【综述】脑机接口机器人治疗卒中后运动功能障碍的研究进展

摘要: 卒中患者常存在不同程度的运动功能障碍,严重影响日常生活,但目前的常规康复治疗对卒中后运动障碍的康复效果有限｡近年来,基于脑机接口调控的机器人技术为卒中的康复治疗提供了新的方法,不同范式的脑机接口机器人已被应用于卒中后康复领域｡作者简要介绍了不同范式脑机接口机器人的特点及其在卒中康复领域的作用机制,综述了不同范式脑机接口机器人在卒中后运动功能障碍康复中的研究进展,以期为未来的研究及临床应用提供新的思路｡

卒中是一种常见的疾病,是导致长期残疾的主要原因之一｡卒中后约80%的患者存在运动功能障碍,严重影响患者的生活质量｡常规康复治疗后,仍有50% ~ 70%的卒中患者存在不同程度的运动功能障碍｡目前卒中后常规康复治疗效果有限,亟需一种新的治疗技术进一步改善卒中后运动功能障碍｡

随着医学的不断发展,许多新兴技术如脑机接口技术､机器人技术被应用于卒中后康复治疗｡脑机接口可以根据人的意图控制外部设备,并在训练过程中激活大脑皮质,改善卒中患者肢体功能｡机器人能为卒中患者提供高重复性的以任务为导向的功能训练,诱导持续性运动学习,增强神经重塑,促进运动功能康复｡近年来,研究人员将上述两种技术相互耦合,研发了脑机接口调控下的机器人技术,并逐步用于卒中后运动康复｡本文就脑机接口机器人在卒中康复领域相关进展进行综述,以期为未来研究提供新思路｡

1 脑机接口机器人概述

脑机接口机器人采用侵入或非侵入方式获取患者执行任务时产生的神经信号,提取相关信号特征,将这些特征进行分类后推测患者运动意图,并产生操作机器人设备的控制信号,进而实现根据患者运动意图控制机器人进行康复训练｡

1. 1 信号采集

1. 1. 1 信号采集方式:脑机接口机器人的脑机接口系统负责采集､处理神经信号,并最终将其转化为机器人控制信号｡根据神经信号采集方式的不同,脑机接口系统可分为侵入式和非侵入式｡侵入式脑机接口系统需要通过手术将电极置入大脑皮质,检测大脑皮质的电信号｡这种采集方式具有较高的信号质量和传输速率,但同时也伴随着手术失败､感染等相关风险｡非侵入式脑机接口系统将检测装置放置于头皮上,记录相应信号｡这种采集方式安全无创,但颅骨的导电性有限,因此存在信号衰减的问题｡根据信号采集技术的不同,非侵入式脑机接口系统又分为基于脑电图的脑机接口､基于脑磁图的脑机接口､基于近红外光谱的脑机接口和基于功能MRI的脑机接口等｡脑电图具有无创､操作简单､时间分辨率高等优点,因此成为脑机接口机器人研究中使用最多的信号采集技术｡

1. 1. 2 采集信号类型:目前脑机接口机器人主要基于运动想象脑电信号和稳态视觉诱发电位两种神经信号实现对机器人的控制｡

1. 1. 2. 1 运动想象脑电信号:目前大部分脑机接口机器人是基于运动想象脑电信号进行控制｡人在进行不同部位的运动想象时,可在相关大脑区域检测到神经元活动｡想象肢体运动时,对应大脑皮质被激活,导致运动感觉区的μ节律和β节律信号幅度减小,称为事件相关去同步;运动想象结束后,对应区域μ节律和β节律信号幅度增加,称为事件相关同步｡基于运动想象范式脑机接口机器人通过检测参与者想象肢体运动时特定节律的脑电信号,将其进行分类并转化为控制指令,实现对机器人的控制｡

1. 1. 2. 2 稳态视觉诱发电位:稳态视觉诱发电位是指当人接受高频(> 6 Hz)周期性视觉刺激时,枕叶皮质大脑神经细胞会自发产生特定的电位变化｡将电位变化与特定相关联的命令进行匹配,可以确定用户的意图,进而控制机器人｡基于稳态视觉诱发电位范式的脑机接口机器人逐渐被用于改善卒中后运动功能障碍｡

1. 2 不同脑机接口机器人特点

1. 2. 1 基于运动想象范式的脑机接口机器人:基于运动想象范式的脑机接口机器人训练要求卒中患者需进行运动想象任务｡运动想象可以通过反复激活对侧运动区域的镜像神经元,促进神经元萌发等变化改善运动功能｡运动意图和感觉反馈之间的准确匹配是促进卒中康复的重要因素｡基于运动想象范式的脑机接口机器人对意图检测的准确性和对控制的有效性需要长时间的训练,其控制精确性和康复效果可能依赖于卒中患者运动想象能力以及在运动想象期间产生事件相关去同步或事件相关同步的能力｡卒中可能会导致认知障碍或改变患者的事件相关去同步或事件相关同步反应,从而限制其应用的范围｡目前准确解码多类运动想象信号仍具有挑战性,基于运动想象范式脑机接口机器人只能产生少于4种的命令｡

1. 2. 2 基于稳态视觉诱发电位范式的脑机接口机器人:卒中患者进行基于稳态视觉诱发电位范式的脑机接口机器人训练时,需注视前方不断闪烁的高频的视觉刺激,以产生稳态视觉诱发电位,其诱导过程更接近人体自身的神经功能反应,与主动意向的相关性较小,与运动想象相比,不能有效激活镜像神经元,可能使得实际康复效果不理想｡基于稳态视觉诱发电位范式的脑机接口机器人优点在于只需要通过较短时间训练便可具有较高的意图检测精度和良好的机器人控制性,允许处于不同康复阶段和认知水平的卒中患者使用,但训练时需要持续注视眼前的视觉刺激,可能会导致疲劳,影响控制效果｡与运动想象脑电信号相比,稳态视觉诱发电位在信息传输率和识别准确率方面更具优势,且不易受到运动伪影的影响,可以进行更可靠地分类｡当受试者接受许多不同频率的视觉刺激时,稳态视觉诱发电位可以被解码生成更多的命令并具有更大的自由度,从而控制机器人｡

1. 2. 3 基于混合范式的脑机接口机器人:近年来有研究者设计了一种基于运动想象-稳态视觉诱发电位的混合范式脑机接口机器人｡研究者使用多张连续抓握图片引导患者进行运动想象,同时每一张图片以一定频率闪烁,产生稳态视觉诱发电位,结果表明,基于混合范式的脑机接口可以实现对机器人的良好控制｡与单一范式脑机接口相比,混合范式脑机接口在分类准确性及可用的用户命令数量方面更具优势,可以控制机器人实现更复杂的动作｡同时,基于混合范式脑机接口提供视觉刺激能吸引参与者进行更好的运动想象,降低脑机接口文盲率(即经过脑机接口任务训练后仍然无法有效控制机器人或者其他设备的参与者比率),适用人群更广｡

2 脑机接口机器人治疗卒中后运动障碍的作用机制

卒中患者进行脑机接口机器人辅助运动训练过程中,执行脑机接口任务可引起相关大脑皮质激活,影响运动传出通路,同时机器人辅助肢体活动可以获得体感反馈刺激,作用于感觉传入通路,形成神经刺激闭环,增加神经可塑性,改善运动功能｡近年来研究表明,脑机接口机器人可能通过加强不同脑区神经活动,促进半球间功能再平衡和皮质脊髓束结构功能重组等机制改善卒中后运动功能｡

2. 1 加强不同脑区神经活动

脑机接口机器人可能通过加强卒中患者患侧初级运动皮质与健侧辅助运动区､健侧初级运动皮质与健侧辅助运动区､大脑半球间功能的连接性,介导运动功能改善｡

脑机接口机器人促进卒中患者运动功能恢复,不仅涉及大脑运动区,还涉及到大脑非运动区域,如注意力､听觉､视觉和体感等脑区｡与健康人相比,卒中患者额叶皮质到初级运动皮质的连接性减弱｡有研究表明,脑机接口机器人训练后卒中患者大脑额叶皮质到初级运动皮质之间的功能连接较治疗前增强｡

2. 2 促进大脑半球间功能再平衡

健康人的两个大脑半球通过胼胝体相互抑制,半球间相互平衡｡卒中患者由于病变导致患侧半球不再抑制健侧半球,半球间功能失衡｡脑机接口机器人可能通过促进卒中患者半球间功能再平衡,改善运动功能｡静态和任务型功能MRI 结果显示,与治疗前相比,慢性卒中患者基于运动想象范式脑机接口机器人手部运动训练后,偏侧化指数显著增加(P = 0. 026),表明患侧半球皮质激活比例升高,健侧皮质激活比例降低,两侧半球皮质激活模式更接近于健康人｡Bhagat 等认为,脑机接口机器人可能增加患侧半球的皮质激活,抑制健侧半球皮质激活,从而介导卒中后运动功能的恢复｡Chen等研究表明,慢性卒中患者接受脑机接口机器人训练后,上肢Fugl-Meyer评分变化与大脑半球间不对称性变化显著相关(r = -0. 6219,P =0.0352),半球间功能越趋于平衡,运动功能改善效果越好｡

2. 3 促进皮质脊髓束结构功能重组

卒中患者的皮质脊髓通路结构与功能受损会出现运动功能障碍｡脑机接口机器人可能通过促进皮质脊髓通路结构或功能重组,改善卒中患者的运动功能｡卒中患者患侧皮质脊髓束完整性与运动功能的恢复有关(上肢运动功能:R2 = 0. 260,P < 0. 05;下肢运动功能:R2 = 0. 174,P < 0. 05)｡Cantillo-Negrete等研究证实,脑机接口机器人训练后卒中患者患侧运动诱发电位振幅升高(Δ =132 μV,P < 0. 05),其可能提高卒中患者患侧皮质脊髓完整性｡

脑机接口机器人可能通过加强或减弱受刺激的神经元池的同步性,实现对皮质脊髓兴奋性的调节｡脑机接口机器人对卒中患者皮质脊髓兴奋性具有复杂的调节模式,其训练后初级运动皮质的皮质脊髓兴奋性下降,周围体感皮质和前运动皮质的兴奋性增加,这可能会促进患者的运动学习｡

目前,脑机接口机器人治疗卒中后运动功能障碍作用机制的研究集中于基于运动想象范式的脑机接口机器人,但不同范式的机器人训练时需执行不同脑机接口任务,涉及不同皮质的激活,因此可能存在不同的康复机制｡未来需对不同范式脑机接口机器人进行进一步研究,探究其对卒中患者运动功能障碍的康复机制｡

3 脑机接口机器人在卒中后上肢运动功能障碍康复中的应用

目前脑机接口机器人已被应用于卒中后运动功能障碍的康复,其中上肢运动功能障碍的康复是主要研究热点｡

3. 1 基于运动想象范式的脑机接口机器人在卒中后上肢运动功能障碍康复中的应用

近年来,研究者们对基于运动想象范式脑机接口机器人主要进行两个方面的研究:(1)评估其长期疗效;(2)探索进一步提高康复效果｡

Wang等将24 例慢性卒中患者随机分为试验组(13例)与对照组(11 例),且两组患者上肢功能障碍差异无统计学意义(上肢Fugl-Meyer 评分:P = 0. 772)｡试验组与对照组分别接受基于运动想象范式的脑机接口机器人和传统机器人训练｡所有受试者均接受20 次训练,3 ~ 5 次/周,所有训练在5 ~ 7周完成,每次训练进行100次完整的手抓握动作｡结果表明,与治疗前相比,仅试验组患者在治疗后(P = 0. 033)及治疗后6 个月(P = 0. 014)上肢Fugl-Meyer评分显著提高｡与对照组相比,试验组患者感觉运动区[F(1,7)= 7. 554,P = 0.029,η2 =0. 519]､注意力网络[F(1,7)= 12. 354,P = 0. 01,η2= 0. 638]､听觉网络[F(1,7)= 13. 095,P =0.009,η2 = 0.652]和默认模式网络[F(1,7)= 5. 730,P = 0. 048,η2 = 0. 450]的脑网络变异性显著增加｡这些神经可塑性变化提示,基于运动想象范式的脑机接口机器人可能通过增加卒中患者运动主动性和激活镜像神经元系统,促进运动再学习,改善上肢功能｡Ramos-Murguialday等的研究共纳入28 例慢性卒中患者,试验组(16例)接受基于运动想象范式的脑机接口机器人训练,对照组(12 例)接受传统机器人训练｡机器人训练均为60 min /次,5 次/周,共训练4周｡与治疗前相比,试验组上肢Fugl-Meyer评分在干预结束后6 个月仍存在显著提高[(11. 16 ± 1. 73)分比(13. 44 ± 1. 96)分,P =0. 015],对照组上肢Fugl-Meyer评分在上述时间节点无显著提高[(13. 29 ±2.86)分比(14. 75 ± 2. 71)分,P = 0. 07]｡以上研究结果提示,基于运动想象范式的脑机接口机器人可以长期(功能改善时间超过6 个月)改善卒中患者的上肢运动功能｡

以往基于运动想象范式的脑机接口机器人主要收集来自大脑病灶周围皮质的神经信号｡卒中患者大脑调节病灶周围皮质活动的能力随着皮质损伤程度增加而降低,这可能会影响神经信号的收集,进而降低脑机接口机器人康复效果｡因此收集健侧皮质信号对脑机接口机器人的治疗效果而言十分重要｡Bundy 等通过健侧半球的神经活动驱动脑机接口机器人对卒中患者进行康复训练｡该研究对10例慢性(病程> 6个月)卒中患者进行了为期12周的基于运动想象范式脑机接口机器人训练｡训练5 次/周,10 ~ 120 min /次(根据患者耐力调整训练时间)｡治疗后患者上肢动作研究量表评分(P = 0.002)､抓握力(P = 0. 046)､运动指数(P =0. 027)､加拿大作业表现量表评分(P = 0. 022)均较治疗前显著增加｡该研究初步验证了收集健侧半球神经信号的脑机接口机器人在卒中后上肢功能障碍康复中的有效性｡

基于运动想象范式的脑机接口机器人大多是较为笨重的硬体机器人,这限制了患者的运动范围,可能对康复效果产生一定的负面影响｡软机器人作为一类轻便､可穿戴的机器人,已被证实可提高手功能康复的疗效｡Cheng 等首次将基于运动想象范式的脑机接口与软机器人相结合,并应用到10例卒中患者手功能训练中｡患者训练90 min /次,3 次/周,共训练6 周,结果表明,经过康复训练后患者Fugl-Meyer评分较训练前提高(P = 0. 043),上肢动作研究量表评分无明显变化(P = 0. 103)｡所有患者在训练中可以体验到自由､真实的运动感｡

3. 2 基于稳态视觉诱发电位范式的脑机接口机器人在卒中后上肢运动功能障碍康复中的应用

Guo等的研究首次证实了基于稳态视觉诱发电位脑机接口机器人用于改善卒中后上肢功能的可行性及有效性｡该研究将30 例卒中后手功能障碍患者随机分为3 组,分别接受常规治疗(10 例)､传统机器人训练(10 例)和基于稳态视觉诱发电位的脑机接口机器人训练(10 例)｡机器人训练均20 min /次,5次/周,共训练2周｡结果表明,与治疗前相比,基于稳态视觉诱发电位脑机接口机器人组患者治疗结束后上肢Fugl-Meyer评分[(28. 60 ±14. 03)分比(14. 90 ± 7. 98)分,P = 0. 014]､Wolf运动功能测验评分[(26. 80 ± 12. 41)分比(21. 70 ± 12. 20)分,P = 0. 034]明显提高｡且在治疗后3个月随访时,上肢Fugl-Meyer评分[(30.80 ±14.31)分比(28. 60 ±14. 03)分,P =0.023]､Wolf运动功能测验评分[(30. 30 ± 13. 88)分比(26. 80 ± 12. 41)分,P = 0. 009)]较治疗结束后进一步提高｡该研究结果提示,短期的基于稳态视觉诱发电位脑机接口机器人训练可能会产生持续的康复效果｡

3. 3 基于混合范式脑机接口机器人在卒中后上肢运动功能障碍康复中的应用

Li等将61 例卒中患者随机分为两组,分别接受传统机器人训练(31 例)和混合范式脑机接口机器人训练(30 例)｡机器人训练均30 min /次,3次/周,共训练2周｡结果表明,与治疗前相比,基于混合范式脑机接口机器人治疗后上肢Fugl-Meyer评分(P < 0.01)､Wolf 运动功能测验评分(P <0.01)均显著提高,与传统机器人组相比,上述评分差异均有统计学意义(均P < 0.01)｡

目前研究表明,基于运动想象､稳态视觉诱发电位和混合范式的脑机接口机器人均可以促进卒中后上肢运动功能障碍康复,但目前研究数量较少,尚需大样本随机对照研究提供更多客观的临床和神经生理学证据｡

4 脑机接口机器人在卒中后下肢运动功能障碍康复中的应用

卒中后下肢运动功能康复是脑机接口机器人探索较少的一个领域,这可能与脑机接口机器人下肢解码性能尚未得到充分优化有关｡近年来,随着解码技术不断发展,研究人员开始逐渐探索脑机接口机器人用于卒中后下肢功能障碍的康复效果｡

Li等研究了基于运动想象范式的脑机接口机器人对亚急性(病程2周至6个月)卒中患者下肢运动功能的康复效果｡试验组(12 例)接受脑机接口机器人训练,对照组(13 例)接受下肢踏板训练｡训练均为30 min /次,1 次/ d,共训练4 周｡结果显示,与对照组相比,治疗后试验组卒中患者的下肢Fugl-Meyer 评分､美国国立卫生研究院卒中量表(NIHSS)评分､腿部运动诱发电位潜伏期均有显著改善(均P < 0. 05)｡

Zhao等的研究将基于稳态视觉诱发电位的脑机接口机器人应用于亚急性(病程2周至3个月)卒中患者,其中试验组(14例)患者接受脑机接口机器人训练,对照组(14 例)接受传统下肢机器人训练｡机器人训练均30 min /次,6次/周,共训练4周｡治疗结束后,两组卒中患者在下肢Fugl-Meyer评分(对照组:P < 0. 01,Cohen′s d = - 2. 972;试验组:P < 0. 01,Cohen′s d = - 4. 266)､洛文斯顿作业疗法认知评定量表评分(对照组:P < 0. 01,Cohen′s d =- 3. 178;试验组:P < 0. 01,Cohen′s d = - 3. 063)均显著提高｡试验组洛文斯顿作业疗法认知评定量表评分较对照组高14. 89%(P = 0. 049,Cohen′s d =- 0. 580)｡两组患者下肢Fugl-Meyer评分差异无统计学意义(P > 0. 05,Cohen′s d = - 0. 168)｡该研究结果表明,基于稳态视觉诱发电位的脑机接口机器人训练,可以促进卒中患者认知恢复,改善下肢功能｡

目前研究表明,基于运动想象范式和稳态视觉诱发电位范式的脑机接口机器人均可用于卒中后下肢功能恢复｡但此方面的研究尚处于起步阶段,需进行更多大样本､高质量的随机对照研究｡此外,未来需要进一步提高脑机接口机器人对卒中患者下肢运动意图的解码能力,实现对脑机接口下肢机器人产生更流畅､准确的控制,以获得更好的康复效果｡

随着康复技术不断发展,以下几个方向可能会成为脑机接口机器人研究的重点｡(1)将脑机接口与软机器人相结合,从而增加脑机接口机器人的易用性和康复效果;(2)应用纺织技术与3D 打印技术,开发低成本脑机接口机器人设备;(3)混合脑机接口技术,即使用不同范式的脑电图信号或联合其他生理信号(如肌电图､心率)组合协同工作,可以提高用户意图检测的可靠性,增强控制性能,或可进一步提高治疗效果｡

脑机接口机器人为卒中康复治疗提供了新的思路和手段,随着医学技术的不断发展,未来将可解决现有不足,更好地应用于卒中康复领域｡