脑机接口在脊髓损伤康复中的应用进展

Chinese Journal of R ehabilitation Medicine,Jun.2020,Vol.35.No.6
.综述.
脑机接口在脊髓损伤康复中的应用进展龚瑜’蔺俊斌'郝赤子'廖维靖2
目前，全球每年约有13万人发生脊髓损伤，将近一半的患者损伤平面在C6及以上叫脊髓损伤会导致感觉、运动等重要的生理功能丧失或减弱，显著降低患者的生存质量5脊髓损伤患者还常合并有神经源性膀胱肠道、呼吸困难及体温调节障碍等问题，这些患者多生活不能自理.多长期依靠家庭照护:不仅给患者本人带来了沉重的心理压力，也给社会造成了巨大的经济负担：目前.脊髓损伤的治疗方法有限,治疗效果欠佳，为了寻求更好的治疗效果，提高患者的生存质量.已有研究者尝试将脑机接口(brain-computer inter­face,BCI)这项前沿技术应用于脊髓损伤的康复治疗中。

BCI是用计算机系统采集大脑信号并利用其控制辅助设备的系统叫脊髓损伤患者病情稳定，运动皮质功能保持完整.为其使用BC1奠定了基础旳。

1BCI的组成及原理
BCI系统主要由信号采集装置,计算机及输出设备这三大部分组成其工作流程主要分为四个步骤：信号采集、特征提取、特征翻译及设备输出；首先通过信号采集装置收集大脑信号，再使用计算机将这些信号放大、滤波、进行特征提取及分类处理，通过特殊的计算方法将提取出的特征转化为指令传递给输岀设备，最后由输出设备完成指令。

大脑的神经活动与运动意图相关，因而只需患者产生运动意图,BCI系统便可记录相关大脑信号.再对患者的大脑信号进行分析处理,使其转化为输出指令控制外周成分，如肌肉、骨骼等，形成的反馈成为中枢神经系统与外周神经系统之间的“闭坏通路”.从而达到促进患者大脑神经重塑、促进肢体功能恢复的作用叫
2BCI分类
2.1根据信号源分类
BCI的主要信号源有以下4类：脑电图(electroencepha­logram,EEG)、脑磁图(magnetoencephalography,MEG)、功能性磁共振(functional magnetic resonance imaging,fMRI)及功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)基于EEG的BCI采集的脑电信号主要有以下4种：慢皮质电位(slow cortical potential,SCP)、稳态视觉诱发电位(steady state visual evoked potential,SSVEP),P300事件相关电位(P300event related potential,P300-ERPs)及运动感觉节律(sensorimotor rhythm,SR)|6|O基于MEG的BCI采集的是电信号沿锥体束传递时产生的磁信号叫Mellinger 等切用可提供连续视觉反馈的MEG-BCI系统对健康者进行了研究.运用该系统,6例参与者在训练过程中实现了对大脑H节律的自我控制.基于fMRI的BCI采集的是脑代谢信号。

基于fNIRS的BCI是利用大脑血氧结合情况获取大脑信号。

Koenraadt等皿的研究表明在完全性脊髓损伤患者想象运动足部时.足部对应的运动皮质的活动可以通过fNIRS 检测到。

每种信号源都有其各自的优缺点,脑电图可直接反映神经元电活动，具有时间分辨率高、采集设备简单及便于使用等优点。

但其易受到周围环境因素的干扰，导致采集的信号中干扰成分较多.信号精度不高.对比EEG.因磁场不会像电场那样因颅骨的阻挡而衰减.MEG可检测到更高频率的信号,定位更加准确.空间及时间分辨率较高何。

另一个空间分辨率也非常高的是fMRI,可以达到毫米级，它能对大脑功能进行精确的定位，并可以选定某一个大脑区域来对一个具体的思维活动进行分析何。

fNIRS不易受肌肉收缩、头部运动及外界电磁干扰.并具有可携带性、费用低、易使用及易获取等优点叫
2.2根据信号的采集方式分类
根据BCI采集信号的方式不同，可将其分为侵入性与非侵入性两类。

侵入性BCI需要通过外科手术将芯片或微电极等硬件植入患者大脑，植入设备可直接采集脑电信号，避免了信号经颅骨及皮肤传导后产生衰减，因而釆集的信号质量较好。

但是，设备植入后其周围形成的瘢痕组织直接影响其使用寿命早在植入后几周，神经胶质细胞就会包围植入设备，引起神经胶质增生，电极阻抗升高，导致其记录功能下降或丧失问非侵入性BCI虽然在采集信号的精度上不如侵入性，但由于安全、方便、无创，受到较多受试者欢迎
DOI:10.3969/j.issn.1001-1242.2020.06.022
I武汉大学中南医院,武汉市.430000;2通讯作者
第一作者简介：龚瑜.女.硕士研究生；收稿日期:2018-07-15 744www.r ehabi.c om.c n
亨网氐复区/f；在2020年，第35卷.第6期
脑电信号分为表面脑电信号、皮质脑电信号及皮质内脑电信号：其中，基于表面脑电的BCI主要是通过电极帽接收信号，属于非侵入性BCI,而基于皮质脑电及皮质内脑电的BCI通过植入设备接收脑电信号，属于侵入性BCL基于脑磁图、功能性近红外光谱及功能性磁共振的BCI均属于非侵入性BCI,
2.3根据输出设备分类
根据BCI输出设备的不同，也可以分成不同种类。

目前常用输出设备主要有以下几种：电脑、功能性电刺激(Func­tional electrical stimulation,FES)、机器人外骨骼及脊髓内微刺激：将BCI与电脑结合可以帮助部分脊髓损伤节段较高，有沟通障碍的患者完成与他人之间的交流。

功能性电刺激是刺激失神经肌肉来实现上肢、下肢运动：Beaumont等问的研究表明功能性电刺激改善了脊髓损伤大鼠的运动功能并增加了中枢神经系统的感觉输入。

机器人外骨骼包括机械臂、下肢外骨骼矫形器、步行支具等.通过电脑把指令传递给外骨骼,使患者在外骨骼的辅助下完成肢体活动。

部分外骨骼系统具备自锁功能，当一个肢体在运动时，另一肢体的外骨骼就会自动锁定以帮助患者保持稳定冋。

脊髓内微刺激是直接作用于脊髓的电刺激.可以将从大脑皮质记录的指令信号转换为传递到损伤节段以下的脊髓内电刺激来实现大脑对损伤平面以下部位的支配冋。

除了常见的这几种之外,还有植入骨盆矫形器,Udoekwere等问在脊髓损伤的小鼠身上植入骨盆矫形器来帮助其进行下肢活动：
3BCI技术在脊髓损伤患者康复中的应用
脊髓损伤导致的多种功能障碍严重降低了患者的生存质量。

研究表明，虽然脊髓损伤致大脑与脊髓的连接中断，但是大脑依然可以产生正确的运动指令，叫既往的灵长类动物的临床前实验已经证明，可以从运动皮质提取与预期运动有关的信息叫这些为脊髓损伤患者使用BCI系统奠定了基础：但是脊髓损伤对大脑指令的产生也造成了一定的影响，Miiller-Putz等何的研究发现.脊髓损伤患者运动想象的准确率较健康者偏低，在经过反复训练后方可得到提高。

BCI系统在收集完大脑信号后会对其进行分析处理.将大脑指令传给输出设备，患者便可通过获取的反馈信息学习如何调整大脑活动,从而促进神经重塑.Foldes等他的研究已表明这一点。

为了改进BCI系统在脊髓损伤方面的应用，研究者们不断做出新的尝试.Ikegami等何让10例颈段脊髓损伤患者使用P300-BCI系统进行试验.要求他们使用该系统选择不同颜色的字母组词，研究发现，当字母颜色为蓝-绿时.患者的正确率比字母颜色为黑白时高，表明色彩可对患者的正确率产生影响
近年来.随着对BCI的研究不断深入.已有各种各样的BCI系统被研究者们用于脊髓损伤后上肢运动功能障碍、下肢运动功能障碍、感觉障碍及神经性疼痛等问题的康复治疗之中"
3.1下肢运动功能康复
截瘫患者的双下肢运动感觉功能障碍是影响日常生活的最大因素，那么，要想增强活动的自主性，恢复双下肢的站立、行走等功能就处于重中之重的位置：2011年.Do等问对5例健康者进行研究，在他们反复进行一侧足背屈时，使用BCI系统收集大脑信号，然后利用该信号触发对侧肢体的FES装置，从而帮助对侧肢体完成足背屈。

2013年King等问的研究发现，在虚拟现实环境中，脊髓损伤患者可以运用基于运动想象的BCI系统完成行走任务。

这为日后脊髓损伤患者利用BCI系统完成地面行走提供了参考2014年King 等㈣进一步深入研究，研制了第一个帮助脊髓损伤患者完成地面行走的基于EEG的BCI-FES系统,一例完全性脊髓损伤的患者能操作该系统完成实时地面行走的任务，并且随着练习次数的增多.其正确率得到提高：2016年，Capogrosso 等卩啲研究表明，运用脑-脊柱接口将小鼠的腿部对应运动皮质与硬膜外电刺激联系起来可减轻其脊髓损伤后的步态缺陷「同年丄opez-Larraz等冋设计了一种以步行外骨骼为输出设备的闭环BCI系统,此系统是第一个不包括任何减重及平衡支持设备的步行训练BCI系统,仅用平行杠及助行器来辅助完成站立及行走。

2018年Rajasekaran等卩"将BCI与可穿戴式机器人结合起来帮助不完全性脊髓损伤患者完成地面行走。

在该研究中，患者可利用大脑信号灵活支配可穿戴式机器人,在机器人辅助下的行走模式与他们自己的行走模式相似。

然而，要改善脊髓损伤患者步态，除了帮助恢复双下肢运动之外,躯干的姿势调节也至关重要Moraud等閉的最新研究表明，对于脊髓损伤患者而育，运用双下肢屈肌和伸肌相关的本体感觉反馈来实时调节躯干方向和姿势有利于患者运动功能的康复。

以上这些研究表明.利用BCI系统帮助截瘫患者在输出设备辅助下行走已成为现实。

然而目前仍处于实验室阶段.尚未在广大脊髓损伤患者人群中应用。

3.2上肢运动功能康复
当患者的脊髓损伤水平在C8及以上时，不仅存在下肢的功能障碍，还会出现上肢的功能障碍，肩、肘、腕及手指的活动均受限'在日常生活中，I:肢的屈伸及抓握等功能都是至关重要的对于四肢瘫的患者而言,上肢功能的恢复是康复治疗的首要任务。

2011年，Zimmermann等閃运用BCI结合脊髓内微刺激诱导脊髓损伤的猴子完成够取和抓握功能2013年Rohm 等即将BCI-FES及机械外骨骼结合起来运用在一名C4脊髓节段完全性损伤的患者身上，一年后，该患者学会了使用该
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系统完成肘关节的屈伸动作，对物品的抓握及释放,实现了文档签署、吃饼干棒、吃冰淇淋甜筒等日常生活活动2014年.Collinger等发现，一位四肢瘫痪的患者可以使用BCI来控制一个复杂的仿生机器人手臂.其技巧和速度接近健全的A2015年Foldes等问将基于MEG的BCI系统应用于3例手功能完全丧失的脊髓损伤患者1：,通过记录大脑皮质感觉运动节律来判断患者的运动意图.使其完成对虚拟手开合的控制研究发现在训练后有2例患者感觉运动节律增强，这表明他们可通过虚拟手开合的反馈信息来调节大脑活动' 2018年Colachis等皿用BCI-FES系统将大脑与瘫痪肢体重新连接以恢复其功能1例四肢瘫的患者可运用该系统完成7个手部的功能运动,每种准确率都＞95%.并冃.他们可以从这7个动作中选择合适的动作来配合完成手部的抓握及释放匕肢功能的恢复对脊髓损伤患者提高日常生活活动能力的意义重大，较肩关节、肘关节而言，手功能由于涉及众多精细运动导致恢复更加困难运用BCI系统成功帮助瘫痪手完成一些H常活动是手功能康复的一个重大突破：
3.3感觉障碍及其他功能障碍的康复
脊髓损伤可导致一系列功能障碍.包括运动和感觉功能的丧失，肠道和膀胱功能障碍，痉挛状态.神经性疼痛和自主神经反射异常㈣运动的产生及正确执行离不开感觉反馈.因而感觉障碍的康复也处于至关重要的位置2011年O'Doherty等冋将运动与感觉反馈相结合.让脊髓损伤患者借助BC1系统完成动作，再通过躯体感觉皮质的皮质内的微刺激(Intracortical Microstimulation,ICMS)产生人工触觉反馈：2014年Tabot等㈣结合BCI及ICMS来传递操控物体时的感觉信息，他们对动物进行的实验表明.可运用该技术准确定位接触位置，追踪施加在皮肤上的圧力，并获取接触时间c2016年，Yoshida等阿介绍了1例利用BCI系统来减轻脊髓损伤后神经性疼痛的病例，1例伴有左匕肢末端神经性疼痛的71岁老年女性患者在使用BCI训练后视觉模拟评分(Visual Analogue Scale,VAS)从8分降到5分-Salisbury 等a认为BCI不仅可以作为康复治疗工具使用，还可以作为疼痛与压力管理系统，认知功能评估系统，扶至可以探索其在休闲活动中的使用在神经源性膀胱、神经源性肠道及自主神经反射异常等其他方面，冃前BCI的应用有限.值得未来进一步研究
4BCI的优点及其局限性
近年来.BCI作为一种前沿技术已经被越来越多的研究人员运用到脊髓损伤患者的康复治疗当中.大大提高了患者的生存质量对比其他康复治疗方法，它有以下优势:①强调患者的主动参与性在BCI系统中,只有当患者自己产生运动意图时才可触发输出设备完成治疗：通过任务的完成度也可以更好地观察患者主动参与的程度②治疗效果突岀脊髓损伤患者运用BCI系统可完成抓握、站立及行走,这是其他治疗方法难以达到的③促进神经重塑的能力更强BCI系统中的输出设备可为脊髓损伤患者完成治疗及提供反馈信息，因而他们可以此来调节大脑活动同时.BC1也有它的局限性:①大脑信号的采集、传输及解码翻译效率较低目前应用最为广泛的是基于脑电图的B C I,脑电信号种类复杂，非侵入性的脑电图易受环境因素干扰，在采集信号时容易受到采集点附近肌肉等活动的干扰,收集到的信号中夹杂着不少干扰成分，直接影响后续的特征提取及数据分析过程，侵入性的脑电图能收集到干扰成分较少的脑电信号，但是由于其需要在大脑中植入微电极，该操作有创且耗时，并需要技术专家参与，因此侵入性脑电图的使用严重受限冋。

这些因素导致冃前BCI系统的效率较低，②使用BCI 时要求患者注意力高度集中.时间稍长时患者易产生疲惫感.而且BCI系统并不能100%识别患者运动意图.输出形式单一，可能导致患者情绪低落.捷至抵制情绪③BCI系统设备昂贵，便携性差，脊髓损伤患者在使用其进行步行训练时一般需要悬吊装置④该技术尚只在少量脊髓患者中研究运用，而且试验的时间较短,长期疗效尚不明确
5展望
目前.BCI系统已经运用于脊髓损伤后够取、抓握、站比、行走等功能的训练它不仅可以帮助脊髓损伤患者在外骨骼、功能性电刺激及脊髓内微刺激等输出设备的辅助下控制患肢.而冃可通过反馈信息让患者学习调整大脑活动，促进神经重塑近年来关于BCI的研究越来越多.但该技术主要还是处于实验室阶段,并未在临床上运用于脊髓损伤的人群，在临床中的应用效果有待验证而且，冃前BCI对脊髓损伤患者的治疗主要集中在运动功能的重建,在感觉功能障碍、神经源性膀胱、神经源性肠道等方面研究有限.虽然BCI技术发展至今仍有很多局限性，但其技术已在不断改进.脊髓损伤患者使用其所达到的治疗效果越来越好，采集信号的方式由有创到无创，这些都为BCI在脊髓损伤的康复治疗中的使用拓宽了道路，相信不久的将来BC1系统可造福更多脊髓损伤患者
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•综述.
联想词库的构建方法与应用*
*DOI: 10.3969/j.issn. 1001-1242.2020.0&023
*基金项目：四川外国语言文学研究中心重点项H(SCWY17-12)
1西南科技大学外国语学院英语系.四川绵阳.621010第一作者简介：E 金龙.男，硕士，副教授;收稿日期= 2018-09-10
王金龙'范波'
词汇联想(word association )可表征词汇、概念间的关联 关系，可用于识别词汇间的连接强度、数M 及方向 De
Deyne 等m 发现.与其他主观意义诱导手段相比，词汇联想任
务不受约束.可捕捉到所需的词汇意义.可广泛表征含义、情 景及主题属性.是其他主观性测量(如概念特征测量)无法获
彳辱的 联想词库(word association norms)对概念特征标准 提供了一个更可靠的选择，可能提供了至今为止最佳的语义 测址方法，可用于大脑知识组织、心理词库、二语习得、言语
康复等领域因此.探讨联想词库的构建方式，可揭示语义 认知的表征过程及语义特征的本质属性1880年，自冯特第 一次进行单词A 由联想实验、创建联想频率表开始.联想词
库(词表、词典、数据库)建设揭开了序幕但由于实验条件 和技术手段的制约，初期词库规模较小
1联想词库建设概况
较大规模的联想词库建设始于英国，以1910年Kent 和
RosanofF 首次对英国人进行单诃联想测试为标志早期
Russell 和 Jenkins Jenkins 和 Palermo .Postman 和 Keppel 尝试
构建了有一定规模的英语联想词库到了 1970年代.随着
计算机的推广使用，联想词库建设步入「'大规模时代” 1972年Kiss, Armstrong 和Milroy 121基于大规模词汇联想测
试.第一次利用计算机分析技术和存储手段.建忆了世界上 第一个大规模的英语词汇联想数据库——爱「堡英语联想 词库(Edinburgh Associative Thesaurus ,EAT ) 联想词库建
设始于英语，逐步发展到俄语、日语、荷兰语、葡萄牙语等语 言。

世界主要联想词库如下(见表1)。

中国的联想词库建设始于本世纪初,以心理学界和外语 界为主「前者以失语症临床应用为目的，按年龄组构建了试
验性的汉语联想词库.如周亮等m 外语界的联想词库建设
以二语词汇习得为主，构建了一些针对我国外语学习者的、 小规模英/汉语联想词库
国内对联想词库建设的相关研究目前尚处于起步阶段，
以引介、试验为主以“联想词库/典”和“联想词库/典应用” 为标题，检索Web of Science 核心合集,Medline 及SciELO 引文索引.时间跨度1950—2018年,检索结果为34条 被引
频次如下(图1)本世纪初以来.国外联想词库相关研究呈
整体上升趋势
2联想词库的构建方法
按时间维度,联想词库的构建方法可大致分为建库前方
法和建库中方法建库前方法包括词库建构理论、刺激词选 择、测试方法选择、反应词分类法等.建库中方法主要指数据
分析方法的选择及数据处理：传统数据分析注重词汇间的 关联强度、关联集合大小的分析 随着计算机、网络技术、神
经科学及人1：智能等学科的发展，联想词库构建也不断采用 新方法。

748 wwu). rehabi. c om. c n。