王鑫哲

摘 要 腦機接口技術(shù)可以實現(xiàn)大腦與外界環(huán)境的交互在醫(yī)療領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。通過這項技術(shù)，可以幫助身體嚴重殘疾（癱瘓、失語）的患者建立與外界交流的方式，也能幫助肢體殘疾的患者實現(xiàn)大腦直接控制假肢，提高他們的生活質(zhì)量。文章首先介紹了腦機接口技術(shù)的發(fā)展歷程，接著闡述了其基本原理和在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景，最后討論了腦機接口現(xiàn)階段面臨的技術(shù)、商業(yè)化和倫理問題，并給出針對性的建議。

關(guān)鍵詞 腦機接口；醫(yī)療；應(yīng)用前景

中圖分類號 TP3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）230-0145-02

腦機接口（Brain-Computer Interface BCI）技術(shù)是涉及信號處理、模式識別、神經(jīng)科學(xué)等學(xué)科的一項交叉技術(shù)，其研究目的是建立人腦與外界環(huán)境間的直接交互機制，進而實現(xiàn)通過大腦直接操作設(shè)備、表達想法的功能[ 1 ]。很早之前人們就有通過采集大腦思維活動信號從而實現(xiàn)與外界進行交互或控制設(shè)備的想法。1929年，研究者第一次記錄了腦電圖，人們就推測腦電信號或許可以實現(xiàn)這個想法，但由于當(dāng)時對神經(jīng)科學(xué)了解較少，相關(guān)的信號處理、模式識別技術(shù)水平有限，一直進展緩慢。20世紀70年代，計算機技術(shù)快速發(fā)展，人們對大腦神經(jīng)系統(tǒng)功能的認知逐步加深，同時也帶動了腦機接口技術(shù)的進步。目前，腦機接口技術(shù)已成為神經(jīng)科學(xué)與計算機技術(shù)等領(lǐng)域的研究熱點。

1 腦機接口技術(shù)的原理

研究表明，人類完成一個動作首先要在大腦中產(chǎn)生動作意識，在動作執(zhí)行之前，神經(jīng)系統(tǒng)的電活動會發(fā)生改變，如果通過一定的手段能將這種電活動變化檢測出來，則可以作為識別這個動作的特征信號，進而實現(xiàn)對大腦意識的理解，這就是腦機接口實現(xiàn)的基本原理。圖1給出了腦機接口系統(tǒng)的基本流程，主要包括信號采集、信號處理及設(shè)備控制3個部分。

信號采集部分就是對大腦的電活動即腦電信號利用傳感器進行采集，根據(jù)采集的方式可以分為有創(chuàng)采集和無創(chuàng)采集。無創(chuàng)采集是將檢測電極安裝在大腦頭皮上記錄腦電信號，而有創(chuàng)采集需要將檢測電極植入大腦的特定區(qū)域。兩種方式各有優(yōu)勢，無創(chuàng)采集比較方便，對使用者沒有傷害，但采集的信號容易受到干擾，后續(xù)信號處理難度較大，而有創(chuàng)采集獲取的信號質(zhì)量較高，但對采集者有傷害。

信號處理部分是腦機接口的關(guān)鍵部分，通過對腦電信號進行分析，進而識別出相應(yīng)的動作，包括預(yù)處理、特征提取、識別分類等過程。信號預(yù)處理一般是對腦電信號進行濾波操作，降低干擾。特征提取是將腦電信號中與動作相關(guān)的特征如幅值、頻率等進行提取，為之后的識別分類做準備。特征信號分類是在特征提取的基礎(chǔ)上，確定腦電信號與動作意識的對應(yīng)關(guān)系，主要采用分類算法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、線性判別分析、概率模型等。

設(shè)備控制部分是在理解了大腦意識之后，產(chǎn)生驅(qū)動或操作命令，對相應(yīng)的設(shè)備進行操作，從而達到與外界交互的目的。此外，設(shè)備控制的結(jié)果也會形成對大腦意識的反饋，根據(jù)反饋，可以對動作進行調(diào)整。

2 腦機接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景

腦機接口系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景較廣，能夠為一些身體殘疾患者與建立一座與外界交互的橋梁，可以實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練、控制假肢、輪椅等功能[ 2 - 3 ]。

2.1 康復(fù)訓(xùn)練

我國目前腦卒中患者接近3 000萬，且還在以每年約200萬人的速度增加，這些患者大都需要進行康復(fù)訓(xùn)練，市場潛力巨大。傳統(tǒng)的康復(fù)方式如按摩、臥床訓(xùn)練、離床訓(xùn)練等比較被動，需要護工或家屬進行輔助，患者容易產(chǎn)生疲勞，自身的康復(fù)意愿不佳，導(dǎo)致訓(xùn)練效果一般。如果利用腦機接口技術(shù)讓患者進行部分自主訓(xùn)練，將能很好地調(diào)動患者的康復(fù)意愿，提高訓(xùn)練的質(zhì)量。

西安交通大學(xué)的研究團隊設(shè)計了一套名為“腦控人機交互及康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)”，系統(tǒng)利用腦機接口技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)一種新型腦控康復(fù)方式。利用這套訓(xùn)練系統(tǒng)，可以幫助訓(xùn)練人員更好的監(jiān)控訓(xùn)練的強度及效果，根據(jù)反饋調(diào)整訓(xùn)練計劃。此外，這種通過大腦運動想象的方式進行訓(xùn)練也有助于神經(jīng)功能的代償與恢復(fù)。臨床試驗表明，使用該腦控康復(fù)系統(tǒng)的患者康復(fù)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練患者。

瑞士公司MindMaze構(gòu)建了一個結(jié)合VR、計算機圖形學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的平臺，通過為神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者創(chuàng)造VR和AR環(huán)境，提供多感覺的反饋，以在康復(fù)期間刺激運動功能，促進神經(jīng)功能的康復(fù)。美國科技公司NeuroLutions研發(fā)了一款具有康復(fù)促進功能的機器人外骨骼，名為IpsiHand。IpsiHand會刺激大腦向肢體發(fā)送信號，這種連續(xù)激發(fā)最終會建立新的突觸連接，促使癱瘓部位恢復(fù)功能。

2.2 智能假肢

現(xiàn)階段，對于殘疾人來說，如果他們失去了部分肢體，大都會選擇佩戴假肢，這些假肢大都具有固定的結(jié)構(gòu)，不能實現(xiàn)原有肢體的功能。腦機接口技術(shù)的出現(xiàn)有望改變假肢不具有功能的現(xiàn)狀，利用腦機接口技術(shù)可以將假肢與患者大腦連接起來，通過一段時間的訓(xùn)練，就能進行自主控制。哈佛研究團隊創(chuàng)立了一個為殘疾人制造智能假肢的半公益項目BrainRobotics，該項目開發(fā)的產(chǎn)品可以幫助殘疾人通過自己的意念控制假肢。傳統(tǒng)的假肢是一體化設(shè)計，容易損壞，BrainRobotics團隊為解決這個問題，研發(fā)了一種模塊化的機械設(shè)計，它能讓用戶只更換損壞的部件，而無需購買全新的假肢。模塊化設(shè)計大大降低了使用假肢的成本，世界各地的截肢者更容易負擔(dān)得起這種高科技產(chǎn)品。

2.3 其他應(yīng)用

美國的Rythm公司設(shè)計了一個名為“Dreem”的頭帶產(chǎn)品，借助腦機接口技術(shù)可識別佩戴者的睡眠模式，根據(jù)睡眠模式的不同，可進行聽覺或聲音刺激，從而確保佩戴者可長時間停留在深層睡眠階段，進而提高佩戴者的睡眠質(zhì)量。顯然該產(chǎn)品對于那些睡眠功能障礙的患者十分有用，但佩戴頭戴可能會影響睡眠的舒適性，造成入睡困難的問題。

美國NeuroPace公司開發(fā)了一款稱為RNS系統(tǒng)的植入式設(shè)備，可用于治療神經(jīng)障礙。該公司初步的研發(fā)重點是治療癲癇，以防止癲癇發(fā)作。該裝置能識別異常大腦活動，然后發(fā)送脈沖以抵消或破壞導(dǎo)致癲癇發(fā)作的異常信號。

對于意識障礙患者如植物人等，意識檢測是一個難點問題，主要原因是這些病人缺乏行為能力，無法進行溝通，借助腦機接口技術(shù)，可以幫助完成檢測意識障礙患者如植物人等的意識，輔助量表評估等任務(wù)。此外，將腦機接口系統(tǒng)集成在輪椅、家電和護理床中，可以實現(xiàn)對設(shè)備的腦控，能夠有效提高殘疾患者的生活自理能力。

3 面臨的問題

雖然近年來腦機接口技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了許多醫(yī)療產(chǎn)品，但大都還處于實驗室階段，距離臨床應(yīng)用還有面臨許多問題，主要是技術(shù)、商業(yè)化、倫理3個方面的問題[ 4 ]。

1）技術(shù)問題。在腦機接口技術(shù)的挑戰(zhàn)是信號采集與信號處理。采用非侵入式電極獲取腦電信號質(zhì)量難以保證，且容易受到外界干擾；植入式電極可能會引發(fā)免疫反應(yīng)，一旦植入則不能隨意調(diào)整。信號處理是腦機接口的核心部分，但對于大腦的認識還有許多盲區(qū)。許多進展都是在動物大腦上完成的，其在人腦上的效果如何還很難判斷。

2）商業(yè)化問題。醫(yī)療設(shè)備要實現(xiàn)臨床應(yīng)用往往需要耗費大量的時間、資金。腦機接口設(shè)備要直接作用于人體，監(jiān)管部門對其審批十分謹慎，因而相關(guān)產(chǎn)品要實現(xiàn)商業(yè)化十分困難。企業(yè)要實現(xiàn)盈利，產(chǎn)品必須要有市場，現(xiàn)階段，腦機接口技術(shù)的發(fā)展水平，可以在一些技術(shù)比較成熟的領(lǐng)域進行嘗試，積累經(jīng)驗，之后再逐步推廣應(yīng)用。

3）倫理問題。腦機接口技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用業(yè)帶來了一些倫理問題。由于大腦的意識十分復(fù)雜且多變，很難像控制行動那樣進行控制，例如許多人都會有一些想到但不敢說出來的經(jīng)歷。如果腦機接口設(shè)備探測到這些想法就會帶來隱私問題。更進一步，如果是一些具有傷害性的想法，即使沒有實施，那是否應(yīng)該采取措施，即我們是否應(yīng)該為自己的一些想法負責(zé)。

4 結(jié)論

本文介紹了腦機接口技術(shù)的基本原理及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景，包括康復(fù)訓(xùn)練、智能假肢、睡眠增強等，討論了其目前面臨的技術(shù)、商業(yè)化和倫理問題?，F(xiàn)階段，腦機接口技術(shù)還處在初級階段，距離臨床應(yīng)用還需要解決許多問題，但隨著人們對大腦的了解與技術(shù)的進步，未來腦機接口在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景巨大。

參考文獻

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[2]琚芬，趙晨光，袁華，等.腦機接口在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進展[J].中國康復(fù)，2017，32（6）：508-511.

[3]汪俊宇，王美玉，向武，等.淺談腦機接口康復(fù)假肢的相關(guān)研究[J].世界最新醫(yī)學(xué)信息文摘，2017，17（45）：75-76.

[4]葉岸滔.腦機接口技術(shù)：倫理問題與研究挑戰(zhàn)[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2016，16（6）：8-14.