隋寶石，萬柏坤

1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2.天津市南開醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)中心，天津 300100

功能性電刺激與腦機(jī)接口在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

隋寶石1,2，萬柏坤1

1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2.天津市南開醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)中心，天津 300100

本文回顧了功能性電刺激（Functional Electrical Stimulation，F(xiàn)ES）在治療腦損傷和脊髓損傷所造成的運(yùn)動(dòng)功能和吞咽障礙方面的應(yīng)用；總結(jié)了腦機(jī)接口（Brain Computer Interface，BCI）技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用以及基于BCI的FES的研究現(xiàn)狀。結(jié)果顯示，BCI、FES及二者相結(jié)合技術(shù)在現(xiàn)代康復(fù)工程領(lǐng)域中是極具應(yīng)用前景的新技術(shù)。

功能性電刺激；腦機(jī)接口；腦損傷；脊髓損傷；康復(fù)醫(yī)學(xué)

0 前言

功能性電刺激（Functional Electrical Stim ulation，F(xiàn)ES）與經(jīng)皮 電 神 經(jīng)刺激（Transcutaneous Electrical NerveStimulation，TENS）統(tǒng)屬為神經(jīng)肌肉電刺激。其原理是通過低頻脈沖電流刺激神經(jīng)或肌肉，引起肌肉收縮，繼而實(shí)現(xiàn)被刺激肌肉或肌群功能的改善或恢復(fù)。與 TENS不同的是，患者經(jīng) FES治療后可以即時(shí)產(chǎn)生功能性活動(dòng)。已有報(bào)道指出，在治療腦卒中方面，F(xiàn)ES 的療效約為 TENS 的 1.5～2.3 倍。在過去的幾十年中，F(xiàn)ES 技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域已被應(yīng)用于許多不同的方面。如脊髓損傷后膀胱功能的恢復(fù)，睡眠呼吸暫停或中風(fēng)導(dǎo)致的呼吸和吞咽障礙的治療，癱瘓患者的運(yùn)動(dòng)功能改善，以及廣為人知的心臟起搏器等。但是需要指出的是，F(xiàn)ES治療最適用于具有完整的神經(jīng)傳導(dǎo)通路的人體，即由中樞神經(jīng)系統(tǒng) (腦和脊髓 )損傷引起的肌肉功能障礙，而對(duì)于不具有完整的神經(jīng)傳導(dǎo)通路的周圍神經(jīng)損傷引起的肌肉無力效果不佳[1]，但可用來促進(jìn)損傷的周圍神經(jīng)再生和防治骨骼肌失神經(jīng)萎縮。

腦機(jī)接口（Brain-computer Interface，BCI）是在人的大腦和外部設(shè)備（如計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備）之間建立的一種新型的通訊和控制技術(shù)。它是人機(jī)接口的一種方式，不依賴于腦——外周神經(jīng)——肌肉這一正常輸出通路，通過采集和分析腦電信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)意愿的表達(dá)和設(shè)備的操控。因此，在癱瘓病人輔助康復(fù)領(lǐng)域及治療交流障礙等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

下面就對(duì)這兩種技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用進(jìn)展概況分別給予介紹。

1 功能性電刺激的應(yīng)用

1.1 肢體功能的改善與恢復(fù)

肢體運(yùn)動(dòng)功能的障礙甚至喪失，是腦損傷和脊髓損傷后的常見后遺癥。如何降低殘障的程度，最大限度地達(dá)到生活自理，是改善癱瘓患者生命質(zhì)量的首要問題，也是康復(fù)醫(yī)學(xué)的主要目標(biāo)。

偏癱是腦卒中等腦損傷發(fā)生后的主要癥狀，其表現(xiàn)為上下肢、面肌和舌肌下部的運(yùn)動(dòng)障礙。FES最早用于康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，1961 年 Liberson 等人通過刺激腓神經(jīng)治療足下垂的 7 名偏癱患者[2]。在接下來的幾十年中，F(xiàn)ES 技術(shù)獨(dú)立使用，及與其他療法配合使用來應(yīng)用于偏癱造成的上下肢功能重建，在國內(nèi)外臨床上變得日益普遍。國外，如加拿大多倫多康復(fù)研究所康復(fù)工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的 Popovic 等人評(píng)價(jià)了 15 例 FES+ 常規(guī)卒中康復(fù)和 9 例行時(shí)間和強(qiáng)度與FES相同的常規(guī)治療的偏癱卒中患者的康復(fù)效果。所有患者在治療前患側(cè)腕、肘或肩均不能自主屈伸，前臂不能旋轉(zhuǎn)或手指不能活動(dòng)。經(jīng)過 FES 每周 3 次持續(xù) 45 min 的訓(xùn)練，連續(xù) 16周的治療后，結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)物理治療和作業(yè)治療的患者相比，進(jìn)行 FES的患者康復(fù)實(shí)驗(yàn)室手功能（Rehabilitation Laboratory Hand Function，REL）測試在扭矩、力量和偏心荷載（eccentric load）等方面都獲得顯著的改善。FES 組和對(duì)照組扭矩分別平均提高 13%和 2%，力量分別提高 23%和 3%，偏心荷載分別提高 13%和 0%，所有差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。FES 組的 Fugl-Meyer評(píng)價(jià)（Fugl-Meyer Assessment，F(xiàn)MA）與標(biāo)準(zhǔn)治療組差異顯著（30%對(duì)4%）[3]。國內(nèi)，趙文霞等人利用早期運(yùn)動(dòng)療法配合 FES 治療觀察了其對(duì)急性腦梗死運(yùn)動(dòng)障礙的臨床療效。方法為將急性腦梗死患者 150 例隨機(jī)分成 3 組，均接受神經(jīng)內(nèi)科常規(guī)藥物治療。I組應(yīng)用早期給予神經(jīng)促進(jìn)技術(shù)及功能電刺激；Ⅱ組應(yīng)用功能電刺激治療；Ⅲ組單純應(yīng)用神經(jīng)內(nèi)科常規(guī)藥物治療。結(jié)果表明，8周后，治療前后功能性步行分級(jí)（FAC）、FMA、改良 Banhel指數(shù)（BMI）各指標(biāo)均有明顯變化，而且 I組改善程度明顯優(yōu)于Ⅱ、Ⅲ組，I、Ⅱ明顯優(yōu)于Ⅲ組，且差異均有顯著性[4]。林子玲等人利用 FES 技術(shù)探討了其對(duì)初發(fā)早期腦卒中偏癱患者上肢功能的遠(yuǎn)期影響。方法為將 37 例初發(fā)腦卒中患者分層后隨機(jī)分為 FES組（19 例）和對(duì)照組（l8 例）。2 組常規(guī)治療相同，對(duì)照組不給任何電刺激，F(xiàn)ES組給予功能性電刺激治療，每天治療 1 次，每次 30min，共 3 周（15 次）。結(jié)果表明，治療后第 1 個(gè)月和 3 個(gè)月兩組在肩部肌群肌力（MMT）、FMA 和BMI差異均有顯著性意義 ；治療后第 6 個(gè)月，兩組在 FMA和MBI差異有顯著性意義，在MMT 差異有近似顯著性意義，說明 FES 療效可以持續(xù) 6 個(gè)月以上[5]。

截癱是脊髓損傷后的常見后果，其主要癥狀之一就是運(yùn)動(dòng)功能障礙，特別是下肢即行走能力的喪失。因此，脊髓損傷后下肢功能重建對(duì)患者日后的生活具有重要意義。目前在截癱患者行走能力恢復(fù)方面，F(xiàn)ES技術(shù)在國內(nèi)外被普遍認(rèn)為是一種比較有效的臨床工具。在全世界，約有超過 24 個(gè)研究中心都在積極地評(píng)估 FES 在恢復(fù)站立和行走能力方面的作用，以及開發(fā) FES 助行系統(tǒng)[6]。但是，迄今為止，通過 FDA 認(rèn)證的用于短距離步行的 FES 系統(tǒng)只有 Parastep助行系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多通道刺激器、12片（6對(duì)）表面電極和輔助器械組成，用于訓(xùn)練殘疾度介于 T4 級(jí)和 T12 級(jí)之間的截癱病人的站立和行走[6-7]。目前，已有多項(xiàng)研究對(duì) FES治療截癱的實(shí)際臨床效果進(jìn)行了評(píng)估。檢測指標(biāo)包括，血壓、心律、耗氧量、二氧化碳呼出量、呼吸交換比率、上軀干關(guān)鍵肌群的表面肌電水平，大腿擺角和踝背屈的運(yùn)動(dòng)情況，行走的運(yùn)動(dòng)時(shí)空參數(shù)（步速，步周期，步頻等）以及自體感受（如疲勞感等）。結(jié)果表明，當(dāng)神經(jīng)損傷穩(wěn)定后開始使用 FES并保持下去，可明顯改善或阻止殘疾狀態(tài)的進(jìn)一步發(fā)展，在恢復(fù)截癱行走能力方面有顯著的運(yùn)動(dòng)功能替代和重建功效[8]。而且，它在改善患者心肺功能和新陳代謝的健全等方面也有良好的療效。

1.2 吞咽障礙的改善和治療

吞咽障礙是由于下頜、雙唇、舌、軟腭、咽喉、食管括約肌或食管功能受損，而導(dǎo)致的不能安全有效地將食物由口送到胃內(nèi)取得足夠營養(yǎng)和水分的進(jìn)食困難。它是腦卒中后常見并發(fā)癥之一，在腦外傷，腫瘤，放療和食管動(dòng)力性病變等中也較常見。有數(shù)據(jù)表明，腦卒中急性期有29%～64% 的患者出現(xiàn)不同程度的吞咽障礙[9]。還有報(bào)道稱57%～73%腦卒中患者發(fā)生吞咽障礙，其中小部分患者臨床上表現(xiàn)為“無癥狀”吸入食物或液體。即不顯性誤吸（silent aspiration）[10]。因此，為了減輕患者痛苦，需要對(duì)其進(jìn)行語言訓(xùn)練及康復(fù)治療。

隨著生物工程的快速發(fā)展，F(xiàn)ES近幾年來逐漸被用于吞咽困難的治療，其基本原理是通過電刺激咽喉部，使咽喉部產(chǎn)生吞咽的動(dòng)作。目前來說，這方面的研究還相對(duì)較少，且以美國和德國居多。如 Burnett等人使用 FES 系統(tǒng)，將刺激電極置于下頜舌骨肌和甲狀舌骨?。▋蓚?cè)），幫助喉部上抬延遲和缺乏的患者的恢復(fù)吞咽功能。結(jié)果顯示，電刺激后患者喉部上抬和吞咽速度有明顯提高，可分別達(dá)到 正 常 吞 咽 的 50% 和 80%[11]。 在 國 內(nèi)， 魏 智 鈞 等 人 使 用FES和綜合康復(fù)療法研究了其對(duì)腦卒中吞咽障礙的治療效果。結(jié)果表明，綜合康復(fù)組（57 例，F(xiàn)ES、針灸穴位刺激配合功能訓(xùn)練）的總有效率為 87.7%，對(duì)照組（58 例，康復(fù)訓(xùn)練）為 65.5%。兩組具有顯著性差異，證明 FES、針灸穴位刺激配合功能訓(xùn)練是治療腦卒中后吞咽障礙的有效的方法[10]。

1.3 周圍神經(jīng)損傷修復(fù)

周圍神經(jīng)損傷后，在臨床上，一般采用顯微外科修復(fù)技術(shù)結(jié)合藥物、激素和神經(jīng)生長因子促進(jìn)神經(jīng)再生的治療方法。但修復(fù)后的神經(jīng)再生速度并不理想，而且由于骨骼肌喪失了支配神經(jīng)的營養(yǎng)會(huì)迅速發(fā)生萎縮，再加上神經(jīng)再生速度緩慢，因此對(duì)骨骼肌失神經(jīng)萎縮的防治效果也不理想。目前 FES 正被逐步應(yīng)用于臨床治療多種神經(jīng)肌肉疾患，其通過電流刺激作用，可為修復(fù)后的神經(jīng)重新支配肌肉爭取時(shí)間，最大限度地保留殘存肌肉形態(tài)與功能。已有的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)ES在維持肌肉體積及肌力、改善肌肉組織物質(zhì)代謝、調(diào)節(jié)肌纖維生理及生化性質(zhì)等方面作用突出[12]。而且大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，電刺激對(duì)周圍神經(jīng)再生的影響，不論是局部還是全身應(yīng)用，不論電場類型、脈沖頻率、波長以及療程長短，均具有促進(jìn)周圍神經(jīng)再生的作用[13]。臨床上，F(xiàn)ES 對(duì)肌肉萎縮也有很好的治療效果。如 Williams等人用全植入式持續(xù)電刺激對(duì)15例周圍神經(jīng)損傷者進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明其對(duì)防止失神經(jīng)肌萎縮有良好效果，尤以臂叢神經(jīng)損傷患者效果最佳[13]。Kern 等人觀察了 FES 對(duì)長期失神經(jīng)導(dǎo)致的肌肉萎縮的治療效果。結(jié)果表明，F(xiàn)ES可使肌肉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有效逆轉(zhuǎn)肌肉萎縮。肌纖維的鏡檢結(jié)果顯示，治療組的肌纖維平均直徑為失神經(jīng)組的3倍，平均面積百分比為 3.7 倍，且 FES 治療組中超過 50%的肌纖維直徑大于 30mm，對(duì)照組超過 50%的肌纖維直徑小于10mm。在平均脂肪和結(jié)締組織百分比方面，結(jié)果顯示治療組遠(yuǎn)低于失神經(jīng)組。由此可見，F(xiàn)ES治療不僅可使尚存的肌纖維體積變大，促進(jìn)新生纖維的再生，還可逆轉(zhuǎn)長期失神經(jīng)肌肉的退行性變[12]。

2 腦機(jī)接口的應(yīng)用

2.1 周圍環(huán)境及外部設(shè)備的控制

癱瘓患者由于患有運(yùn)動(dòng)障礙，所以活動(dòng)范圍極為有限。如果能有有效的手段使其能自己控制周圍環(huán)境（如控制燈光、電視、電動(dòng)床和房間溫度等）將會(huì)使他們的自主能力有很大提高。最近，Cincotti等人開展了一項(xiàng)初步研究，嘗試了將基于腦電（Electroencephalographic，EEG）信號(hào)控制的 BCI技術(shù)與家庭環(huán)境控制系統(tǒng)相結(jié)合，來遙控一些家用設(shè)備，如電燈、電視，聲學(xué)鬧鐘、電動(dòng)床、電話、前門開啟和使用無線相機(jī)監(jiān)測周圍環(huán)境。研究中，測試對(duì)象為健康對(duì)照者 15 人，患有脊髓肌肉萎縮 II型和 Duchenne 肌肉萎縮 4 人，經(jīng)過 8～12 次的測試后，結(jié)果顯示，在最后 3 次測試中患者對(duì)系統(tǒng)的操控準(zhǔn)確率平均達(dá)到了 60%～75%[14]。

對(duì)于癱瘓患者來說，恢復(fù)不受約束的移動(dòng)是另一個(gè)需要解決的重要問題。因此，許多 BCI研究團(tuán)隊(duì)嘗試開發(fā) BCI- 驅(qū)動(dòng)的 輪椅。如，Tanaka 等人開發(fā)了一 種基于EEG 的電動(dòng)輪椅，通過 EEG 檢測方向命令，然后用于輪椅的直接控制，但這樣精確的操控對(duì)使用者的要求較高。Rebsamen 等人開發(fā)了一種基于 P300-BCI系統(tǒng)控制的輪椅，在此系統(tǒng)中，使用者可以通過目的地菜單簡單的選擇目的地。雖然此系統(tǒng)降低了對(duì)使用者的要求，但存在實(shí)時(shí)方向控制能力較差的問題[14]。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制與功能恢復(fù)

BCI技術(shù)的另一個(gè)重要應(yīng)用就是用于身體殘缺者和癱瘓病人的運(yùn)動(dòng)控制恢復(fù)，這是 BCI領(lǐng)域許多研究者的主要目標(biāo)。

對(duì)于身體殘缺的患者來說，主要是通過 BCI控制神經(jīng)假體或矯形器，像機(jī)器人手臂等。這方面的研究在臨床上的應(yīng)用目前還很少，且以基于感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律（Sensorimotor Rhythms，SMR）的系統(tǒng)為主。如 Wolpaw 等人論證了使用SMR 系統(tǒng)進(jìn)行一維、二維和三維指針控制，并開展了 SMR控制的機(jī)器人手臂初步實(shí)驗(yàn)[14]。Lee 等人基于運(yùn)動(dòng)想象電位控制機(jī)器人手臂，并通過視覺誘發(fā)電位反饋來調(diào)整動(dòng)作，取得了初步成功。此系統(tǒng)能于三維空間內(nèi)完成抓取目標(biāo)物的簡單動(dòng)作，但存在控制精度低的缺點(diǎn)?；谄渌盘?hào)，像 EEG 信號(hào)的機(jī)器人手臂研究，國內(nèi)外也有少量研究[15]。如 Yahud 等人研制出的機(jī)器人手臂，具有 16 個(gè)自由度，能熟練完成圓柱體抓取，鑰匙捏取，2手指夾取紙片，3手指夾取雞蛋的動(dòng)作。但系統(tǒng)功能性不強(qiáng)，處理信號(hào)的速率、識(shí)別率、控制精確率都不高，信號(hào)干擾現(xiàn)象嚴(yán)重，而且受試者還需經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練，適應(yīng)性不強(qiáng)[15]。

對(duì)于那些神經(jīng)阻斷但肢體尚在或肌肉損傷的癱瘓類殘疾人，通過使用 BCI直接控制其肢體肌肉或進(jìn)行神經(jīng)再恢復(fù)治療，可以使其運(yùn)動(dòng)能力得到重建，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)肢體完成日常生活基本動(dòng)作的目的。這種方法首先是用于評(píng)價(jià)腦卒中 患 者 的 腦 磁 波（magnetoencephalographic, MEG） 信 號(hào)，結(jié)果表明，經(jīng)過基于 BCI的訓(xùn)練后，腦皮層出現(xiàn)重組，病人可獲得對(duì)特殊腦活動(dòng)模式的控制[14]。目前，BCI 與 FES技術(shù)相結(jié)合治療神經(jīng)或肌肉損傷患者，是其在康復(fù)領(lǐng)域的最新應(yīng)用。雖然 FES很早就用于臨床并取得了顯著療效，但是其刺激信號(hào)的控制問題制約了 FES的進(jìn)一步發(fā)展。因?yàn)槿绻也坏胶线m的刺激信號(hào)，F(xiàn)ES就不能達(dá)到很好的治療效果，而且其對(duì)殘肢的運(yùn)動(dòng)控制只能根據(jù)預(yù)設(shè)的模式進(jìn)行，不能實(shí)時(shí)的根據(jù)患者意愿來隨意進(jìn)行肢體的運(yùn)動(dòng)控制。由此可見，BCI技術(shù)提供了一個(gè)非常好的操作界面。最近，Muller-Putz 等人開展了一項(xiàng)將基于 EEG 的 BCI 與植入 式FES裝置徒手系統(tǒng)相連接的個(gè)案研究。研究中，首先對(duì)患者進(jìn)行短期的培訓(xùn)，目的是使其通過想象殘手的動(dòng)作而產(chǎn)生明顯的 EEG 模式。這種模式被 BCI進(jìn)一步分類， 接著由BCI仿真肩部操縱桿產(chǎn)生的輸出信號(hào)被提供給不同抓握階段的徒手系統(tǒng)。隨著連續(xù)想象的進(jìn)行，患者能夠?qū)⒁粋€(gè)簡單的物體由一處移動(dòng)到另一處[7]。周鵬等使用左右手動(dòng)作想象電位作為 BCI的輸入信號(hào)，與 FES 配合使用，開發(fā)了一種可供癱瘓病人根據(jù)自己的運(yùn)動(dòng)意愿控制其殘肢運(yùn)動(dòng)的智能康復(fù)系統(tǒng)。此系統(tǒng)能繞過癱瘓病人體內(nèi)受損的神經(jīng)通路，直接將人的運(yùn)動(dòng)意圖通過外部的通路傳達(dá)給 FES 儀器，刺激相應(yīng)的神經(jīng)肌肉，完成患者對(duì)殘肢的直接控制。初步實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)能以 95%以上正確率分析人的運(yùn)動(dòng)意圖，控制 FES 儀完成預(yù)定的刺激任務(wù)，恢復(fù)手部抓握動(dòng)作[16]。

3 結(jié)論

雖然基于 BCI技術(shù)的周圍環(huán)境的控制與交流，以及基于 BCI的 FES 技術(shù)用于運(yùn)動(dòng)控制與功能恢復(fù)的研究目前均處于初級(jí)階段，且尚有許多問題亟待解決，但是初步的研究結(jié)果表明，這些方案是完全可行的。今后，無論是在提高殘障患者自理能力方面，還是在現(xiàn)代康復(fù)工程領(lǐng)域中它們均是極具應(yīng)用前景的一項(xiàng)新技術(shù)。

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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

作者郵箱：suibaoshi@hotmail．com