突出的成就。由此可见，人工智能赋能智慧医疗在精准医疗方面起到了联动作用，助力地方医疗服务能力提升与转型升级。

一、脑卒中康复治疗的研究意义

脑卒中以“危、重、急”著称，是人类健康第一杀手，病中之最。它是一种起病快、康复慢、危害创伤大的中枢神经系统疾病，具有“四高一低”的特征。随着时代发展进步，生活节奏日益加快，脑卒中患者数量不断增加，病患年轻化趋势明显，大部分病患会伴随各种后遗症和并发症，出现各种程度的运动功能障碍、认知障碍、言语障碍、吞咽功能障碍、感觉障碍等。从宏观层面看，我国长期以来对脑卒中的研究和治疗耗费了大量的医疗资源，产生巨额的医疗花费，给社会造成沉重的负担；从微观层面看，很多病患伴随偏瘫，需要他人照顾才能维持生活，既给患者本人增添了痛苦，也给家庭也带来了负担。因此，国内外科研院所和医疗机构越来越重视脑卒中的康复与治疗。

众多临床实践表明，脑卒中康复疗法对患者的卒中后恢复是行之有效的。康复治疗是为了提高患者身体各项机能、减缓各项障碍，避免患病后遗症的发生，同时改善病患生活自理能力，从而减轻家庭的经济负担以及看护压力，帮助病患有尊严地重新融入社会生活各个方面。迄今为止，脑卒中康复主要涉及医学、社会等手段。一种是中医康复疗法，主要包括穴位按摩疗法、针灸疗法、疏经通络操和中药外治疗法；另一种是现代康复疗法，主要包括运动想象治疗、音乐治疗等。康复前期，患者通常在医院接受这些治疗。然而，这些治疗方法都有其不足之处，如药物有副作用、运动训练时间长导致患者依从性差、针刺和灸法分别有感染和烫伤风险、心理治疗需要在专业心理治疗师的指导下进行等。而脑机接口技术是一种简单有效、无创安全且患者易接受、临床易推广的治疗手段，已经受到广泛的关注与研究。

因此，关注脑卒中康复领域最新研究进展及治疗策略，开展高质量脑机接口技术康复诊断研究，推动我国脑卒中在国际卒中领域跑出中国速度，为指导卒中临床实践、优化脑卒中救治方案及改写卒中急救指南提供了高质量循证依据。

二、脑机接口系统的关键技术

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）技术是一种在大脑和外界间建立连接和控制通道的多学科交叉技术，起源于20世纪70年代。1999年，美国举办的第一次BCI国际会议给出了BCI标准定义：“脑－计算机接口（Brain Computer Interface）是一种不依赖于正常由外围神经和肌肉组成的输出通路的通信系统”。脑卒中患者采用脑机接口技术可直接使用大脑控制机器，这使得偏瘫等行动不便的病患拥有自主与外界交流或控制外部环境的能力。脑机接口技术不仅需要大脑发送信号通过计算机语言命令驱动外部设备，还需要外部设备持续向大脑反馈外界环境信息，通过闭环反馈的形式使大脑实时改变控制方案，确保系统稳定正常运行。从信号获取的角度考虑，BCI系统可划分为非侵入式和侵入式；从脑机接口范式、感觉刺激、采用的信号角度考虑，脑机接口系统可划分为单一范式、单一感觉刺激、单一脑信号的脑机接口和混合脑机接口。一般来说，BCI技术主要有以下几个关键环节。

（一）信号采集

如今，BCI系统一般使用下述方式获取信号：1.脑电图是最常用的信号采集方法之一，根据电极帽中嵌入的电极电位变化获取大脑信号；2.功能磁共振成像根据磁共振头线圈采集大脑血流变化情况，反映各种精神活动相关信号，无法靠时间精度检测，信号采集要求高，费用昂贵。3.皮层脑电图需要将电极嵌入人脑中以采集相关数据，对特定最小几何细节的辨识能力较好。4.功能近红外光谱成像根据近红外头盔获得感兴趣的神经活动区域血液循环流动参数的改变特征，反映脑区的神经元活动、细胞能量代谢和血流动力学相关功能变化。上述数据获取后应当进一步实施数据预处理，以取消基线漂移、生理干扰以及高频噪声等其他不需要的数据。

（二）特征提取

特征提取主要是从预处理后的脑电信号中提取能够反映病患意图的有用特征。然而，由于大脑信号错综复杂，不能局限于单一特征进行分类，而要从不同维度提取多个特征以挖掘更多有用的信息。需要注意的是，特征维度过多会造成维度灾难，因此特征的重要性评估也是需要考虑的问题。

（三）特征分类

特征提取后紧接着是对特征进行分类，分类器作为分类识别的关键，接收来自提取后的特征，并将不同维度的特征解码成大脑的各项复杂任务。研究中通常使用支持向量机、随机森林、神经网络、决策树、深度学习等特征分类方法。

（四）外部控制设备

在机器层面进一步优化了人机互动，在众多应用包含脑卒中康复应用中，智能轮椅、外骨骼机器人、机械臂、虚拟现实等依托外部控制系统实现脑卒中等神经肌肉受损患者的个性化的辅助康复训练，激活病患肌肉神经组织康复过程的功能重建。

三、脑机接口技术在脑卒中康复诊疗领域的应用

（一）脑机接口与物理电、磁刺激结合的应用研究

刘莉莉、王玲、于峰[1]研究发现，脑电仿生电刺激是一种依据物理电流刺激病患处的疗法，治疗后可以促进急性缺血性脑卒中大脑局部血循环并开启内源神经保护功能，帮助改善脑损伤。当结合新一代的Fourier M2康复训练时，病人康复有效率明显高于对照观察组，表明该疗法能有效改善脑卒中偏瘫病患的大脑血流情况，有利于上肢运动功能的恢复，进一步提升患者生活品质。

张颖彬、莫林宏、聂忆秋等[2]通过设置rTMS治疗与非认知功能药物治疗对照组，利用fNIRS辅助诊疗手段采集两组病患前额叶大脑区域的数据，观察相关脑区的血流动力学变化。实验结果显示，脑卒中后轻度认知功能障碍患者经高频rTMS治疗后氧合血红蛋白浓度升高，有利于神经元活动、细胞能量代谢，提高脑卒中患者认知功能。

蔡伟强、李浩正、朱玉连等[3]对12位脑卒中后偏瘫患者进行了脑部感兴趣区的经颅磁刺激治疗及伪刺激治疗对照，经fNIRS辅助诊疗手段采集治疗前后血流动力学数据进行静息态脑神经网络分析。结果显示，患侧M1区-健侧SMA区的连通性加强，为该病后遗症的改善乃至痊愈奠定研究条件。

孙文斌[4]研究发现，脑机接口技术的外部接口设备采用功能性电刺激能够促进脑卒中上肢功能障碍患者肌肉收缩，实现大脑皮层功能适应性重塑。他提出一种基于传统脑电信号的经验模态分解算法联合改进的独立成分分析算法的去噪算法，再利用双树复小波变换进行特征提取，根据GA+Light GBM分类算法识别后，准确率最高约为88%且具有较小方差。因此，该康复系统能够促进病患的上肢康复。

（二）脑机接口与运动想象结合的应用研究

胡义茜、高天昊、陆蓉蓉等[5]研究发现，经过不依赖外部设备的基于运动想象的脑机接口规范训练20次后，具有手功能障碍的脑卒中病患能够主动伸展10度，屈曲15度，肌张力相较以前有所改善。通过运动想象轻触觉、视觉的输入及反馈，促进脑功能重塑，康复训练效果优于常规康复训练，具有一定的临床价值。

刘鸿鑫、刘晓旭、陈志天等[6]研究发现，治疗组脑卒中后上肢功能障碍患者10例在运动想象治疗4周和治疗8周后，经对比该组临床试验结果的量表得分改善效果更显著。同时，fNIRS辅助检测技术显示，随着运动想象治疗时间的推移，血氧浓度变化反映大脑皮质运动区和运动前区变为深红色，意味着细胞代谢增强，大脑皮质兴奋面积更大、程度更明显，激活效果及功能改善更显著。

任莎莎、程凯、许亮等[7]研究发现，阳极tDCS联合MIT治疗发挥协同增效作用，能够激活相应脑区且治疗效果优于其他对照组。这表明单一疗法的治疗有其局限性，二者的有机结合有利于大脑神经活动的可塑性。

周苏健，王水良，刘小英等[8]研究发现，脑卒中的吞咽障碍在运动想象和脑机接口技术的康复治疗下，根据不同患者的病情和病程，模仿正常人的吞咽过程，能够更精准和规范地执行吞咽动作，改善吞咽效果。此研究为后续的临床治疗提供了更有说服力的依据。

高诺、陈鹏程[9]研究发现，利用脑机接口技术和虚拟现实环境融合能够制定个性化康复治疗方案。根据脑卒中后的手部患病特点差异化可以令手指活动范围不局限于驱动方位，设置因人而异的游戏训练任务，建立患者与康复系统的本体、运动感觉闭环反馈。该系统准确率高、安全便携、透气性好、稳定可靠，能够改善脑功能重塑与脑神经重建。

陈鹏程[10]研究发现，将虚拟现实场景的康复训练环境与人机交互的脑机接口技术相结合，通过基于小波变换和卷积神经网络的脑电算法开展临床、在线、离线实验，结果显示系统识别准确率高，能够有效提升脑卒中患者手部功能障碍的康复训练效果，并增强患者的主动康复意愿。

梁明[11]研究发现，虚拟现实任务导向训练使脑卒中患者实现虚拟世界的物体交互，提高病患的主观能动性，促进神经细胞修复再生，提高患侧皮质运动神经元的兴奋性，诱发患侧CST不断修复重建，提升患者偏瘫肢体肌力，为脑卒中后偏瘫恢复奠定良好的基础。后期可配合反复肌肉耐力训练增强运动能力，ADL评定得到有效改良。

孔德闻[12]研究发现，基于脑机接口和虚拟现实技术设计的脑卒中康复训练系统，能够利用3ds Max和Unity3D创建不同的虚拟场景进行训练，并实时采集病患的脑电信号，反馈到虚拟环境人物以达到脑重塑和功能重组的目的。

四、结束语

“脑科学与类脑研究”催生新兴脑智产业发展，在新时代背景以及国家政策加持下，基于脑机接口的脑卒中康复医疗研究具有广阔的市场前景。脑机接口技术通过运动代偿和康复训练对脑卒中患者肢体运动障碍、意识障碍等康复治疗效果显著，目前可以满足临床需求，但仍存在普及率低、研发时间长等问题，未来需要进一步的研究与探讨，特别是在产品落地和技术迭代创新方面。

作者单位：冯洋 金华高等研究院

武昊 金华开放大学

参考文献

[1]刘莉莉，王玲，于峰.脑电仿生电刺激联合上肢智能力反馈康复机器人治疗老年急性缺血性脑卒中的临床研究[J].中西医结合心脑血管病杂志，2021，19（23）：4148-4151.

[2]张颖彬，莫林宏，聂忆秋，等.近红外脑功能成像在重复经颅磁刺激治疗脑卒中后轻度认知功能障碍的应用[J].首都医科大学学报，2020，41（06）：965-969.

[3]蔡伟强，李浩正，朱玉连等.持续短阵脉冲刺激对脑卒中偏瘫患者静息态脑功能连接模式的影响[J].中国康复医学杂志，2023，38（07）：898-903.

[4]孙文斌.基于BMI多通道FES脑卒中上肢康复技术的研究[D].长春理工大学，2021.

[5]胡义茜，高天昊，陆蓉蓉，等.基于运动想象的脑机接口技术治疗脑卒中慢性期严重手功能障碍1例报告[J].中国康复医学杂志，2023，38（02）：245-247.

[6]刘鸿鑫，刘晓旭，陈志天，等.功能近红外光谱成像技术评估运动想象疗法对脑卒中患者脑功能的影响[J].神经损伤与功能重建，2023，18（06）：363-366.

[7]任莎莎，程凯，许亮，等.经颅直流电刺激联合运动想象疗法改善脑卒中偏瘫病人上肢运动功能及认知功能的效果[J].实用老年医学，2023，37（05）：449-453.

[8]周苏键，王水良，刘小英，等.高频重复经颅磁刺激联合运动想象训练对脑卒中后吞咽功能障碍的影响[J].康复学报，2023，33（2）：108-113.

[9]高诺，陈鹏程.基于脑机接口与虚拟现实技术的手部软康复系统研究[J].生物医学工程研究，2022，41（01）：32-40.

[10]陈鹏程.基于脑机接口与虚拟现实的手部软康复系统研究[D].山东建筑大学，2022.

[11]梁明.VR任务导向训练对脑卒中患者运动功能与神经肌电信号及脑可塑性的影响[D].新疆医科大学，2022.

[12]孔德闻.BCI中面向康复的VR训练系统设计及脑电分析[D].上海大学，2021.