实用骨科杂志

文章检索

特色栏目

脑机接口在脊髓损伤康复中的应用展望

姜仲博¹，郭艳波2，吕文学2，岳亮2，王德恒¹，蔡余力²

(1.山东中医药大学；2.山东中医药大学附属医院关节骨科)

脑机接口（brain-computer interface，BCI）通过获取大脑神经活动来控制外部设备，实现与外部数据的实时交互，分为侵入式BCI和非侵入式BCI，目前已被广泛应用于脑卒中后康复、脊髓损伤康复等领域^[1-2]。

Vidal^[3]在1973年尝试首次采用脑电图在人与计算机之间进行通信，并使用“脑机接口”一词。脑机接口通过分析神经元信号，转换为相应运动指令输送至外部设备，并实时获取与外界交互信息，通过电刺激激活感觉神经元，促使脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）患者运动功能和感觉功能恢复^[1]。但BCI的功能并不局限于此，它可以基于多种平台或系统，增强感觉反馈，促进神经回路重塑和感觉功能进一步恢复^[4]。BCI还可以通过构建新型交互模式，缓解SCI患者慢性疼痛，在缓解SCI患者继发性疼痛、改善心理状况及心肺功能方面发挥重要作用^[5]。此外，BCI通过电刺激来恢复截瘫患者肌肉自主控制，如在地面刺激运动（stimulation movement overground，STIMO）临床试验中，SCI患者经脊髓硬膜外电刺激后，对髋部肌肉的自主控制明显改善，这种改善具有长期稳定性^[6];将BCI与虚拟现实技术（virtual reality，VR）结合，对患者进行上肢及手部功能锻炼，也观测到了类似结果^[7]。BCI作为非接触式交互工具，能够在骨科手术中通过手势感应操作影像系统，简化交互程序，缩短手术时间^[8]。值得注意的是，Makin等^[9]讨论了使用BCI解决截肢术后患肢痛的可能性，有望在未来得到应用。

脑机接口在骨科领域有巨大应用潜力，通过调控大脑与外周神经，针对多种疾病实现神经运动交互，不仅提升其神经及运动恢复功能，还能赋予其额外功能，包括防止肌肉萎缩、改善心理状况、保护器官功能等。目前医疗辅助机器人操作以及手术中影像控制成为BCI新兴的研究方向，随着脑机接口设计理念改进以及虚拟现实技术等的不断整合，未来的BCI将在骨科手术、运动康复领域掀起更加深刻的变革。

参考文献

［1］Mridha MF，Das SC，Kabir MM，et al. Brain-computer interface：Advancement and challenges［J］.Sensors (Basel)，2021，21(17)：5746.

［2］Yang W，Zhang X，Li Z，et al.The effect of brain-computer interface training on rehabilitation of upper limb dysfunction after stroke：A Metaanalysis of randomized controlled trials［J］.Front Neurosci，2021(15)：766879.

［3］Vidal JJ. Toward direct brain-computer communication［J］.Annu Rev Biophys Bioeng，1973，2(1)：157-180.

［4］Yang B，Zhang F，Cheng F，et al. Strategies and prospects of effective neural circuits reconstruction after spinal cord injury［J］.Cell Death Dis，2020，11(6)：439.

［5］Wang R，Zhu J，Zhang J，et al. Psychological assessments of a senile patient with tetraplegia who received brain-computer interface implantation：A case report［J］.Neurol Sci，2022，43(2)：1427-1430.

［6］Lorach H，Galvez A，Spagnolo V，et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain-spine interface［J］.Nature，2023，618(7963)：126-133.

［7］Marquez-Chin C，Popovic MR. Functional electrical stimulation therapy for restoration of motor function after spinal cord injury and stroke：A review［J］.Biomed Eng Online，2020，19(1)：34.

［8］Esfandiari H，Troxler P，Hodel S，et al.Introducing a brain-computer interface to facilitate intraoperative medical imaging control：A feasibility study［J］.BMC Musculoskelet Disord，2022，23(1)：701.

［9］Makin TR，Flor H.Brain (re) organisation following amputation：Implications for phantom limb pain［J］.Neuroimage，2020(218)：116943.

本文刊登于实用骨科杂志2024年30卷第1期

在线办公

在线期刊