近年来，以改善功能、帮助患者回归正常生活的康复医疗行业快速发展。三方面因素推动康复医疗市场规模快速扩大：一是政策推动。我国逐渐建立了覆盖产业链上中下游各重要环节的康复医疗产业政策，这些政策有力推动康复医疗产业发展；二是人口老龄化加剧导致康复需求增多。根据《lancet》杂志统计，我国为全球康复需求最大的国家，2019年康复需求总人数达到4.6亿人，且随着人口老龄化的发展，康复群体将进一步增多；三是消费升级。康复医疗的发展与宏观经济水平密不可分。随着经济的持续发展与居民健康意识的不断提高，人们的健康消费逐渐从疾病治疗向全面康复转变，也推动了我国康复医疗发展。
在传统人工或简单设备不能满足患者康复需求的背景下，以脑机接口为代表的智能技术在康复医疗的应用逐渐引起人们的重视，也是康复医疗提质升级的重要表现。脑机接口可直接作用于大脑，有效改善大脑神经的传导通路，使患者能够在不受周围神经和肌肉影响的情况下与周围环境进行交互，并且可帮助患者进行功能重塑。目前脑机接口已被广泛应用于医疗健康、教育、娱乐、消费等领域。
本文梳理了近些年脑机接口在康复医疗中的应用研究情况，以期帮助读者更好的理解脑机接口产业。
01
脑机接口概述
脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）是大脑与外部设备间建立的一种不依赖外周神经和肌肉的信息交互系统。
脑机接口通过对神经界面采集到的脑活动信号进行实时解码，根据解码结果驱动外部设备，及时辅助肢体完成运动训练，从而达到康复治疗的目的。
脑机接口具有多种分类方式。根据脑信号采集的方式，可分为侵入式和非侵入式脑机接口。侵入式脑机接口需采用手术将电极植入大脑内部，技术难度大，但采集信号质量高。非侵入式脑机接口通过可穿戴设备获取脑信号，无需手术但信号采集质量较差。按照与大脑互动方式，可分为主动式和被动式脑机接口。监测司机状态以避免交通事故等“解码”非有意大脑情感与认知状态的脑机接口为被动式BCI，由用户有意的运动图像刺激（MI）驱动的脑机接口为主动式BCI。
02
脑机接口在康复医疗中应用
脑机接口在康复医疗应用中的技术功效主要为功能辅助、功能恢复和功能增强。功能辅助
是指通过BCI对辅助设备进行控制，帮助运动功能障碍患者实现对外界的控制与交流，是当前最主要应用的技术功效。功能恢复是指通过神经反馈方式，让患者用BCI控制外界设备进行主动患肢运动训练，刺激脑的重塑或代偿以重新获得肢体控制能力。功能增强主要是指将BCI系统植入大脑，用来增强大脑记忆等。本文分别从脑机接口康复医疗的三大技术功效中选取当前研究较多的应用方向进行分析。
（一）功能辅助
—信息交流
脑机接口在信息交流方面主要针对的是语言功能障碍患者。根据相关数据显示，目前全球患有语言功能障碍的患者数量达到了数百万。神经元疾病、脑瘫、中风、自闭症等都会对辅助语言表达的肌肉控制造成影响，进而导致语言功能障碍。脑机接口为语言功能障碍患者交流提供了新的技术手段，患者通过BCI系统控制字母、数字网络、光标等进行语音合成、网页浏览、发送邮件和短信，从而完成简单的语言交流，实现沟通意图。
目前信息交流辅助型的脑机接口大多停留于实验研究阶段。在科研层面，来自美国加州大学旧金山分校的一个团队走在前列，该团队通过设计一个神经假体将大脑活动转译为单个字母，可实时拼出完整句子，速率达到每分钟29.4个字符，平均字符错误率仅为6.13%，且可推广到包含9000多个词的词汇表中。在企业层面，Synchron是全球第一家获得FDA批准对永久植入物进行临床试验的机构。Synchron采用神经介入方法，通过颈静脉将产品植入到大脑运动皮层下，然后与血管壁融合固定，此方法避免开颅手术，安全性更高，感染风险更小。目前Synchron已在澳大利亚和美国分别进行了临床实验。澳大利亚的临床试验表明术后患者可完成发送电子邮件及推文、访问网上银行、进行远程医疗访问等操作，且一年期的数据显示该实验未发生任何不良反应。
脑机接口辅助患者进行文本输入
图来源：公开资料
（二）功能辅助
—肢体运动
脑机接口在肢体运动方面主要针对的是肢体残疾患者。导致残疾的疾病有很多，包括脑出血、脑外伤、渐冻症、骨髓损失、脑卒中等，其中脑卒中是主要致残病因。根据相关数据显示，截至2018年末，中国60岁及以上人口有2．49亿，约55%的人患有肢体残疾，此外我国每年新发脑卒中约200万人，而85%的幸存者出现不同程度的肢体残疾。脑机接口为肢体残疾患者提供很大的帮助，通过BCI系统获取患者运动意图，控制假肢或外骨骼等外部设备，实现上下肢的替代运动，从而恢复部分运动能力，帮助患者改善生活状态，提高生活质量。
运动辅助型BCI是脑机接口康复领域内发展最为成熟的方向。早在2005年，脑机公司Cyberkinetics就获得美国FDA批准，将电极植入瘫痪病人运动皮层对应手臂和手部的区域，经过训练能够完成机械臂控制等任务。此外2014年巴西世界杯开幕式中，一名腰部以下完全瘫痪的少年通过BCI控制下肢外骨骼完成了开球表演，一时轰动全世界。在国内，脑机接口公司BrainCo旗下的BrainRobotics智能假肢入选《时代》杂志“2019年年度最佳发明”，该款假肢直接与肢体残端的神经和肌肉连接，用户可以用自己的大脑来控制它，从而在使用过程中达到逼真的效果。
BrainCo研发的智能仿生手辅助人体进行抓握动作
图来源：公开资料
（三）功能恢复
—神经恢复
脑机接口在神经恢复方面主要针对的是神经功能受损患者，如中风患者。大脑的可塑性是神经功能损伤后功能恢复的理论基础，指的是在内、外环境因子的作用下，神经元之间的相互联系可发生改变，神经功能将会发生重组。目前已知的大脑可塑性机制涉及轴突及树突发芽、神经细胞再生、备用通路启用、突触数量增多等方面。
脑机接口通过两种途径完成神经恢复：一是通过神经刺激技术调节大脑信号的特征，使皮质激活模式趋于正常化，进而实现功能恢复。功能性电刺激是最常用的刺激手段，运动皮层脑电活动直接控制FES装置，绕过病变的神经通路(如脊髓)，刺激特定肌肉的神经纤维以激活目标肌肉，使瘫痪的肢体恢复活力。天津大学神经工程团队研制的BCI-FES系统，解码患者的运动意图后驱动多级电刺激产生模拟神经肌电，控制患肢完成对应动作，在患肢处构筑了一条人工神经通路，经过反复训练促进神经通路的可塑性修复和重建。二是通过BCI控制外接设备进行反复训练间接促进神经通路的重建，恢复部分运动能力及运动控制水平，属于主动康复方式，可提高患者参与度。国外科学家Donati在2016年利用BCI系统控制下肢外骨骼对8例慢性脊髓损伤截瘫患者进行了12个月的多阶段步态神经康复训练，并结合沉浸式虚拟现实进行视觉-触觉反馈，结果显示患者的关键肌肉恢复了部分自主控制，步行指数明显改善。
天津大学神经工程团队研发的“神工一号”康复机器人
图来源：明东，安兴伟，王仲朋，《脑机接口技术的神经康复与新型应用》，科技导报，2020
（四）功能增强
—记忆增强
脑机接口在增强方面主要针对的是记忆衰退人群。年龄增长、老年痴呆、脑梗等多种因素都会导致人类出现记忆衰退。全球记忆衰退呈现年轻化趋势，根据韩国一项对554个上班族的调查数据显示，40%的受访者在30到39岁之间首次意识到记忆力变差，35%的人在40岁以后，24%的人在20到29岁之间意识到记忆力变差，由此可见当代上班族记忆力减退十分严重。
脑机接口可用以帮助正常人实现记忆增强功能，目前还处于早期研究阶段。海马体是大脑中负责长时记忆的存储转换和定向的器官。美国南加州大学Theodore Berger教授团队发现了大脑海马体的记忆密码，现已对老鼠和猴子大脑进行了实验，证实大脑信息可通过硅芯片的电信号进行复制以实现记忆移植，通过植入芯片可以帮助局部大脑受损、中风和老年痴呆症患者恢复记忆。此外Neuralink马斯克也称正在研究侵入式脑机接口技术帮助因患上老年痴呆等疾病而失去记忆的人找回记忆。目前用于记忆增强的脑机接口研究处于很初级的阶段，在技术、临床应用、伦理等方面都面临巨大挑战，未来还需要更多的实验探索。
03
脑机接口在医疗康复应用中面临的挑战
脑机接口不仅解决了传统医学治疗方式的缺陷，同时丰富了治疗手段和治疗思路，因此在康复医学中具有巨大的应用潜力
。然而需要看到，脑机接口康复应用目前还在起步阶段，距实用化、市场化仍有一段距离。脑机接口在康复医疗应用中主要面临的困难挑战有以下方面：
脑电采集信号质量差，易受外界影响。脑电信号的采集是脑机接口最为关键的一步，高质量的脑信号对于后续分析至关重要。然而受技术所限，目前研发出的电极能采集到的大脑表层信号十分有限，其精度和分辨率都较低。脑电信号采集很容易受到外界或自身因素的干扰，也会对脑机接口的性能造成影响。
脑科学基础理论认识不完备。大脑内包含了数百亿个神经元细胞，通过神经元之间的电生理活动形成了人的思维和意识。然而由于人脑思维和脑电信号较为复杂，如何将所采集到的脑电信号进行特征提取并进行相应的分类，是限制脑机接口走向实际应用的重要原因。
在不同群体患者普遍适用性不高，成本较高。不同患者的脑电信号差异大，现有脑机接口系统无法满足所有患者的需求，在使用前需对系统进行重新校准。为实现脑机接口系统在不同受试者之间的高效应用，需提高系统的自适应性。此外由于脑机接口技术尚处于发展早期，产品成本比较昂贵，导致许多消费者望而却步，限制了相关行业市场规模的扩大。
存在隐私与安全风险。脑机接口涉及大量个人隐私数据，黑客共计、意念控制、数据窃取等事件发生会到导致脑机接口应用存在隐私泄露风险。另外一方面，侵入式设备在植入人体的过程可能对人体的大脑组织造成创伤和感染，也会造成一定的安全风险。隐私与安全风险问题会造成相关应用不规范，需引起有关部门重视。
