基于EEG-FES的康复训练系统搭建方案
1. 引言
1.1 编写目的
本文档主要用于EEG-FES康复训练系统搭建和功能性说明，以便为后续的实验设计打下坚实的基础。
本文档的预期读者是与EEG-FES康复训练系统开发有关的决策人，项目承担者，技术开发人员，辅助开发者，软件验证者。
1.2 背景
人体活动细胞或组织不论在静止状态还是活动状态，都会产生与生命状态密切相关的、有规律的电现象，称为生物电。通过高精度微弱生物电信号采集技术，可以采集到人体的各类电生理信号，包括脑电、肌电、心电等，并对得到的数据进行分析、存储。其中脑电（electroencephalogram，EEG）是所有生物电信号中最为微弱，采集难度最高的信号，包含了大量脑神经细胞的电生理活动信息，可以体现人的思维活动和肢体动作等信息。科研领域所说的一般是指头皮脑电，是大脑皮层的电信号透过颅骨和头皮，弥散到头皮的电信号，因此信号强度微弱，且噪声干扰大。
人体的神经及肌肉组织，都是具有被刺激而兴奋的组织，可以传导电流。因此如果将适当的电流通过体表传达到神经或者肌肉组织上，使神经细胞或肌肉细胞因电刺激而产生兴奋作用，并继续向下传导，到达运动终端，引起一系列的反应，最终能引起肌肉的有效收缩。简而言之，利用电刺激的方式诱发瘫痪肌群产生收缩，形成有效动作，从而达到恢复肌肉功能的目的。
功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）是应用低频脉冲电流，按需编定程序，以一定强度输给人体，刺激感觉和运动神经及肌肉使产生的即时效应来替代或矫正器官和肢体已经丧失的功能，实现被刺激肌肉或肌群功能的改善或恢复。目前FES的研究应用已涉及科研和临床的各个领域，如：脑机接口用于恢复受试者的运动功能；心脏起搏器用于心律失常和病态窦房结综合征；膈肌起搏器用于救治呼吸中枢麻痹、调整呼吸；人工耳蜗可使聋者恢复听力等。其中以应用于神经肌肉系统的功能性电刺激为主要内容，多用于上运动神经元损伤引起的肢体功能障碍。由于患者下运动神经元的结构完整性，有了功能重建的可能。在刺激神经肌肉的同时，也刺激传导神经，经过不断重复刺激及信息反馈，传入中枢神经系统，在皮层形成兴奋痕迹，从而对瘫痪肢体的步态、姿势和改善运动的随意控制等方面产生持续性影响，逐渐恢复原有的运动功能。功能电刺激对大脑和小脑控制运动功能均有一定的影响。
基于EEG的脑机接口技术（brain-computer interface，BCI）可以实现人的大脑与外部设备之间建立通讯和控制。利用EEG-BCI技术控制功能性电刺激是一种新型的康复方法，能产生持久的神经功能改善，引起了诸多研究者的关注。该系统的基本原理是脑机接口作为控制源，解析人的意图；功能性电刺激技术作为驱动源，刺激肌肉使肢体产生运动。综合分析功能性电刺激对脑机接口的技术需求，最理想的方案是能够用基于运动想象（MI）的范式进行控制，这才是真正意义上的独立式脑机接口技术，即利用人的自主思维意图实现控制。结合EEG与FES的康复系统在临床康复和科研领域有着很好的应用前景。
1.3 EEG-FES康复系统的应用领域
基于EEG-FES的康复系统主要包括以下应用：
1. 临床康复训练，如治疗脑卒中患者的步态异常、瘫痪病人的运动功能改善等；
2. 脑-机接口研究，MI-BCI结合FES提供视触觉反馈训练可显著强化脑电生理响应。
图 1 基于运动想象的BCI-FES下肢康复系统
2. 系统概述
脑电是研究大脑神经功能的经典技术，结合脑电和功能性电刺激一直都是MI-BCI系统的常用手段，近年来基于MI-BCI的研究已经积累的大量的经验。结合FES和MI-BCI可搭建真正意义上的独立式脑机接口技术，可应用于研究脑机接口算法和临床上的运动康复等领域。本方案将主要介绍基于EEG-FES的康复系统搭建方法及意义。
2.1. 基于EEG-FES康复系统搭建
脑-机接口是通过采集并分析脑电等生物电生理信号，得到人的主观意图，并将其转化为外部设备的控制信号，在人脑与外部设备之间建立直接的连接通路。脑-机接口系统一般应用于脑-机交互和康复工程等领域，利用脑-机接口操控军事设备也是近年来各国军方的热门研究课题之一。其精确控制需要几个方面的条件：系统功能和技术参数达到一定标准；在自然环境下采集的信号质量较高；具备稳定高效的实时在线系统等。
在过去的几十年中，FES技术在医疗领域已被应用于许多不同的领域。如脊髓损伤后膀胱功能的恢复，睡眠呼吸暂停或中风导致的呼吸和吞咽障碍的治疗，瘫痪患者的运动功能改善，以及广为人知的心脏起搏器等。但FES最适用于具有完整的神经传导通路的人体，即由中枢神经系统（脑和脊髓）损伤引起的肌肉功能障碍，可用来促进损伤周围神经再生和防治失神经骨骼肌萎缩。本方案结合FES和EEG系统，主要介绍EEG-fNIRS同步系统的搭建方法，应用领域和意义。
2.2. EEG-FES康复系统应用实例：脑-机接口结合功能性电刺激可持久地恢复中风病人的上肢运动功能
脑-机接口（BCI）可以应用于中风康复，将脑信号转化为瘫痪肢体的预期动作。但是目前脑机接口治疗的效能和机理尚不清楚，对此，瑞士洛桑理工学院神经义肢中心和生物工程研究所的研究人员发现，与脑机接口耦合的功能电刺激组（functional electrical stimulation, FES）相较于伪功能电刺激组（sham FES）能够显著地更加有效、持续地恢复慢性中风患者的运动功能，在干预结束后维持了6-12个月。并且这种恢复是与功能神经可塑性的定量指标相关联的。
研究人员筛选出27位受试者，筛选标准是首次中风导致大脑慢性损伤以及中重度的行为障碍，并随机分配到脑机接口组和安慰剂组（BCI–FES = 14; sham-FES = 13）。所有的被试都接受常规上肢物理治疗，以此来排除上肢长期不使用和萎缩的潜在影响。四位最初被招募进脑机接口组的被试，通过分析其大脑运动控制信号（例如检测命令的分布和发送大脑指令的时间），用于模拟安慰剂组的大脑控制，并平衡了两组的重要协变量（如，年龄，中风时间，受影响的半球，病灶类型，位置以及每组人数），实验采取双盲实验方法。
实验分为校正阶段和干预治疗阶段。27名被试在实验开始之前都要经过校正部分。随机要求被试伸展瘫痪的手（手指和手腕）或者放松，每个试次（运动意图或者静息）以3秒钟的准备提示开始（屏幕中央呈现十字架），随后是1秒的开始提示，表明任务类型，是伸展还是放松手部，随后是4秒的任务时间（运动意图还是静息），最后是2秒的结束提示。试次间的间隔时间为3-4.5秒，校正部分有3组实验，每个组15个试次。全程记录16导脑电，校正部分是为了得到每位被试个性化的脑机接口分类器，从而能够在实验中识别出每一位被试特定的对应于想要伸展手部还是放松的脑活动。
图 2 受试者的基本信息和得分
两组被试每周接受2次干预治疗，共持续5周，即一共十次治疗，每次持续约60分钟，期间，被试完成3-8组实验，每组有15次伸展手部的运动意图，实验设计与校正阶段类似，唯一的不同是任务时间（任务时间是7秒）。治疗阶段与校正阶段使用同样的16导脑电系统。
首先两组受试的基本情况和临床特征没有显著性的差别，见图2a。在经过干预治疗之后，脑机接口组在FMA-UE得分（评估上肢功能）上显示出明显的提高（6.6±5.6分），并可维持到治疗结束之后的6-12个月。对照组也存在提高（2.1±3.0分），但是未达到临床意义（>5分）(图2b)。脑机接口组在MRC量表（评估肌肉强度）也显示出显著的提高，而对照组未发现类似的提高(图2c)。两组被试在改良MAS量表（测量痉挛状态）和欧洲卒中量表ESS（测量整体运动和认知状态）上干预前后均未发现显著不同(图2d,e)。
静息态的功能连接分析发现，脑机接口组被试干预治疗后在μ频段（10-12Hz）受损半球内的EEG功能连接显著增加，并且功能连接的增强与上肢运动功能恢复呈显著正相关，如图3所示。
图 3 受损半球在静息态中的EEG功能连接
如图3，脑机接口组（N=14，红色）相较于对照组（N=13，蓝色），在μ（10-12Hz）和β（18-24Hz）频段EEG有效连接显著增加。图3a和b表明了受伤感觉运动皮层内的EEG有效连接发生改变（电极C5，C3，C1）；图3c和d表明了从受伤的中部C电极到前中部FC电极的EEG有效连接发生改变。图3e和f表明受伤的感觉运动皮层在干预前后的有效连接的改变 与干预前后的FMA得分的改变，并用最小二乘法来拟合两组数据（N=24，黑线），在μ和β频段均发现显著相关。
图 4 BCI的特征和表现
图4是针对BCI-FES组的所有被试评估的在BCI系统训练过程中的特征和表现。图4a通过电极位置（受伤半球在左边）和频率分布选择用于闭环控制的判别性的EEG特征。图4b左图是校正阶段的平均离线单试次表现估计：真阳性率（TRP），假阳性率（FPR）和未决定（ND）。中图是在每个阶段的平均在线单试次分类正确率。右图是在每个阶段，脑-机接口检测一个运动意愿的平均时间。
最后分析两组被试的功能电刺激的准确率以及其与功能恢复、连接强度的相关性。如图5所示，脑机接口组被试相较于对照组呈现较高的正确率，并且该正确率与功能恢复的大小和EEG连接强度的改变均呈现正相关。
图 5 最后功率谱密度样本分类和功能电刺激间的准确性
综上所述，脑机接口组被试在为期5周的干预治疗后呈现出显著的功能恢复，并可在治疗结束维持6-12个月，脑电分析发现脑机接口组被试在治疗前后的主要区别是受损半球运动区域之间的功能连接增强。并且这样功能连接的增强与运动功能的恢复显著相关。因此说明与脑机接口耦合的功能电刺激治疗可以持续激活身体传入传出通路，从而驱动显著的功能恢复和靶通路可塑性的发生。
3.1.便携式脑电采集系统
我们通过直流耦合式模拟前端对脑电放大器进行了小型化设计，并减少了模拟滤波和放大环节，实现了脑电放大器的小型化，增加了电磁屏蔽的功能。便携式脑电采集放大器在静息状态和非屏蔽室环境下表现出了良好的共放大、信噪比特性和稳定性，在抗干扰方面，与电路性能相对占优势的台式脑电采集设备相比，本项目研发的便携式脑电放大器更适合在自然状态下使用。
该脑电采集系统的参数如下：
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64导 |
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最高采样率 |
16kHz |
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共模抑制比 |
≥120dB |
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模数转换精度 |
24bit |
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系统噪声 |
＜0.4µVrms |
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输入信号范围 |
±375mVpp |
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事件同步输入 |
同步，时间精度＜1ms |
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体积 |
85*55*22mm |
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重量 |
84g |
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供电方式 |
内部锂电池 |
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供电时长 |
单块电池达到4小时，可通过多块备用电池增加连续工作时间 |
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图 6 64通道脑电采集系统
该放大器具有以下特点：
(1) 便携可穿戴系统设计：该放大器为便携式设备，采用64通道的无线同步数据采集，可实现自然环境下实现的自由移动；配置有九轴运动传感器，可去除被试在移动过程中信号的干扰。
(2) 高质量脑电信号采集：设备具有低输入噪声和高采样率，动态范围广，电磁屏蔽性好，可实现在复杂环境下的数据采集。
(3) 精准事件同步：可实现多设备间数据高精度同步，以及刺激设备和采集设备高精度同步。
3.2.功能性电刺激系统
本系统我们以博睿康公司的Mustim FES系统为例。该系统的脉冲形式采用双相矩形脉冲，输出恒定电流为每通道1-100mA，可通过手动开关控制，具有二次开发功能。可应用于脑-机接口研究和临床康复等领域。
图 7 Mustim FES功能性电刺激
3.3.脑电采集软件
脑电采集软件可实现无线放大器采集的脑电信号的同步信号的显示、分析、存储、离线回放等功能。软件可以进行离线阻抗测量，以及在信号采集过程中的实时阻抗监测。电生理信号的一系列特征参数可以通过软件进行实时观测与分析。相关数据可以通过数据接口进行实时传输，供其他软件进行数据整合与分析。
图 8 脑电采集软件界面
3.4. 多参数同步器
多参数同步器是无线数字脑电采集系统的重要组成部件，也可与其他类型的放大器配合使用。在本方案中，多参数同步器可以保证无线脑电放大器和FES设备的同步，同步精度<1ms。
图 9 多参数同步器
3.5.脑-机接口在线系统
脑-机接口的在线系统采用运动想象（MI）范式。MI-FES是脑-机接口技术应用于临床康复训练的经典范式，脑机接口作为控制源，解析人的意图；功能性电刺激技术作为驱动源，刺激肌肉使肢体产生运动。综合分析功能性电刺激对脑机接口的技术需求，基于MI的脑-机接口系统才是真正意义上的脑-机交互系统，即利用人的自主思维意图控制肢体的运动。
图 10 脑机接口在线系统结构
3.6.系统工作流程
EEG-FES系统的工作方式如下：
1. 受试者正式进入实验阶段，受试者根据屏幕给出的指令进行想象动作。脑-机接口在线系统识别脑电信号从而输出指令，输出指令的同时向EEG设备中打标。
2. 脑-机接口在线系统输出指令的同时，计算机触发FES设备开始进行电刺激。
3.7.关键技术和解决途径
无线脑电采集
生物电信号，尤其是脑电等微弱生物电信号，由于其幅值微弱，淹没在周围各类电磁干扰信号中，因此对信号采集前端的精度与抗噪声能力要求很高。为满足高精度弱信号采集的要求，系统采用低增益放大结合完全数字滤波的无损宽频直流耦合技术。较传统方案相比，该技术能够实现对宽频带信号的高精度采集，同时对放大器的电磁屏蔽性做了改进，保证了脑电数据采集的平稳。
在线系统信息传输率
为实现EEG-FES康复系统达到预期效果，关键点在于在线系统信号识别的正确率和速度。博睿康公司自主开发的MI在线系统可以快速精准的识别脑电信号，识别的正确率>90%。
3.8.系统特点总结
本项目所采用的EEG-FES同步系统具有以下特点：
（1）本系统研发的无线脑电放大器具有便携可穿戴的特点，同时具有高信号质量和电磁屏蔽性好的特点，可以在自然环境下使用并且信号不受环境影响；
（2）自主研发的EEG系统和FES设备在保证数据质量和在线系统准确率的情况下，系统的搭建成本大大降低。
