2023脑-机接口技术在脊髓损伤后运动功能改善中应用的研究进展.docx

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1、2023脑-机接口技术在脊髓损伤后运动功能改善中应用的研究进展脊髓损伤是指由于直接或间接因素导致的脊髓结构和功能的损害。数据显示,我国创伤性脊髓损伤的发病率从2009年的每百万人口45.1例增加到2018年的每百万人口66.5例。因人口老龄化趋势加剧，跌倒所致的创伤性脊髓损伤数量逐年增长。关于脊髓损伤的治疗，临床指南大多着重于减轻脊髓损伤急性期和（或）亚急性期的继发性损伤，药物治疗和手术治疗是常规治疗手段。但对一些脊髓严重损伤的患者，常规手术治疗后功能改善者仅为少数，药物治疗后患者运动评分提升亦不明显。大部分患者只能依赖轮椅活动甚至长期卧床，严重影响生活质量。1973年，Vida1尝试使用脑电

2、图将人的大脑信号与计算机相结合，首次提出脑-机接口（brain-computerinterfaces,BCI工经过数十年的发展,BQ技术逐渐成熟并可通过电脑等电子设备，在一定程度上实现脊髓损伤患者部分运动功能的改善。即使脊髓损伤患者部分脊髓发生病变，BCI装置依然可以解码大脑信号，通过输出设备绕过病变脊髓，实现上、下肢运动功能改善。为全面了解BCI技术在脊髓损伤后运动功能改善中应用的研究进展，笔者以braincomputerinterface,spina1cordinjury,upper1imbrestoration1ower1imbrestoration作为关键词，检索PUbMed、Webo

3、fScience等数据库;以脑-机接口脊髓损伤上肢运动改善下肢运动改善作为关键词，检索中国知网、万方数据知识服务平台等数据库。检索时限为2002年6月至2023年1月。文献纳入标准：（1）与BC1在脊髓损伤患者运动改善中的应用相关12府关脊髓损伤患者的治疗方式3)文献类型包括论著、综述等。文献排除标准：(1)与主题相关性差；(2)无法获得全文；(3)内容重复或相近。最终引用文献50篇，其中英文44篇，中文6篇。笔者就BCI技术及其对脊髓损伤患者运动功能改善的影响两个方面的研究进展进行综述，为改善脊髓损伤患者运动功能提供参考。1. BCI技术简介1.1. BQ技术的工作原理BCI直接联系大脑内部

4、与外界环境，保持大脑与外部的信号实时交互，并将大脑内部的信号转变为可识别的特征性信号，患者可通过大脑信号操作装置，不再依赖常规神经肌肉通道。从人脑获取信号到转换为可行命令的过程包括：信号采集、预处理、特征提取、分类和设备控制。信号采集即大脑运动信号的收集过程；预处理的目的在于去除信号中的噪声干扰，并突出有用的特征信号成分；特征提取意味着找到最符合脊髓损伤患者意图的特征性信号；分类即根据提取的特征性信号利用算法区分用户的不同意图；设备控制指患者通过信号输出设备将解码后的大脑运动信号转化为肌肉运动。BCI可弥补由脊髓损伤所致的运动信号下行中断，实现瘫痪个体四肢运动功能的改善。ZaforaS等发现,

5、脊髓损伤中断向感觉皮层上升的感觉信号，使得大脑感觉皮层进行广泛皮质重组，这可能与躯体感觉网络的重排有关。利用感觉传感器可将触觉信号以电信号的形式传输至大脑感觉皮层，实现感觉的重现。运动功能的改善及感觉的重现是现阶段BCI的重要研究方向。1.2. BCI在临床中的应用BCI技术不仅应用于运动障碍患者的运动康复，还应用于大脑状态监测、神经康复及增强人类认知等医疗和非医疗领域。信号收集装置及信号输出装置是BCI发展的关键技术，信号收集的速度和质量，决定了BCI装置能否及时且准确地传递患者意图，而信号输出设备则直接决定了患者受损运动功能的康复水平。1.2.1 BCI的分类：根据大脑信号的收集方式可将B

6、CI大致分为侵入性、半侵入性和非侵入性三类。侵入性BCI将微电极阵列置入到大脑皮质中，直接记录神经元电活动，精确度较高，但微电极阵列长时间置入会产生瘢痕组织，影响信号的后续收集。半侵入性BQ将电极放置在颅骨下方但并未置入大脑皮层，通过脑皮层电图记录大脑信号，代表方式为硬脑膜处的脑电图（EcoG非侵入性BCI设施放置在大脑外，间接测量和记录神经元电信号，可以避免手术对大脑带来的创伤，其方式包括功能性磁共振成像（fMRI1脑电图（EEGX脑磁图（MEG功能性近红外光成像（fNIR）和正电子发射计算机断层显像（PET）等。K1ine等于2023年探索fMRI应用到BCI上并促进下肢运动康复的可行性，

7、结果表明，与传统纯数据分析相比，fMRI具有相似的准确性和更高的可解读性。而EEG虽然容易受到噪声影响，但因高时间分辨率和高相对分辨率及低成本等优点,成为现阶段实验研究中的优选方案之一。MEG、fNIR及PET由于设备昂贵应用范围较小。总体而言，属于非侵入性和半侵入性的EEG,EcoG等具有良好的时间分辨率，而属于非侵入性的fMRI有较好的空间分辨率和更高的可读性。侵入性置入微电极阵列则有较高的精准度，应用前景更广。1.2.2 BCI的信号输出设备类型：就BCI装置的信号输出设备而言，大致可分为脑-肌肉神经电刺激、脑-脊髓电刺激及脑-外骨骼等三种信号输出方式。（1）脑-肌肉神经电刺激主要为功能

8、性电刺激（FES）,FES以电脉冲刺激目标组织，刺激的部位可以有多种，如脊髓中的神经元、周围神经或肌肉上方的周围皮肤等，对神经的刺激效果要好于肌肉。但Vromans和Faghri的研究结果表明，去神经支配的肌肉组织在多次FES后快速疲劳。同时目标肌肉和外周神经需要单独的仪器控制，限制其临床应用。（2）脑-脊髓电刺激包括脊髓内微刺激（ISMS硬膜外刺激（EES）和经皮脊髓刺激QSCS）等形式。ISMS是一种将微电极置入脊髓中并通过微电流激活脊髓神经元的技术，通过直接刺激脊髓的腹侧运动回路来诱导运动，并可通过提供肌肉纤维的自然募集来协同运动。EES则是一种将微电流输送到脊髓背侧硬脑膜表面的治疗方式

9、，在很长一段时间内主要用于治疗慢性顽固性神经性疼痛。ISMS的临床试验由于其侵入性而进展缓慢，长时间的刺激会导致肌肉张力增加，使得肌肉快速疲劳。EES作为ISMS的替代技术，减少了脊髓损伤，且有更多的生理激活模式，临床应用前景更好。而tscs是在对应脊髓水平位置对皮肤施加较强的刺激，使到达脊髓的刺激信号无明显减弱，避免了因开放性创伤引起的脊髓功能异常。（3）脑-外骨骼主要为BCI技术与上肢机械臂及下肢外骨骼装置或步行轮椅的联合应用。主要分为功能辅助型和功能康复型两类，前者针对未完全丧失运动能力的患者，可通过脑-外骨骼装置辅助锻炼实现运动功能改善；后者应用于完全丧失运动功能的患者，该装置复刻人体

10、复杂的解剖结构，其动力学行为类似于肌肉骨骼系统，患者可利用大脑电信号控制外骨骼，改善上、下肢运动功能。上述BCI的信号输出方式各有优缺点，脑-脊髓电刺激虽作用部位更加精确，但因其侵入性的特点，安全性及有效性仍待进一步探索。脑-外骨骼机械设计复杂但自由度更佳。脑-肌肉神经电刺激虽存在刺激后肌肉疲劳问题,但FES因其操作简便且成本较低与脑-外骨骼均较广泛应用于基础研究及临床中。2. BCI技术对脊髓损伤患者运动功能改善的影响四肢瘫痪患者强烈希望能够实现上肢功能改善，并且更希望改善自己肢体的功能而不是使用假肢。由于脊髓损伤后有一定程度的自我恢复，因此对于急性创伤所致的存在颈椎椎管狭窄的不完全脊髓损伤

11、患者，早期手术更有利于运动功能改善，且美国脊髓损伤协会（ASIA）运动评分明显提高。目前，BCI技术主要应用于严重不完全脊髓损伤及完全脊髓损伤患者的运动功能改善。2.1. 脑-肌肉神经电刺激及脑-脊髓电刺激2.1.1 上肢运动功能改善：就脊髓损伤患者上肢运动功能改善而言，BOCkbrader等将FES-BQ应用于1例27岁C5受损患者，经过训练，该患者可以熟练且协调地进行抓握运动和物品的简单使用，为BQ临床化迈出了坚实的一步。除FES技术之外，Zimmermann等将ISMS技术应用于脊髓损伤的实验动物猴，改善其伸手和抓握等功能性运动，证实ISMS的可行性。EES作为ISMS的替代技术，也有了

12、研究进展。Kato等利用EES技术将硬膜下电极阵列置入脊髓损伤猴子颈椎的背外侧，研究结果表明，BCI装置通过刺激病损脊髓下方正常的皮质脊髓束，使实验动物产生手指、手腕、肘关节和躯干的运动。InaniCi等通过tSCS技术，成功使6例脊髓损伤患者双手力量和拇指及其他手指间的捏和力明显提升。GanZer等设计可同时向大脑传递触觉信号的闭环BCI装置，受试者可以利用触觉解码器向大脑皮层彳专递触觉信号，并利用触觉信号对传出的运动信号进行微调，从而实现由触觉信号调节的手指抓力的改善，同时闭环BQ装置几乎完全恢复了脊髓损伤患者对被检测物体的触摸能力。除此之外,家用BCI装置也取得研究进展,Davis等通过

13、EcoG从1例22岁C5受损的脊髓损伤患者收集大脑运动信号，并使用轮椅上的微型计算机和患者的智能手机作为信号输出的装置,成功改善患者抓握等运动，初步实现BCI家用的研究目标。总体而言，脑-肌肉神经电刺激及脑-脊髓电刺激的BQ装置,可以初步实现脊髓损伤患者对上肢运动的需求，但其长期疗效及装置稳定性有待研究。2.1.2 下肢运动功能改善:就脊髓损伤患者下肢运动功能改善而言,Grahn等成功使用ISMS技术唤醒脊髓损伤小鼠的后肢运动功能，但是并未产生行走运动。利用ISMS技术实现脊髓损伤患者的下肢运动功能康复依然是一个遥远的目标。但C叩。gross。等利用EES技术将皮质内微电极阵列置入至脊髓损伤猴

14、运动皮层的相关区域，并在受损脊髓部位的下方置入硬膜外电极和具有实时触发功能的脉冲发生器,三者共同组成了BCI装置，通过该装置，脊髓损伤猴瘫痪的下肢运动功能得到明显改善。Gi11等将EES装置置入2例脊髓损伤患者体内，成功改善患者自主行走等运动功能，但从站立姿势到摆动的过渡期间缺乏必要的下肢屈曲，这可能是由于近端伸肌激活导致的。为了改善下肢的屈曲功能，脊髓损伤患者需要临床医师辅助其膝关节后侧和踝关节屈曲运动，以促进下肢运动进行。因此，利用脑-肌肉神经电刺激及脑-脊髓电刺激技术实现下肢运动改善依然面临挑战。2.1.3 括约肌运动功能改善：脊髓圆锥及马尾神经的直接损伤在脊髓损伤中的占比较少。大部分括

15、约肌运动功能障碍是高位脊髓损伤所致。Kirshb1um等发现,在出现脊髓圆锥和马尾神经功能异常脊髓损伤患者中，低位脊髓受损越少，越有利于括约肌运动功能的康复。Ho1mes-Martin等开发各种刺激装置来诱导或预防膀胱排尿，其中刺激t氐神经可改变逼尿肌的过度活动，而刺激盆腔神经可诱导膀胱排尿。因此，利用BCI装置解码大脑信号后对既神经及盆腔神经进行电刺激，有望实现患者自主控制括约肌的活动，但仍需进一步研究。22脑-外骨骼2.2.1 上肢及括约肌运动功能改善：Ajiboye等将FES机械臂与BQ技术相结合，使1例53岁C4脊髓损伤患者成功进行上肢单关节运动及上肢多关节的协调运动，是BCI技术应用

16、于临床的重大进展。Benabid等通过BCI系统,使用连续在线的EcoG技术解码四肢瘫痪脊髓损伤患者的大脑信号，控制外骨骼装置，使患者成功执行各种伸展和触摸任务及手腕旋转,并进行8个自由度的双手多关节的上肢运动。Faisa1设计闭环BCI装置,研究结果表明，脊髓损伤患者可以通过人工触觉反馈大大提升脑控机械臂操纵物体的能力。Brinkemper等开发名为HA1的机器人系统，通过外骨骼辅助下肢运动改善脊髓损伤患者括约肌运动功能,结果显示，28.24%脊髓损伤患者的膀胱功能得到改善，其中包括31.43%脊髓损伤超过1年的患者和23.08%脊髓损伤低于1年的患者，外骨骼训练后括约肌运动功能呈增强趋势。总之，脑-外骨骼技术为脊髓损伤患者上肢运动康复提供了另一种选择，但利用该技术改善脊髓损伤患者括约肌运动功能依旧是一个难题。2.2.2 下肢运动功能改善：BCI装置和外骨骼联合应用于下肢运动功能改善的时间较早，Do等利用EEG技术对大脑皮层信号进行解码，并用外骨