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带您走进脑机接口:让“脑控”更直接——脑机接口技术在临床康复中的应用
发布时间:2023/9/10文字调整

1概述

脑-机接口技术(brain-computer interface technology,BCI)是一种通过软硬件相结合的通信系统实现大脑和外部环境直接交互的技术,即通过采集不同脑功能区以及不同深度的活动信号,利用预处理、特征提取和模式识别,实现对大脑活动状态或意图的解码,将此信号进行转换后驱动外部设备产生实际的动作,进而完成大脑的动作指令。此项技术现已被广泛应用于脑科学、生物医学和康复医学等诸多领域。


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BCI的目的是检测和量化表明用户意图的大脑信号的特征,并将这些特征实时转换为实现用户意图的设备命令。因此,BCI系统一般由4个组件按顺序组成:信号采集、特征提取、特征翻译、设备输出。


1.2.BCI系统的类型

为了获取大脑活动信号,可以通过侵入式、半侵入式和非侵入式信号采集策略。


侵入性信号采集可以获取时空信号,并具有通过植入大脑皮质来区分患者多维度意图的巨大能力。半侵入式或部分侵入式BCI设备被植入颅骨内,但位于脑外而不是灰质内。然而由于安全和伦理问题,使用基于脑电图、脑磁图、功能近红外光谱或功能磁共振成像等收集大脑信号的非侵入性脑机接口技术,在实际应用中可能比侵入性脑机接口技术更有前途。


其中,基于脑电信号的脑机接口是较为常用的技术之一。


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注:辅助性BCI:通过计算机解码翻译大脑信号得到的控制信号对假肢、外骨骼、轮椅等进行控制,实现特定的动作任务;

康复性BCI:将执行的动作任务情况以多种形式反馈给患者促进其大脑功能重塑,提高运动再学习能力。


2郑州大学第五附属医院康复医学科的脑机接口技术应用

2.1.BCI技术在运动康复中的应用

BCI技术应用于脑卒中上、下肢等运动功能康复主要体现在康复训练与功能替代方面。在康复训练方面,通过提取脑卒中患者大脑表面电信号,经解析翻译后结合MI、FES、rTMS、等方式以生物反馈的形式用于日常康复训练,促进脑功能重塑。在功能替代方面,对于康复训练短时间内无法改善的患者利用BCI系统使用基于大脑表面电信号的辅助设备控制平台进行轮椅控制、外骨骼控制等进而实现肢体运动功能的训练甚至替代。


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2.1.1.BCI技术在脑卒中患者上肢及手功能康复中的应用

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2.1.2.BCI技术在脑卒中患者下肢功能康复中的应用


2.2.BCI技术在言语康复中的应用

对于严重的语言交流障碍者,BCI是目前最合适、最有价值的一种技术手段。其可通过解码患者大脑信息转化为外设控制指令,从而通过外设控制代替患者本身的表达或行动。


2.3.BCI技术促进正向情绪发展

漫长的康复过程易使患者对康复训练产生消极、回避的心态,目前大多数基于BCI技术的康复训练尤其是VR,均已加入了与日常生活活动相关的虚拟情景视频,可避免患者在康复治疗中产生抵触情绪,提高患者参与治疗的积极主动性,改善康复效果。


2.4.BCI技术在意识障碍康复中的应用

现已有多项研究利用BCI技术设置标准刺激和偏差刺激任务,观察P300电位的发生,以此判断意识状态;或通过BCI技术实现极低意识状态患者与外界的交流等。


BCI是在大脑和计算机等电子设备之间建立直接通道,人们可以越过外周神经和肌肉组织直接通过脑来表达想法或操纵设备,不需要语言或动作,这可以有效增强身体严重残疾的患者与外界交流或控制外部环境的能力,以提高患者的生活质量。


来源:康复医学科 金雪明 王琦

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