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脑机接口技术在医疗领域的应用前景分析

范文

王鑫哲

摘要脑机接口技术可以实现大脑与外界环境的交互在医疗领域具有重要的应用价值。通过这项技术，可以帮助身体严重残疾（瘫痪、失语）的患者建立与外界交流的方式，也能帮助肢体残疾的患者实现大脑直接控制假肢，提高他们的生活质量。文章首先介绍了脑机接口技术的发展历程，接着阐述了其基本原理和在医疗领域的应用前景，最后讨论了脑机接口现阶段面临的技术、商业化和伦理问题，并给出针对性的建议。

关键词脑机接口；医疗；应用前景

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）230-0145-02

脑机接口（Brain-Computer Interface BCI）技术是涉及信号处理、模式识别、神经科学等学科的一项交叉技术，其研究目的是建立人脑与外界环境间的直接交互机制，进而实现通过大脑直接操作设备、表达想法的功能[ 1 ]。很早之前人们就有通过采集大脑思维活动信号从而实现与外界进行交互或控制设备的想法。1929年，研究者第一次记录了脑电图，人们就推测脑电信号或许可以实现这个想法，但由于当时对神经科学了解较少，相关的信号处理、模式识别技术水平有限，一直进展缓慢。20世纪70年代，计算机技术快速发展，人们对大脑神经系统功能的认知逐步加深，同时也带动了脑机接口技术的进步。目前，脑机接口技术已成为神经科学与计算机技术等领域的研究热点。

1 脑机接口技术的原理

研究表明，人类完成一个动作首先要在大脑中产生动作意识，在动作执行之前，神经系统的电活动会发生改变，如果通过一定的手段能将这种电活动变化检测出来，则可以作为识别这个动作的特征信号，进而实现对大脑意识的理解，这就是脑机接口实现的基本原理。图1给出了脑机接口系统的基本流程，主要包括信号采集、信号处理及设备控制3个部分。

信号采集部分就是对大脑的电活动即脑电信号利用传感器进行采集，根据采集的方式可以分为有创采集和无创采集。无创采集是将检测电极安装在大脑头皮上记录脑电信号，而有创采集需要将检测电极植入大脑的特定区域。两种方式各有优势，无创采集比较方便，对使用者没有伤害，但采集的信号容易受到干扰，后续信号处理难度较大，而有创采集获取的信号质量较高，但对采集者有伤害。

信号处理部分是脑机接口的关键部分，通过对脑电信号进行分析，进而识别出相应的动作，包括预处理、特征提取、识别分类等过程。信号预处理一般是对脑电信号进行滤波操作，降低干扰。特征提取是将脑电信号中与动作相关的特征如幅值、频率等进行提取，为之后的识别分类做准备。特征信号分类是在特征提取的基础上，确定脑电信号与动作意识的对应关系，主要采用分类算法，如人工神经网络、线性判别分析、概率模型等。

设备控制部分是在理解了大脑意识之后，产生驱动或操作命令，对相应的设备进行操作，从而达到与外界交互的目的。此外，设备控制的结果也会形成对大脑意识的反馈，根据反馈，可以对动作进行调整。

2 脑机接口技術在医疗领域的应用前景

脑机接口系统在医疗领域的应用前景较广，能够为一些身体残疾患者与建立一座与外界交互的桥梁，可以实现康复训练、控制假肢、轮椅等功能[ 2 - 3 ]。

2.1 康复训练

我国目前脑卒中患者接近3 000万，且还在以每年约200万人的速度增加，这些患者大都需要进行康复训练，市场潜力巨大。传统的康复方式如按摩、卧床训练、离床训练等比较被动，需要护工或家属进行辅助，患者容易产生疲劳，自身的康复意愿不佳，导致训练效果一般。如果利用脑机接口技术让患者进行部分自主训练，将能很好地调动患者的康复意愿，提高训练的质量。

西安交通大学的研究团队设计了一套名为“脑控人机交互及康复训练系统”，系统利用脑机接口技术，能够实现一种新型脑控康复方式。利用这套训练系统，可以帮助训练人员更好的监控训练的强度及效果，根据反馈调整训练计划。此外，这种通过大脑运动想象的方式进行训练也有助于神经功能的代偿与恢复。临床试验表明，使用该脑控康复系统的患者康复效果明显优于传统康复训练患者。

瑞士公司MindMaze构建了一个结合VR、计算机图形学和神经科学的平台，通过为神经系统疾病患者创造VR和AR环境，提供多感觉的反馈，以在康复期间刺激运动功能，促进神经功能的康复。美国科技公司NeuroLutions研发了一款具有康复促进功能的机器人外骨骼，名为IpsiHand。IpsiHand会刺激大脑向肢体发送信号，这种连续激发最终会建立新的突触连接，促使瘫痪部位恢复功能。

2.2 智能假肢

现阶段，对于残疾人来说，如果他们失去了部分肢体，大都会选择佩戴假肢，这些假肢大都具有固定的结构，不能实现原有肢体的功能。脑机接口技术的出现有望改变假肢不具有功能的现状，利用脑机接口技术可以将假肢与患者大脑连接起来，通过一段时间的训练，就能进行自主控制。哈佛研究团队创立了一个为残疾人制造智能假肢的半公益项目BrainRobotics，该项目开发的产品可以帮助残疾人通过自己的意念控制假肢。传统的假肢是一体化设计，容易损坏，BrainRobotics团队为解决这个问题，研发了一种模块化的机械设计，它能让用户只更换损坏的部件，而无需购买全新的假肢。模块化设计大大降低了使用假肢的成本，世界各地的截肢者更容易负担得起这种高科技产品。

2.3 其他应用

美国的Rythm公司设计了一个名为“Dreem”的头带产品，借助脑机接口技术可识别佩戴者的睡眠模式，根据睡眠模式的不同，可进行听觉或声音刺激，从而确保佩戴者可长时间停留在深层睡眠阶段，进而提高佩戴者的睡眠质量。显然该产品对于那些睡眠功能障碍的患者十分有用，但佩戴头戴可能会影响睡眠的舒适性，造成入睡困难的问题。

美国NeuroPace公司开发了一款称为RNS系统的植入式设备，可用于治疗神经障碍。该公司初步的研发重点是治疗癫痫，以防止癫痫发作。该装置能识别异常大脑活动，然后发送脉冲以抵消或破坏导致癫痫发作的异常信号。

对于意识障碍患者如植物人等，意识检测是一个难点问题，主要原因是这些病人缺乏行为能力，无法进行沟通，借助脑机接口技术，可以帮助完成检测意识障碍患者如植物人等的意识，辅助量表评估等任务。此外，将脑机接口系统集成在輪椅、家电和护理床中，可以实现对设备的脑控，能够有效提高残疾患者的生活自理能力。

3 面临的问题

虽然近年来脑机接口技术发展迅速，出现了许多医疗产品，但大都还处于实验室阶段，距离临床应用还有面临许多问题，主要是技术、商业化、伦理3个方面的问题[ 4 ]。

1）技术问题。在脑机接口技术的挑战是信号采集与信号处理。采用非侵入式电极获取脑电信号质量难以保证，且容易受到外界干扰；植入式电极可能会引发免疫反应，一旦植入则不能随意调整。信号处理是脑机接口的核心部分，但对于大脑的认识还有许多盲区。许多进展都是在动物大脑上完成的，其在人脑上的效果如何还很难判断。

2）商业化问题。医疗设备要实现临床应用往往需要耗费大量的时间、资金。脑机接口设备要直接作用于人体，监管部门对其审批十分谨慎，因而相关产品要实现商业化十分困难。企业要实现盈利，产品必须要有市场，现阶段，脑机接口技术的发展水平，可以在一些技术比较成熟的领域进行尝试，积累经验，之后再逐步推广应用。

3）伦理问题。脑机接口技术的发展应用业带来了一些伦理问题。由于大脑的意识十分复杂且多变，很难像控制行动那样进行控制，例如许多人都会有一些想到但不敢说出来的经历。如果脑机接口设备探测到这些想法就会带来隐私问题。更进一步，如果是一些具有伤害性的想法，即使没有实施，那是否应该采取措施，即我们是否应该为自己的一些想法负责。

4 结论

本文介绍了脑机接口技术的基本原理及其在医疗领域的应用前景，包括康复训练、智能假肢、睡眠增强等，讨论了其目前面临的技术、商业化和伦理问题。现阶段，脑机接口技术还处在初级阶段，距离临床应用还需要解决许多问题，但随着人们对大脑的了解与技术的进步，未来脑机接口在医疗领域的应用前景巨大。

参考文献

[1]尧俊瑜，邬长杰.脑机接口技术研究综述[J].现代计算机（专业版），2017（27）：80-84.

[2]琚芬，赵晨光，袁华，等.脑机接口在康复医学中的应用进展[J].中国康复，2017，32（6）：508-511.

[3]汪俊宇，王美玉，向武，等.浅谈脑机接口康复假肢的相关研究[J].世界最新医学信息文摘，2017，17（45）：75-76.

[4]叶岸滔.脑机接口技术：伦理问题与研究挑战[J].昆明理工大学学报（社会科学版），2016，16（6）：8-14.

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