动态脑电在康复中的实际应用

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1、动态脑电在康复中的实际应用一、概述脑电信号包含了大量的生理与病理信息， 通过对脑电信号的处理， 不仅可以为医生提供临床诊断的依据， 还可以为某些脑疾病提供有效的辅助治疗手段。 脑电是由大量脑神经细胞在高度相关的状态下的电活动在头皮上的总体效应。 脑电图是将人体脑组织生物电活动放大记录的一门技术， 由于它反映的是 “活” 的脑组织功能状态。 近年来国内外的研究表明脑电波作为一种安全、 无创伤的医学检测方法在许多脑神经和组织的疾病、 睡眠障碍、 精神心理疾病的诊断及康复治疗中有十分重要的应用价值。1.1 脑电图脑电是由大量脑神经细胞在高度相关的状态下的电活动在头皮上的总体效应。 脑电图是将人体脑组

2、织生物电活动放大记录的一门技术， 由于它反映的是 “活”的脑组织功能状态。 脑电图 (electroencephalogram,EEG) 的检查方法是在头部按一定部位放置 8 16 个电极， 经脑电图机将脑细胞固有的生物电活动放大并连续描记在纸上的图形。 正常情况下， 脑电图有一定的规律性， 但当脑部尤其是皮层有病变时， 规律性受到破坏， 波形即发生变化， 对其康复过程中脑电的波形进行分析， 可以辅助诊断脑部的恢复情况。 许多脑部病变可引起脑电波的异常， 如脑外伤、炎症、血管病、代谢性脑病等都有各种不同程度的异常。通过研究较重病例脑电图在缺血区呈现慢波功率的明显增高，且增高的范围比 CT显示的

3、要大，增高的范围和程度随缺血的程度而异， 进而证实了脑电图随着病情而变化， 并发现脑损害引起的变化主要以慢波的变化为主 1 。随着身体功能恢复，脑电图的异常情况也有改善。 通过对康复患者的脑电信号进行阶段性评价， 会发现患者的脑电波随其康复会有明显改善。 这些都说明脑电图对脑部疾病意外及其以后的康复评价都是非常重要的。动态脑电图则是长时间实时的记录病人的全部脑电活动。1.2 目前国内外脑电信号研究动态近年来，人们相继引入了时频分析法、高阶谱分析法、非线性分析法、人工神经网络 分析法等现代分析手段对脑电信号进行了更深一步的研究。研究的对象主要集中在以下的 几个方面： (1) 对癫痫脑电信号的研究

4、。 癫痫脑电的特征波形有棘波、尖波、棘慢综合波等，国 内外的研究者一般采用小波分析法、神经网络分析法对棘波、尖波进行自动检测与预测 2-4 。 (2) 对睡眠脑电信号的研究。睡眠是一种重要的生理现象， 在精神病学上， 睡眠分期是最重要的诊断方法之一，而脑电图是研究睡眠的一个非常重要的工具。 一些研究者通过分析睡眠脑电的谱分析、关联维、复杂度等来区别不同睡眠分期 5-7 。 (3) 对不同状态下的思维脑电信号进行分析。 早期的工作主要研究大脑在安静状态、 闭眼状态、 睁眼状态下的脑电特征。后来，随着研究的不断深入，人们开始研究大脑听音乐、心算、识别图形等高级思维脑电活动， 为人类研究大脑的认知功

5、能提供了新的有效手段 8-9 。(4) 对麻醉状态下的脑电信号进行分析。 通过分析不同麻醉深度的脑电信号节律，辅助完成对病人的手术及术后恢复的监护 10 。 (5) 对痴呆、精神异常、脑梗塞、脑损伤、抑郁症等其他脑部疾病的脑电信号进行分析 11-12 。总之，脑电信号分析已经渗透到与脑有关的各个领域，更好的认识大脑将为我们提供 更好的方法来保护大脑，脑电信号的研究将日益深入。二、动态脑电在康复中的应用2.1 在认知功能障碍康复中的应用人在不同的认知活动中， 大脑动力学运动特性不同， 认知电位也不同； 患有注意机能缺陷、弱智、老年性痴呆、精神分裂症、儿童多动症等认知功能缺陷的病人在认知活动时的认

6、知电位和正常人的有很显著的差别。 因此通过测得患者认知电位和正常的比较可以评判其认知功能。 目前常用来捕捉和分析与认知活动相关的脑电波主要有 40Hz脑电事件相关电位 (40Hz ERPs)、事件相关电位 (N100、N200、 N270、 N300、 N400)和认知电位 P300(Cognitive Evoked Potential P300)。目前人类脑计划正在向着全球发展， 世界许多国家已将脑的研究作为重点资助领域。 脑电信号被认为是大脑皮层活动的结果， 与大脑复杂的认知过程有关， 可在临床实践中作为大脑认知功能障碍的严重程度、 治疗康复效果、 疗效观察、 病人预后的客观评定指标。从众

7、多当前的研究可以看出 13-14 ，认知研究中广泛地采用了 EEG研究方法，一个重要的原因就是脑电 (EEG)检测是一种无创的、具有高时间分辨率的、侧重时间上的信息传递和处理的研究方法。 EEG包含了大脑皮层神经活动的信息，其中蕴含着包括思维、情感、精神以及心理等活动的丰富内容，深入研究 EEG对于了解认知和思维过程， 揭示大脑工作机理具有重要意义。 认知脑电的分析吸引了国际上许多学者， 主要是对不同导联、 不同心理作业的时间系列信号进行处理，利用不同认知状态下的能量分布特性来揭示大脑工作机理 15 。脑电图能够先于大脑结构和代谢出现异常之前识别出轻微脑功能的负向变化 16 。Sitms 等

8、17 的研究已证实，脑电的异常程度与认知功能障碍的程度相关。目前，对于安静状态下患者某一阶段脑电信号 的分析技术已被广泛应用于痴呆的临床评价与研究，并且已得出结论，认为具有认知功能损伤患者的 脑电活动在安静状态下低频活动增加，高频活动减少 18-19 。 VaD der Hiele 等 20 研究表明， 认知负载状态下， 脑电的变化较之安静状态下更能突显出认知功能障碍的严重程度。国内研究结果显示 21-22 ，康复综合治疗对于稳定并部分提高 AD、脑血管意外患者的认知功能。美国哈佛大学的学者认为：当大脑处于 a 波状态时，能促进灵感， 加快资料收集， 增强记忆， 这一状态又被称 为 “放松性警

9、觉状态” ，是理想的学习状态 23 。 大量脑 科学研究表明 24-26 ： a 波脑电与人的认知过程密切相 关，如何有效地通过外部刺激诱发 a 波脑电成为认知 科学研究的热点问题。a 波音乐对提高中学生记忆有积 极的影响 27 。2.2 在脑瘫患儿康复中的应用脑性瘫痪 （脑瘫） 是小儿神经系统常见的疾病， 主要表现 为运动功能障碍。重者可并癫 、智力低下、视力障碍、听力 障碍等。早期发现脑瘫及并发症，对全面判断预后康复有重要意义。 有研究表明 28 ， 智力低下及癫痫的脑瘫患儿 AEEG异常率较总异常率高，智能障碍越明显 AEEG异常率越高。 BAEP是由声刺激引起的神经活动在脑干听觉传导通

10、路 上的电活动，它能客观、敏感地反映中枢神经系统功能。 因此 BAEP检测不仅可反映脑干听觉功能的发育， 而且在一定 程度上可反映出整个脑干功能的发育状态 29 。 脑瘫类型不同， AEEG 与 BAEP 异常率不同， 有助于临床分型。 AEEG 与 BAEP 两者从不同的解剖径路发现脑瘫的并发症及判断预后，可为脑瘫的全面康复治疗提供指导。2.3 在想象动作中的应用想象动作可以引起脑电信号的特异性变化， 对肢体动作的想象可以引起动态脑电信号特征频段功率谱密度的改变， 这一现象称之为事件相关去同步化或事件相关同步化 (Event Related Desynchronization Synchro

11、nization ， ERD ERS)。手部想象动作主要在对侧的主运动感觉区的 mu 节律 (10Hz-12Hz) 与 beta 节律(20hz 24hz) 处引发 ERD现象， 即 mu节律与 beta 节律频段的功率谱密度在想象手部动作时降低， 部分受试者会引发同侧主运动感觉区的同频段功率谱密度上升的 ERS现象 30 。 ERD与 ERS既可以用作思维活动对刺激事件的有效响应标志，又可以在实时脑电处理中作为特 征参数定位响应发生的具体时刻，因此在目前基于动作或想象动作电位的脑计算机接口 (brain computer interface ， BCI)系统设计中往往使用 ERD与 ERS作

12、为关键性的触发参数 31 。近几年，基于无创 EEG信号的脑 - 机接口技术在运动信息解码的相关研究中取得了突破性进展。 2008 年， Hammon和 Makeig 等人通过提取无创 EEG信号中的有 效特征，在手够及物品的实验过程中成功预测了手的运动方向 32 。 Waldert和 Preissl 等人基于运动 EEG和 MEG信号研究了相关的解码方法， 通过分析比较不同特征的目标识别结果，证实了手的运动方向信息可以从相关的 EEG和 MEG信号中提取得到 33 。 2009 年， Bradberry 和 Gentili 等人进行了基于无创 EEG信号重建三维空间运动轨迹的研究， 根据采集

13、到的 EEG信号和真实运动轨迹， 建立 EEG信号和手运动轨迹和速度的解码模型， 初步得出运动 EEG信号可以解码手的运动学参数等信息的结论 34 。 2010 年， H Yuan和 B He等人研究了手握拳速度与实际 EEG 信号之间的关系，并且分析比较了想象运动和真实运动诱发的 EEG信号的差异 35 。因此，从众多的研究结果中可以得到，通过无创 EEG信号解码运动信息是可行的。2.4 脑 - 机接口技术中的应用脑机接口是一种不依赖大脑外周神经与肌肉正常输出通道的控制系统， 通过采集和分析人脑生物电信号， 在人脑与计算机或其他电子设备间建立起直接交流和控制的通道， 这样人就可以直接通过大脑

14、来表达意愿或操纵设备， 而不需要语言或肢体的动作 36-37 。研究和发展脑机接口技术可以帮助肌肉萎缩、脊髓损伤等神经肌肉方面的患者以及交流障碍者有效地完成对外界交流和控制 38 。从脑电极记录到的电位是对脑部大量神经元活动的反应， 低至微伏级， 这种电活动的电位随时间的波动称为脑电波 (EEG) 。 EEG反应了大脑组织的电活动及大脑的功能状态，脑的复杂活动反应在头皮上的电位活动就是 EEG轨迹 39 。所以理论上， 人的意图通过脑电应该可以被探测识别出来。 BCI 的前驱曾经指出 “在理论上 , 脑的感觉、运动及认知意识在自发 EEG中应该是可辨识的” ，因此 EEG成为 BCI 研究的首

15、选工具。脑机接口技术是通过信号采集设备从大脑皮层采集脑电信号经过放大、 滤波、A/D 转换等处理转换为可以被计算机识别的信号，然后对信号进行预处理，提取特征信号， 再利用这些特征进行模式识别， 最后转化为控制外部设备的具体指令，实现对外部设备的控制。脑 - 机接口技术是利用虚拟现实康复训练平台，由患者在想象运动时的脑电信号作为虚拟人运动的控制信号， 从而把想象运动与运动功能恢复训练结合在一起 40 。脑 - 机接口技术为高位截瘫的患者提供了一个非常好的解决方案，即运用脑 - 机接口技术控制实施电刺激。它通过收集到的脑电现象分析后直接实施刺激肌肉， 达到站立行走的目的， 实现患者在功能上恢复的初

16、衷。在医学领域，脑机接口机器人可以帮助肢体障碍患者提高他们的生活质量，如：（ 1）与周围环境进行交流： BCI 机器人可以帮助残疾人使用电脑、拨打电话等；（ 2）控制周围环境： BCI 机器人可以帮助残疾人或老年人控制轮椅、家庭电器开关等； （ 3）运动康复： BCI 康复机器人可以帮助残疾人或失去运动能力的老年人进行主动康复训练， BCI 护理机器人可以从事基本护理工作，提高残疾人或老年人的生活质量。2.5 在脑电生物反馈治疗中的应用动态脑电在康复领域还可用于脑电生物反馈治疗， 大脑活动时会不断地产生一些微弱的电信号， 脑电反馈仪就是将个体觉察不到的脑电活动转换成直观的信号， 并让被试者理解这些信号的意义。 在被试者体验到这些直观信号与各种心理状态之间的关系后，学习按要求改变这些信号实际上就是随意控制脑电活动。常用 波和 波作为反馈信息，用声和光等反馈号指示 波的出现，用以治疗癫痫发作、抑郁症，以及运动员松