隨著腦機接口（BCI）技術的發展及其在醫學臨床的轉化應用，BCI醫學應運而生，必將會影響醫學實踐并產生深刻變革，也伴隨帶來一系列BCI醫學倫理問題。BCI醫學已逐漸成為一個新興的學科方向，然而迄今為止，少有文獻論述BCI醫學。為此，本文聚焦BCI醫學，首先概述了BCI技術主要的潛在醫學應用，然后闡述了BCI醫學的定義、目標、方法、潛在功效及相關轉化醫學研究，還討論了BCI醫學相關倫理，并介紹了BCI醫學應用標準化操作流程和功效評價方法，最后展望了BCI醫學面臨的挑戰及未來發展方向。未來，BCI醫學或可成為高等教育的新興學科專業。綜上，期望本文為BCI醫學學科的發展提供思考和借鑒。
引用本文： 陳衍肖, 張喆, 王帆, 丁鵬, 趙磊, 伏云發. 一個新興學科：腦機接口醫學. 生物醫學工程學雜志, 2024, 41(4): 641-649. doi: 10.7507/1001-5515.202310028 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《生物醫學工程學雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
0 引言
當前，腦機接口（brain-computer interface，BCI）作為一項前沿技術，其目標之一是在醫學領域能獲得廣泛應用，如治療中樞神經系統疾病或障礙并促進其預后康復[1-5]。隨著其在臨床研究和應用的不斷發展，BCI醫學應運而生，正逐漸成為一個新興的學科方向[1]。然而，迄今為止，少有文獻對BCI醫學展開論述。為此，本文旨在深入探討BCI醫學的核心內容，從其概念、潛在應用及功效進行闡述，同時討論了其倫理問題、標準化操作流程及功效評價方法，以期為BCI醫學的未來發展提供理論基礎。在論述這些關鍵問題的基礎上，本文進一步指出了BCI醫學面臨的挑戰及其未來發展方向。
隨著BCI技術的不斷發展和成熟，BCI醫學有望在未來的高等教育體系中成為一門新興的專業，為醫學領域帶來深刻的變革。本文通過審視BCI醫學的現狀和前景，旨在為該學科的學術研究、臨床應用、教育以及未來發展提供有價值的參考。
1 BCI潛在醫學應用
目前，已有許多BCI臨床研究顯示，該技術具有潛在的醫學應用價值[1]。從醫學臨床和神經醫學的視角出發，BCI技術是通過捕捉中樞神經系統產生的腦信號，并從中提取特征信息，將這些信息轉換為感覺反饋的技術方法。這種方法為患者提供一個雙向閉環調節系統，是一種主動的康復訓練方式[6]。感覺反饋的方法多樣，包括非具身化的神經反饋，如利用BCI控制的屏幕光標移動以完成特定目標任務；還包括具身化的神經反饋，如虛擬現實或增強現實、觸覺反饋、康復機器人以及神經肌肉電刺激等技術。這些基于BCI的訓練項目通過利用自上而下和自下而上的注意力控制和獎賞機制，促進有益的神經可塑性變化，如腦的功能和結構的可塑性，目的是恢復或增強受損的神經功能[1]。
隨著現代神經科學和機器學習技術（如深度學習）的進步，BCI技術正逐漸提高其解析大腦信號的準確度，能夠更精確地識別患者的意圖及腦狀態。這種技術可實現大腦與外部設備的直接交流與控制，如用于精確控制假肢、恢復語言能力和改善認知功能等。此外，BCI技術能夠根據每位患者特定的神經活動模式，提供個性化的治療方案，從而有效提升治療和康復的功效。
隨著BCI技術的發展及其在臨床試驗中的研究不斷深入，BCI技術在醫學領域的潛在應用范圍不斷擴大。這些應用主要包括中風康復、肌萎縮側索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）治療、腦外傷治療、脊髓損傷康復、閉鎖綜合征患者交流、機器人和假肢控制、神經康復訓練、大腦可塑性促進和注意力控制、重度腦損傷患者意識評估與交流、運動障礙的智能神經調節等。此外，還包括雙向BCI技術用于神經刺激、BCI與虛擬現實交互融合用于神經康復，以及BCI與功能性電刺激（functional electrical stimulation，FES）結合用于運動恢復等[1]。
BCI技術在醫學領域展現出重要的應用潛力，特別是在康復和輔助技術、神經修復、神經增強以及醫學診斷和治療方面。例如：① 康復和輔助技術，通過腦信號控制假肢、輪椅和通信系統等，有望提升殘障人士的生活質量和自主性。這些成果雖然提供了新的交流方式并增強了身體功能，但其高昂的成本和對用戶長期訓練的需求限制了其普及程度。② 神經修復領域，如深部腦刺激和功能性電刺激，為脊髓損傷修復等提供了新的手段；雖然相關植入手術存在一定風險，且長期效果具有不確定性，但仍值得進一步深入研究。③ 神經增強技術，探索了通過腦部刺激提升認知功能和情緒調節的可能性，開辟了增強人類潛能的新途徑。然而，這一領域的研究不僅面臨技術挑戰，還涉及倫理問題。④ 在醫學診斷和治療方面，BCI技術通過實時監測腦狀態，為癲癇和抑郁癥等疾病的診斷與治療提供了新的希望，盡管這些應用要求精確的腦區定位，并且對長期效果和潛在副作用的研究還不足夠。例如，Willett等[3]研發了一種皮層內BCI，該系統采用遞歸神經網絡嘗試解碼手部動作，將運動皮層的神經活動實時翻譯成文本，使得因脊髓損傷而手部癱瘓多年的患者打字速度達到了每分鐘90個字符。在另一項研究中，Willett等[4]研發的BCI系統利用皮層內微電極陣列記錄神經尖峰活動，將試圖發聲的動作解碼成文本，使因肌萎縮性脊髓側索硬化癥而無法說話的患者嘗試發聲的解碼速度從每分鐘62個單詞提升到接近自然對話的速度（每分鐘160個單詞）。Metzger等[5]則是在患有嚴重肢體和聲帶癱瘓的患者嘗試無聲說出句子期間，采用高密度電極記錄言語皮層腦電（electrocorticogram，ECoG）信號，借助深度學習模型，構建了高性能實時多模式言語（文本、言語音頻和面部頭像動畫）解碼的神經假體，為患者提供了恢復交流能力的希望。
2 BCI醫學
2.1 BCI醫學定義
BCI醫學是一門將BCI技術應用于醫學，以更好地實現醫學目標的學科。BCI醫學的科學根基在于運用BCI的原理與方法[7]不斷完善臨床實踐，以預防、診斷、治療并促進某些腦部相關疾病的康復，正如前文所提到的，BCI醫學的發展為許多疾病的治療和康復訓練提供了新的希望。盡管上述構想目前仍處于初級階段，但值得進一步深入開展研究和臨床驗證[1]。
BCI醫學研究及應用涉及多學科的交叉融合，包括臨床醫學、神經科學、認知科學、心理學、生物醫學工程、神經與康復工程、生物材料學、生物學與生物化學、人工智能、計算機科學、電子工程、智能機器人控制、模式識別與現代信號處理等多個學科。例如，BCI研究需要深入探索神經元的活動和神經網絡的功能，即需要以神經科學作為其基礎；BCI系統與生物體的相互作用及由此產生的生物化學過程，對于開發更有效的BCI尤為重要，需要生物學與生物化學以及生物材料學的支持；而心理學有助于設計用戶友好的BCI范式以及評估BCI對人類認知和行為的影響；此外，BCI涉及大量的數據處理和算法開發，其中計算機科學與人工智能發揮著至關重要的作用；同時，BCI醫學還需要考慮生物倫理學、醫學倫理和臨床醫學等方面的問題，以確保研究和應用過程的安全性和倫理合規性。
BCI醫學的主要研究內容或方向包括：① 對BCI技術的不斷變革或優化。這包括開發以患者為中心的友好BCI范式和神經編碼模型、患者可接受的或滿意的腦信號采集方法、高效的神經解碼算法及優化的神經反饋方法等。② 推進BCI在預防、診斷、治療和康復等醫學目標的轉化研究及實際應用。例如，利用BCI監測大腦狀態、治療神經精神疾病、恢復運動功能，以及進行BCI醫學倫理的研究等。
2.2 BCI醫學目標
BCI醫學的目標在于運用BCI技術應對傳統醫療方法難以克服的醫學挑戰，以此進一步提高患者的生活質量。它致力于實現醫學目標，更有效地預防、治療和康復與中樞神經系統相關的疾病。
2.2.1 BCI有助于實現現代醫學目標
盡管BCI技術的功能并不是無限強大，且無法滿足現代醫學的所有目標，但人們期望BCI技術能夠在現代醫學中最大限度地發揮其作用，為特定目標提供服務。
（1）BCI在預防疾病與損傷、促進及維持健康方面具有潛在的重要作用。預防疾病與促進健康是醫學的核心價值觀。BCI技術有望作為預防疾病和損傷的一種手段，例如：基于BCI的自我健康監測和可穿戴神經技術在醫學預防領域具有巨大的發展潛力[1]；還可將BCI技術應用于癲癇發作的預測和預防[8]；利用BCI設備結合物聯網可實現實時監測和預防中風[9]；以及聯合近紅外光譜技術的BCI可用于改善中風[10]。
（2）BCI在緩解疾病引起的疼痛和減輕患者痛苦方面展現出潛在的作用。醫學的一個重要目標是安撫焦慮。疾病導致的疼痛不僅引發生理上的變化，也常伴隨著心理上的折磨和壓力。一些BCI技術本身無法直接治愈疾病或修復身體損傷，它們的主要目標是幫助解決殘疾相關問題[1]，比如幫助患者和殘障人士恢復或實現人體基本功能，從而有助于減輕由疾病或傷害引起的疼痛或殘疾。舉例來說，結合運動想象和虛擬現實技術的BCI，可用于降低脊髓損傷患者的疼痛[11]；通過BCI系統觸發的經皮神經電刺激和虛擬現實的多感官干預，有助于緩解神經性疼痛[12]；使用便攜式BCI進行神經反饋訓練，可降低脊髓損傷患者的中樞神經性疼痛[13]。
（3）BCI在疾病治療和患者護理方面展現出一定的潛在價值，特別是對于那些無法治愈患者的照料，其優勢較大。現代醫學的治愈功能包括治療和照料護理兩方面。BCI技術不僅對特定疾病提供治療可能，同時也能在照料護理中發揮作用[1]。目前，BCI在治療方面的潛力仍在探索之中，但其在修復損傷方面的目標是明確的，特別是作為促進神經可塑性的技術手段，相關研究已用于中風或脊髓損傷的恢復過程[14]。
診斷疾病或損傷既是傳統醫學的目標，也是現代醫學的目標，準確的診斷是精準治療和有效康復的前提。BCI技術可用于自我健康監測，為診斷疾病或損傷提供了一種新方法[1]。該方法可在線實時收集與神經或精神相關的大腦活動信息，這些信息可能有助于識別亞臨床疾病狀態或疾病的易感性。例如，通過BCI收集的P300模式、穩態視覺誘發電位（steady state visual evoked potential，SSVEP）模式和感覺運動節律特征，不僅可以用于通信和控制，也可以用于相關疾病的診斷。
（4）BCI在防止過早死亡及支持臨終關懷方面具有潛在價值。具有交流功效的BCI可允許患者更廣泛地行使自主權，如允許肌萎縮側索硬化癥患者在疾病過程中表達他們對于進一步治療的偏好。當一切治療手段都失敗時，適當停用或調節BCI技術系統，為患者提供一個尊嚴且平和的離世過程[1]。
2.2.2 BCI用于醫學的補充目標
除了可能幫助實現上述醫學目標外，BCI技術在醫學應用中還有其他一些需考慮的重要目標。Klein[15]提出在醫學目標的框架下思考BCI醫學實踐，并提出了4個補充目標，涉及神經多樣性、神經隱私、真實意圖表達和代理權的行使等方面。此外，還需考慮到患者如果采用植入式BCI獲益時存在的安全性問題。總之，隨著BCI在臨床應用研究的發展，未來BCI的應用領域還可能進一步拓展。
（1）BCI技術系統應確保患者真正能從植入式BCI獲益。雖然無創BCI具有較好的安全性，但由于其采集腦活動的傳感器與大腦皮層之間存在一定的距離，導致空間分辨率和信噪比較低，因而可能限制了其在某些疾病治療中的有效性。相比之下，植入式有創BCI由于傳感器位置更接近或直接植入大腦皮層，擁有較高的空間分辨率和信噪比，可能在治療某些疾病方面表現更佳。然而，植入式BCI給患者帶來的安全風險不容忽視，必須采取措施降低這些風險，確保患者真正受益。這包括對植入設備和手術過程的嚴格評估和控制、定期的設備檢查和維護以確保設備正常運行，以及為患者和相關護理人員提供植入式BCI技術的適當培訓。
（2）BCI技術系統應充分考慮患者個體之間的神經多樣性和個體內部的神經變異性。不同患者的神經結構、神經功能或神經活動狀態不完全相同，因此BCI技術系統應適應患者個體之間的這種神經多樣性[16]，并為患者提供個性化的BCI治療[17]。同時，考慮到同一患者的神經活動會隨著時間而變化，BCI技術系統還應適應個體內部的神經變異性，根據患者的大腦動態活動模式實時調整和優化分類模型的參數。
（3）BCI技術系統應保護患者的神經隱私。人類個體的中樞神經信息可能隱含了個人隱私，BCI技術系統在收集這些神經信息后，有可能分析或識別出這些隱私信息[16]。為保護患者隱私，關鍵是確保患者在使用BCI前的知情同意權，讓患者明白哪些數據將被收集以及這些數據的用途。在使用BCI及其數據存儲過程中，應通過匿名化處理減少個人身份信息的暴露，從而降低隱私風險。此外，還有必要采用安全的加密技術保護患者的神經隱私信息，確保在未授權的情況下，數據在存儲、傳輸和處理過程中不被訪問。最后，若BCI數據不再需要，應當將其銷毀。
（4）BCI技術系統應協助患者在日常生活中可以自主做出真實的選擇。對于那些無法使用傳統交流方式（例如：肢體運動或語言等）與外部世界溝通的患者（如：閉鎖綜合征患者或意識障礙患者等），BCI系統可以協助這類患者實現與外部世界的交流[1]，從而做出真實的選擇。例如，患者可以通過BCI系統表達他們的需求、意愿和情緒狀態等，使護理人員或家人更準確地理解他們的需求。然而，人們也擔心使用BCI設備可能會使自己變為“電子人”狀態，即人體器官與穿戴的機械電子裝置融為一體，使得人機界限模糊，導致自我認同感降低[16]。
（5）BCI技術系統應幫助患者行使和分享代理權。BCI技術涉及的代理權問題包括使用BCI的患者是否對BCI系統有充分的控制權，即保障患者的自主性，以及是否能夠認識到是自己發出的指令控制BCI完成某個任務，即需確保患者的自主意識。為了增強患者在使用BCI時的代理感，可邀請他們參與BCI設計過程；BCI系統應為患者提供自主訓練，以增加患者對BCI的操控感；BCI系統應提供直觀和易于使用的用戶界面和及時的反饋通路，讓患者了解其發出的指令如何傳遞給外部設備以及是否被準確地執行；同時，保持數據透明性，允許患者訪問設備控制日志，從而增加其對該技術的信任。
2.3 BCI醫學方法
BCI醫學方法利用BCI技術實現人腦與外部設備之間的直接互動，使得人類的腦活動可以被調整或捕獲、識別，并轉換成有助于疾病預防、臨床診斷、治療及康復的有價值信息和有效操作指令。
BCI醫學方法包括BCI技術的逐步變革，如傳統的BCI范式和神經編碼方法變革、腦信號采集傳感技術的變革等[2]，還包括BCI轉化醫學方法和BCI醫學倫理規范的興起。鑒于傳統BCI范式（如運動想象、P300和SSVEP等）的醫學應用可能有限，需要對現有范式進行更具應用前景的創新或變革，如視覺想象和言語想象等。在創新范式的基礎上，提出能高效解碼的神經編碼方法或模型顯得尤為關鍵。同時，現有腦信號采集傳感技術的安全性、舒適性、美觀性、易用性和總體滿意度需要較大幅度提高，采集腦信號的質量（如空間分辨率、時間分辨率以及信噪比等）也需要有較大的提升。這些創新或變革性的BCI醫學方法將有助于提高BCI在醫學臨床的可用性和實用性。
2.4 BCI醫學潛在功效
BCI醫學的潛在功效包括但不限于以下7個方面，隨著該領域的進一步發展，可能還會有新的功效出現。對于這些潛在功效的評價方法，詳見3.2.2小節。
（1）BCI具有預防某些疾病的潛在功效。BCI可用于實時監測和評估個體的腦狀態，有望提前發現潛在的腦功能異常模式，從而可能有助于預防一些疾病的發生。例如，在一些神經退行性疾病（如阿爾茨海默癥）的早期階段，患者可能存在一些亞臨床的腦信號變化。通過BCI技術對大腦的監測和分析，或許可以提前識別這些病理特征，從而有助于提前干預。此外，BCI還可用于監測個體的情緒狀態，有助于調節情緒或預防精神健康障礙。
（2）BCI具有診斷某些疾病的潛在功效。BCI能夠為醫生提供更準確的腦部信息，成為疾病診斷的有力輔助工具。例如，通過捕捉和記錄一些腦部疾病（如癲癇和意識障礙等）患者的腦信號，BCI可以幫助醫生確定病變的位置、范圍以及對腦功能的影響，進而促使醫生做出更準確的診斷。
（3）BCI具有治療某些疾病的潛在功效。基于BCI的神經反饋技術能夠捕捉患者的腦活動信號，并通過轉化為視覺、聽覺等形式反饋，使患者可以通過訓練來調節自身的腦活動，從而實現治療的效果。例如，一些精神障礙和神經障礙可能與腦功能信號的異常模式有關。通過神經反饋訓練，患者可以學會自我調節腦信號，以減輕癥狀[18]。此外，基于BCI的神經調控技術，如經顱交流/直流電刺激、經顱磁刺激、經顱超聲刺激和深部腦刺激等，均已應用于神經精神障礙的治療中。
（4）BCI具有輔助某些疾病康復的潛在功效。BCI能夠改善疾病某種癥狀或恢復機體某種功能，例如BCI的輸出可能改善中樞神經系統的自然輸出（BCI的改善功能）以及可能恢復對機體肌肉的控制（BCI的恢復功能）。已有研究指出，BCI可用于神經精神障礙的改善或恢復[1]。一些由中風、腦外傷等造成腦損傷的患者，通過BCI與外部設備組成的閉環訓練，例如控制假肢或與虛擬現實結合的訓練等，可以改善受損的腦功能，從而促進其康復[1]。對于中風導致手臂功能受損的患者，BCI能夠在患者嘗試進行運動時測量受損腦區的活動，并利用這些活動來刺激肌肉或控制矯正裝置，從而改善手臂的運動能力。通過反復實踐，這種方法可能會促進控制運動的神經可塑性，從而恢復更正常的運動控制[19]。對于脊髓損傷導致手臂和手部癱瘓的患者，通過BCI技術植入電極以刺激癱瘓肌肉，可能使他們重獲抓取物體的能力[20-21]。
（5）BCI具有替代某些殘肢的潛在功效。BCI的替代功效主要體現在，人們可利用BCI控制外部設備，如機械臂、靈巧手、假肢、輪椅、外骨骼等，以彌補由于損傷或疾病而喪失的自然輸出能力（如肌肉控制等），從而有望提升殘障人士的生活質量。例如，因高位截肢或嚴重脊髓損傷而癱瘓的殘障人士通過BCI技術能夠控制電動輪椅。在Banach等[22]的研究中，3名既未經訓練也沒有BCI使用經驗的參與者，成功地利用基于腦電α波的BCI來控制輪椅，平均靈敏度為79.58%，特異性為97.08%。
（6）BCI具有增強中樞神經系統自然輸出的潛在功效。BCI可增強中樞神經系統的自然輸出，從而提升和擴展機能。這一效果不僅適用于健康個體，也適用于患者或殘障人士。例如，當個體執行需要注意力集中的任務時，如果BCI檢測到注意力分散的大腦活動特征，BCI便會發出提醒，從而幫助增強個體的持續注意力[23]。
（7）BCI具有補充中樞神經系統自然輸出的潛在功效。BCI可補充中樞神經系統的自然輸出，為與外部世界的交流與控制提供額外的途徑。例如，原來使用操縱桿控制光標移動的個體，可以采用BCI選擇并移動光標到目標位置。此外，BCI技術還能增強個體操縱附加的機械臂的能力。例如，Flesher等[24]的研究表明，通過雙向BCI產生的觸覺反饋，顯著減少了四肢癱瘓患者操作機械臂嘗試抓握的時間，從中位數的20.9 s減少到10.2 s。
2.5 BCI轉化醫學研究
成功的生物電子系統（包括BCI）實際的轉化約束包括：臨床必要性、科學有效性、技術成熟度、部署成本、工作流可行性和經濟可行性。
BCI轉化醫學研究涉及BCI技術從實驗室到臨床的轉化和應用，有效地將BCI基礎研究與解決患者實際問題相結合。這一過程涵蓋了將BCI基礎研究的成果“轉化”落實，為患者的疾病預防、診斷、治療和康復及預后評估帶來便利[25]。
為促進BCI轉化為臨床應用，應關注臨床用戶的具體需求，并與臨床醫生建立緊密的合作關系。這一過程應遵循以用戶為中心的設計原則，確保BCI解決方案能夠滿足最終用戶的實際需要，并順利融入他們的日常生活中[26-27]。
3 BCI醫學倫理、應用標準化操作流程及功效評價方法
3.1 BCI醫學倫理
BCI有助于實現現代醫學目標（參見2.2.1節），同時BCI有一些用于醫學的補充目標（參見2.2.2節）。醫學目標是考量BCI醫學倫理的現有框架，要求BCI的研發與醫學目標保持一致，不符合這些目標的BCI活動或行為在倫理上可能受到質疑，或者最好不要把其視為醫學的一部分[15]。Klein[15]特別強調了在醫學目標的框架下思考BCI倫理挑戰的必要性。醫學目標、醫學倫理、醫學應用（包括BCI醫學應用）與特定的人類群體或個體之間的關系如圖1所示[28]。
圖1
醫學目標、醫學倫理、醫學應用（包括BCI醫學應用）與特定的人類群體或個體關系示意圖
Figure1.
Schematic diagram for the relationship among goals of medicine, medical ethics, medical applications (including medical applications of BCI), and specific human groups or individuals
與前述BCI用于醫學的補充目標相對應，臨床醫生的責任包括：① 為確保患者從植入式BCI獲益，臨床醫生應遵循利大于弊的原則，盡量減少或避免植入裝置對大腦損傷的安全性風險，負責任地使用植入式BCI。② 為適應患者個體之間的神經多樣性和個體內部的神經變異性，臨床醫生應利用對人類在神經水平和社會功能水平上的差異的理解來定制BCI療法，即個性化BCI療法/精準BCI治療。③ 為保護患者的神經隱私，臨床醫生應幫助患者建立和管理與BCI設備收集和控制信息相關的神經隱私區域。④ 為協助患者在日常生活中可以自主做出真實的選擇，臨床醫生應與患者一起探討，當選擇使用BCI設備后，患者當前如何獲得身份認同感，以及如何影響將來的自我身份認知。⑤ 為幫助患者行使和分享代理權，臨床醫生應幫助患者了解知悉代理權的不確定性，并在適當的情況下與他人（如與護理人員）分享代理權。
除了臨床醫生，BCI醫學目標的實現還與BCI研究人員、開發人員、BCI制造商和醫院等有關。
3.2 BCI醫學應用標準化操作流程和功效評價方法
為確保BCI醫學潛在功效的發揮，需要制定BCI醫學應用標準化操作流程；為評價BCI醫學應用的功效，需要排除其他變量的影響以及BCI生產商、臨床醫生和患者的主觀評價，建立一套BCI醫學應用的功效評價方法。特別是在進行BCI臨床測試研究時，建議可采用隨機雙盲對照試驗評價其功效[28]。
3.2.1 BCI醫學應用標準化操作流程
植入式BCI醫學應用標準化操作流程包括以下４個主要方面。
（1）評定特定患者是否適合接受植入式BCI治療或康復訓練。植入式BCI對特定疾病患者的適用性依賴于其個人意向和需求、疾病的進展階段、機體剩余能力、生活環境、支持體系和其他因素[29]。因此，臨床醫生應充分了解患者的病情，包括門診以及相關醫療儀器的檢查結果等，以決定該患者是否適合采用植入式BCI治療或康復訓練。這一決策過程通常需要多學科的協作，以降低植入式BCI可能帶來的風險。
植入式BCI技術應用的主要目標人群是因嚴重運動障礙而失去與外部交流的患者，如晚期肌萎縮側索硬化癥患者等。此外，植入式BCI為閉鎖綜合征患者提供了一種交流的可能性[1]。對于帕金森病患者，植入式BCI提供了一種控制運動障礙的神經調節方法[30]。對于患有嚴重神經障礙的兒童，如四肢癱瘓性腦癱或頸椎損傷的患兒，這項技術同樣有益[31]。在使用植入式BCI時，關鍵是要權衡潛在的益處與風險、負擔之間的利弊，確保潛在的益處大于風險和負擔[29]。
（2）確保采用植入式BCI治療或康復訓練的患者及其家屬的知情同意權。在開始植入式BCI治療或進行康復訓練前，研究者和臨床醫生有責任讓患者獲得有關植入式BCI的全面信息，了解該技術的安全風險、潛在收益和可選方案，并由具有明確決策能力的患者做出是否參與研究或接受治療的決定[32]。對于那些無法正常交流或已失去交流能力的患者，如閉鎖綜合征和晚期肌萎縮側索硬化癥患者等，他們行使知情同意權尤為困難，面臨嚴重的溝通障礙。在這種情況下，需要精心設計的程序來確保其享有并行使知情同意權[33-34]。
（3）向患者提供定制式的個性化/精準植入式BCI治療方案。植入式BCI的一個主要醫學目標是針對患者在神經和社會功能水平上的差異性或多樣性進行調整和適應。因此，臨床醫生有責任根據這些差異為特定用戶定制個性化的BCI治療方案，對患者實行精準的治療，否則難以達到理想的治療效果。
為了確保植入式BCI的使用符合倫理和責任標準，同時最大化其效益，關鍵在于為患者（如肌萎縮側索硬化癥患者）選擇植入BCI的最佳時機，并優化BCI的參數設置。這包括選擇BCI范式及參數、調整腦信號采集參數（涉及腦區位置、傳感器類型及參數等）、配置腦信號處理與解碼模型及參數校準，以及進行神經反饋訓練或神經調控參數的設定。
（4）評價植入式BCI治療或康復訓練的功效。具體評價方法請參見3.2.2節。
與植入式BCI技術相比，非植入式BCI技術不需要手術，對腦組織沒有損傷。非植入式BCI醫學應用標準化操作流程可以參考植入式BCI的相應流程，如：① 評定特定患者是否適合接受非植入式BCI治療或康復訓練；② 確保采用非植入式BCI治療或康復訓練的患者及其家屬充分行使知情同意權；③ 向患者提供定制式的個性化/精準非植入式BCI治療方案；④ 評價非植入式BCI治療或康復的功效[28]。
3.2.2 BCI醫學應用功效評價方法
目前，BCI用于中樞神經系統相關疾病/障礙治療或康復的功效評價方法還不夠明確或標準化。這要求BCI臨床轉化研究者、BCI生產商、臨床醫生和患者相互協作，客觀地評價BCI醫學應用的功效，避免因利益關系而進行主觀評價或炒作。以下是BCI療法的功效評價方法[28]：
（1）將患者分為兩組，一組患者為BCI驅動的治療或康復組，另一組為非BCI驅動的治療或康復組（即對照組）。
（2）在治療或康復開始前、療程結束時以及療程結束后的一段時間內（如6～12個月，甚至更長時間），采用臨床相關量表（與中樞神經系統相關的疾病/障礙量表）或/和臨床癥狀，對兩組患者進行評估。
（3）對兩組患者進行前測、后測以及隨訪評估，并對結果進行統計分析，旨在確定BCI驅動的治療或康復方法相較于非BCI驅動的方法是否展現出統計學意義上的更好效果。分析結果可能呈現為：① 表明BCI方法更為有效；② 顯示兩者之間無統計學意義上的差異；③ 可能指出BCI方法效果較差。
（4）如果BCI治療顯示出效果，為了進一步探究其療效的機制，需要測量由BCI治療或康復方法在特定疾病或障礙相關腦區引起的神經可塑性變化（例如，功能連接性的變化）。接著，需評估這種神經可塑性變化與臨床評估指標之間的相關性。分析結果可能表明兩者之間存在相關性，也可能表明相關性存在但不具有統計學意義，或者兩者之間不存在相關性。
4 BCI醫學面臨的挑戰及未來的方向
（1）發展BCI醫學或BCI專業領域。隨著BCI技術及BCI醫學領域研究的不斷進步，預計在不遠的將來，這些領域的相關研究方向可能成為高等教育中的新興學科專業，正如人工智能技術的發展促成了人工智能專業的出現一樣。
成功的BCI醫學臨床應用往往依賴于跨學科的合作。為了標準化和優化這種多學科協作過程，建立針對BCI的專門子專業變得尤為重要。BCI臨床亞專業不僅能夠提升患者和護理人員的培訓效率，還能在日常應用中提供持續的最佳支持。因此，需要發展BCI醫學專業或BCI專業。通過在現有的生物醫學工程、智能醫學工程及醫學臨床專業中增加BCI課程，并融入BCI相關的實踐項目，學生將有機會直接參與到BCI技術的研發和應用中。此外，跨學科的工作訪問和研討會將促進醫學和工程學領域的學生及專家之間的交流，加速BCI技術的進步及其在臨床環境中的實際應用。
（2）BCI醫學應用標準化操作流程和功效評價方法。目前，BCI醫學應用標準化操作流程還未充分發展，并且對其功效的評價存在主觀性和不確定性，甚至涉嫌炒作。因此，新興的BCI醫學實踐需要制定一套規范的標準化操作流程和功效評價方法。
針對BCI技術的炒作問題，應采取積極措施減少公眾對BCI的誤解。這包括但不限于舉辦BCI科普講座，以提升公眾對BCI技術的正確認知；編寫和發布易于公眾理解的BCI技術評估報告，來澄清市場上一些媒體或商家的夸大宣傳；在專業期刊上發表更多經過同行嚴格評審的BCI研究，以便相關社區和公眾訪問到科學的信息。
（3）面向醫學應用的BCI技術創新。盡管BCI設備有望為理解和干預神經系統提供新的手段，但成功的BCI技術醫學應用依賴于技術本身的突破或成熟，這包括腦信號采集技術新突破[35-36]、變革傳統BCI范式，以及BCI技術與先進的AI技術相結合提升腦信號解碼性能等。
（4）BCI醫學倫理的學術研究、規范化和實踐。當前，BCI醫學應用面臨的倫理問題尚未得到全面解決，隨著BCI技術在臨床應用的進一步發展，可能會引發新的倫理問題。因此，需要不斷地進行BCI醫學倫理方面的學術研究、規范制定和實際應用。
首先，制定嚴格的BCI相關數據保護措施，以確保患者的神經隱私得到保護。此外，醫學倫理審查委員會應對BCI項目進行嚴格的審查。倫理審查不僅應涵蓋新的BCI研究計劃，而且還應對現行項目進行持續的監督，以確保它們能夠適應技術進步和社會環境變化。同時，應為BCI研究人員、技術開發者和臨床醫生提供倫理培訓課程，這些課程應覆蓋BCI技術可能帶來的風險，并探討如何在技術創新和患者利益之間找到平衡點。
（5）傾聽臨床用戶的需求并與臨床醫生緊密合作。BCI醫學轉化研究及應用需要通過實地調研來了解臨床用戶的具體需求，并與臨床醫生建立緊密的合作關系。目前，臨床用戶的需求尚不明確，臨床醫生對BCI技術的認識需要進一步加強。BCI研發者需要向他們介紹BCI技術在醫學應用中的潛在價值，并加強與臨床醫生之間的協作[1]。
5 結束語
BCI醫學正逐漸發展為一個新的學科領域，預見在不遠的未來，高等教育中將會設立BCI及BCI醫學專業，無論是在本科還是研究生層次。本文集中探討了BCI醫學，闡述了其定義、目標、方法、潛在功效、相關的轉化醫學研究，以及相關的倫理問題。同時，本文還介紹了BCI醫學應用的標準化操作流程和功效評價方法，并討論了該學科面臨的挑戰及其未來發展方向。希望本文能為BCI醫學的進一步發展提供有價值的啟示和參考。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：陳衍肖為主要撰寫人，完成相關文獻資料的收集及論文初稿的寫作；張喆和王帆負責文獻調研；丁鵬和趙磊負責寫作指導和意見；伏云發為論文的負責人及主要審核人。
0 引言
當前，腦機接口（brain-computer interface，BCI）作為一項前沿技術，其目標之一是在醫學領域能獲得廣泛應用，如治療中樞神經系統疾病或障礙并促進其預后康復[1-5]。隨著其在臨床研究和應用的不斷發展，BCI醫學應運而生，正逐漸成為一個新興的學科方向[1]。然而，迄今為止，少有文獻對BCI醫學展開論述。為此，本文旨在深入探討BCI醫學的核心內容，從其概念、潛在應用及功效進行闡述，同時討論了其倫理問題、標準化操作流程及功效評價方法，以期為BCI醫學的未來發展提供理論基礎。在論述這些關鍵問題的基礎上，本文進一步指出了BCI醫學面臨的挑戰及其未來發展方向。
隨著BCI技術的不斷發展和成熟，BCI醫學有望在未來的高等教育體系中成為一門新興的專業，為醫學領域帶來深刻的變革。本文通過審視BCI醫學的現狀和前景，旨在為該學科的學術研究、臨床應用、教育以及未來發展提供有價值的參考。
1 BCI潛在醫學應用
目前，已有許多BCI臨床研究顯示，該技術具有潛在的醫學應用價值[1]。從醫學臨床和神經醫學的視角出發，BCI技術是通過捕捉中樞神經系統產生的腦信號，并從中提取特征信息，將這些信息轉換為感覺反饋的技術方法。這種方法為患者提供一個雙向閉環調節系統，是一種主動的康復訓練方式[6]。感覺反饋的方法多樣，包括非具身化的神經反饋，如利用BCI控制的屏幕光標移動以完成特定目標任務；還包括具身化的神經反饋，如虛擬現實或增強現實、觸覺反饋、康復機器人以及神經肌肉電刺激等技術。這些基于BCI的訓練項目通過利用自上而下和自下而上的注意力控制和獎賞機制，促進有益的神經可塑性變化，如腦的功能和結構的可塑性，目的是恢復或增強受損的神經功能[1]。
隨著現代神經科學和機器學習技術（如深度學習）的進步，BCI技術正逐漸提高其解析大腦信號的準確度，能夠更精確地識別患者的意圖及腦狀態。這種技術可實現大腦與外部設備的直接交流與控制，如用于精確控制假肢、恢復語言能力和改善認知功能等。此外，BCI技術能夠根據每位患者特定的神經活動模式，提供個性化的治療方案，從而有效提升治療和康復的功效。
隨著BCI技術的發展及其在臨床試驗中的研究不斷深入，BCI技術在醫學領域的潛在應用范圍不斷擴大。這些應用主要包括中風康復、肌萎縮側索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）治療、腦外傷治療、脊髓損傷康復、閉鎖綜合征患者交流、機器人和假肢控制、神經康復訓練、大腦可塑性促進和注意力控制、重度腦損傷患者意識評估與交流、運動障礙的智能神經調節等。此外，還包括雙向BCI技術用于神經刺激、BCI與虛擬現實交互融合用于神經康復，以及BCI與功能性電刺激（functional electrical stimulation，FES）結合用于運動恢復等[1]。
BCI技術在醫學領域展現出重要的應用潛力，特別是在康復和輔助技術、神經修復、神經增強以及醫學診斷和治療方面。例如：① 康復和輔助技術，通過腦信號控制假肢、輪椅和通信系統等，有望提升殘障人士的生活質量和自主性。這些成果雖然提供了新的交流方式并增強了身體功能，但其高昂的成本和對用戶長期訓練的需求限制了其普及程度。② 神經修復領域，如深部腦刺激和功能性電刺激，為脊髓損傷修復等提供了新的手段；雖然相關植入手術存在一定風險，且長期效果具有不確定性，但仍值得進一步深入研究。③ 神經增強技術，探索了通過腦部刺激提升認知功能和情緒調節的可能性，開辟了增強人類潛能的新途徑。然而，這一領域的研究不僅面臨技術挑戰，還涉及倫理問題。④ 在醫學診斷和治療方面，BCI技術通過實時監測腦狀態，為癲癇和抑郁癥等疾病的診斷與治療提供了新的希望，盡管這些應用要求精確的腦區定位，并且對長期效果和潛在副作用的研究還不足夠。例如，Willett等[3]研發了一種皮層內BCI，該系統采用遞歸神經網絡嘗試解碼手部動作，將運動皮層的神經活動實時翻譯成文本，使得因脊髓損傷而手部癱瘓多年的患者打字速度達到了每分鐘90個字符。在另一項研究中，Willett等[4]研發的BCI系統利用皮層內微電極陣列記錄神經尖峰活動，將試圖發聲的動作解碼成文本，使因肌萎縮性脊髓側索硬化癥而無法說話的患者嘗試發聲的解碼速度從每分鐘62個單詞提升到接近自然對話的速度（每分鐘160個單詞）。Metzger等[5]則是在患有嚴重肢體和聲帶癱瘓的患者嘗試無聲說出句子期間，采用高密度電極記錄言語皮層腦電（electrocorticogram，ECoG）信號，借助深度學習模型，構建了高性能實時多模式言語（文本、言語音頻和面部頭像動畫）解碼的神經假體，為患者提供了恢復交流能力的希望。
2 BCI醫學
2.1 BCI醫學定義
BCI醫學是一門將BCI技術應用于醫學，以更好地實現醫學目標的學科。BCI醫學的科學根基在于運用BCI的原理與方法[7]不斷完善臨床實踐，以預防、診斷、治療并促進某些腦部相關疾病的康復，正如前文所提到的，BCI醫學的發展為許多疾病的治療和康復訓練提供了新的希望。盡管上述構想目前仍處于初級階段，但值得進一步深入開展研究和臨床驗證[1]。
BCI醫學研究及應用涉及多學科的交叉融合，包括臨床醫學、神經科學、認知科學、心理學、生物醫學工程、神經與康復工程、生物材料學、生物學與生物化學、人工智能、計算機科學、電子工程、智能機器人控制、模式識別與現代信號處理等多個學科。例如，BCI研究需要深入探索神經元的活動和神經網絡的功能，即需要以神經科學作為其基礎；BCI系統與生物體的相互作用及由此產生的生物化學過程，對于開發更有效的BCI尤為重要，需要生物學與生物化學以及生物材料學的支持；而心理學有助于設計用戶友好的BCI范式以及評估BCI對人類認知和行為的影響；此外，BCI涉及大量的數據處理和算法開發，其中計算機科學與人工智能發揮著至關重要的作用；同時，BCI醫學還需要考慮生物倫理學、醫學倫理和臨床醫學等方面的問題，以確保研究和應用過程的安全性和倫理合規性。
BCI醫學的主要研究內容或方向包括：① 對BCI技術的不斷變革或優化。這包括開發以患者為中心的友好BCI范式和神經編碼模型、患者可接受的或滿意的腦信號采集方法、高效的神經解碼算法及優化的神經反饋方法等。② 推進BCI在預防、診斷、治療和康復等醫學目標的轉化研究及實際應用。例如，利用BCI監測大腦狀態、治療神經精神疾病、恢復運動功能，以及進行BCI醫學倫理的研究等。
2.2 BCI醫學目標
BCI醫學的目標在于運用BCI技術應對傳統醫療方法難以克服的醫學挑戰，以此進一步提高患者的生活質量。它致力于實現醫學目標，更有效地預防、治療和康復與中樞神經系統相關的疾病。
2.2.1 BCI有助于實現現代醫學目標
盡管BCI技術的功能并不是無限強大，且無法滿足現代醫學的所有目標，但人們期望BCI技術能夠在現代醫學中最大限度地發揮其作用，為特定目標提供服務。
（1）BCI在預防疾病與損傷、促進及維持健康方面具有潛在的重要作用。預防疾病與促進健康是醫學的核心價值觀。BCI技術有望作為預防疾病和損傷的一種手段，例如：基于BCI的自我健康監測和可穿戴神經技術在醫學預防領域具有巨大的發展潛力[1]；還可將BCI技術應用于癲癇發作的預測和預防[8]；利用BCI設備結合物聯網可實現實時監測和預防中風[9]；以及聯合近紅外光譜技術的BCI可用于改善中風[10]。
（2）BCI在緩解疾病引起的疼痛和減輕患者痛苦方面展現出潛在的作用。醫學的一個重要目標是安撫焦慮。疾病導致的疼痛不僅引發生理上的變化，也常伴隨著心理上的折磨和壓力。一些BCI技術本身無法直接治愈疾病或修復身體損傷，它們的主要目標是幫助解決殘疾相關問題[1]，比如幫助患者和殘障人士恢復或實現人體基本功能，從而有助于減輕由疾病或傷害引起的疼痛或殘疾。舉例來說，結合運動想象和虛擬現實技術的BCI，可用于降低脊髓損傷患者的疼痛[11]；通過BCI系統觸發的經皮神經電刺激和虛擬現實的多感官干預，有助于緩解神經性疼痛[12]；使用便攜式BCI進行神經反饋訓練，可降低脊髓損傷患者的中樞神經性疼痛[13]。
（3）BCI在疾病治療和患者護理方面展現出一定的潛在價值，特別是對于那些無法治愈患者的照料，其優勢較大。現代醫學的治愈功能包括治療和照料護理兩方面。BCI技術不僅對特定疾病提供治療可能，同時也能在照料護理中發揮作用[1]。目前，BCI在治療方面的潛力仍在探索之中，但其在修復損傷方面的目標是明確的，特別是作為促進神經可塑性的技術手段，相關研究已用于中風或脊髓損傷的恢復過程[14]。
診斷疾病或損傷既是傳統醫學的目標，也是現代醫學的目標，準確的診斷是精準治療和有效康復的前提。BCI技術可用于自我健康監測，為診斷疾病或損傷提供了一種新方法[1]。該方法可在線實時收集與神經或精神相關的大腦活動信息，這些信息可能有助于識別亞臨床疾病狀態或疾病的易感性。例如，通過BCI收集的P300模式、穩態視覺誘發電位（steady state visual evoked potential，SSVEP）模式和感覺運動節律特征，不僅可以用于通信和控制，也可以用于相關疾病的診斷。
（4）BCI在防止過早死亡及支持臨終關懷方面具有潛在價值。具有交流功效的BCI可允許患者更廣泛地行使自主權，如允許肌萎縮側索硬化癥患者在疾病過程中表達他們對于進一步治療的偏好。當一切治療手段都失敗時，適當停用或調節BCI技術系統，為患者提供一個尊嚴且平和的離世過程[1]。
2.2.2 BCI用于醫學的補充目標
除了可能幫助實現上述醫學目標外，BCI技術在醫學應用中還有其他一些需考慮的重要目標。Klein[15]提出在醫學目標的框架下思考BCI醫學實踐，并提出了4個補充目標，涉及神經多樣性、神經隱私、真實意圖表達和代理權的行使等方面。此外，還需考慮到患者如果采用植入式BCI獲益時存在的安全性問題。總之，隨著BCI在臨床應用研究的發展，未來BCI的應用領域還可能進一步拓展。
（1）BCI技術系統應確保患者真正能從植入式BCI獲益。雖然無創BCI具有較好的安全性，但由于其采集腦活動的傳感器與大腦皮層之間存在一定的距離，導致空間分辨率和信噪比較低，因而可能限制了其在某些疾病治療中的有效性。相比之下，植入式有創BCI由于傳感器位置更接近或直接植入大腦皮層，擁有較高的空間分辨率和信噪比，可能在治療某些疾病方面表現更佳。然而，植入式BCI給患者帶來的安全風險不容忽視，必須采取措施降低這些風險，確保患者真正受益。這包括對植入設備和手術過程的嚴格評估和控制、定期的設備檢查和維護以確保設備正常運行，以及為患者和相關護理人員提供植入式BCI技術的適當培訓。
（2）BCI技術系統應充分考慮患者個體之間的神經多樣性和個體內部的神經變異性。不同患者的神經結構、神經功能或神經活動狀態不完全相同，因此BCI技術系統應適應患者個體之間的這種神經多樣性[16]，并為患者提供個性化的BCI治療[17]。同時，考慮到同一患者的神經活動會隨著時間而變化，BCI技術系統還應適應個體內部的神經變異性，根據患者的大腦動態活動模式實時調整和優化分類模型的參數。
（3）BCI技術系統應保護患者的神經隱私。人類個體的中樞神經信息可能隱含了個人隱私，BCI技術系統在收集這些神經信息后，有可能分析或識別出這些隱私信息[16]。為保護患者隱私，關鍵是確保患者在使用BCI前的知情同意權，讓患者明白哪些數據將被收集以及這些數據的用途。在使用BCI及其數據存儲過程中，應通過匿名化處理減少個人身份信息的暴露，從而降低隱私風險。此外，還有必要采用安全的加密技術保護患者的神經隱私信息，確保在未授權的情況下，數據在存儲、傳輸和處理過程中不被訪問。最后，若BCI數據不再需要，應當將其銷毀。
（4）BCI技術系統應協助患者在日常生活中可以自主做出真實的選擇。對于那些無法使用傳統交流方式（例如：肢體運動或語言等）與外部世界溝通的患者（如：閉鎖綜合征患者或意識障礙患者等），BCI系統可以協助這類患者實現與外部世界的交流[1]，從而做出真實的選擇。例如，患者可以通過BCI系統表達他們的需求、意愿和情緒狀態等，使護理人員或家人更準確地理解他們的需求。然而，人們也擔心使用BCI設備可能會使自己變為“電子人”狀態，即人體器官與穿戴的機械電子裝置融為一體，使得人機界限模糊，導致自我認同感降低[16]。
（5）BCI技術系統應幫助患者行使和分享代理權。BCI技術涉及的代理權問題包括使用BCI的患者是否對BCI系統有充分的控制權，即保障患者的自主性，以及是否能夠認識到是自己發出的指令控制BCI完成某個任務，即需確保患者的自主意識。為了增強患者在使用BCI時的代理感，可邀請他們參與BCI設計過程；BCI系統應為患者提供自主訓練，以增加患者對BCI的操控感；BCI系統應提供直觀和易于使用的用戶界面和及時的反饋通路，讓患者了解其發出的指令如何傳遞給外部設備以及是否被準確地執行；同時，保持數據透明性，允許患者訪問設備控制日志，從而增加其對該技術的信任。
2.3 BCI醫學方法
BCI醫學方法利用BCI技術實現人腦與外部設備之間的直接互動，使得人類的腦活動可以被調整或捕獲、識別，并轉換成有助于疾病預防、臨床診斷、治療及康復的有價值信息和有效操作指令。
BCI醫學方法包括BCI技術的逐步變革，如傳統的BCI范式和神經編碼方法變革、腦信號采集傳感技術的變革等[2]，還包括BCI轉化醫學方法和BCI醫學倫理規范的興起。鑒于傳統BCI范式（如運動想象、P300和SSVEP等）的醫學應用可能有限，需要對現有范式進行更具應用前景的創新或變革，如視覺想象和言語想象等。在創新范式的基礎上，提出能高效解碼的神經編碼方法或模型顯得尤為關鍵。同時，現有腦信號采集傳感技術的安全性、舒適性、美觀性、易用性和總體滿意度需要較大幅度提高，采集腦信號的質量（如空間分辨率、時間分辨率以及信噪比等）也需要有較大的提升。這些創新或變革性的BCI醫學方法將有助于提高BCI在醫學臨床的可用性和實用性。
2.4 BCI醫學潛在功效
BCI醫學的潛在功效包括但不限于以下7個方面，隨著該領域的進一步發展，可能還會有新的功效出現。對于這些潛在功效的評價方法，詳見3.2.2小節。
（1）BCI具有預防某些疾病的潛在功效。BCI可用于實時監測和評估個體的腦狀態，有望提前發現潛在的腦功能異常模式，從而可能有助于預防一些疾病的發生。例如，在一些神經退行性疾病（如阿爾茨海默癥）的早期階段，患者可能存在一些亞臨床的腦信號變化。通過BCI技術對大腦的監測和分析，或許可以提前識別這些病理特征，從而有助于提前干預。此外，BCI還可用于監測個體的情緒狀態，有助于調節情緒或預防精神健康障礙。
（2）BCI具有診斷某些疾病的潛在功效。BCI能夠為醫生提供更準確的腦部信息，成為疾病診斷的有力輔助工具。例如，通過捕捉和記錄一些腦部疾病（如癲癇和意識障礙等）患者的腦信號，BCI可以幫助醫生確定病變的位置、范圍以及對腦功能的影響，進而促使醫生做出更準確的診斷。
（3）BCI具有治療某些疾病的潛在功效。基于BCI的神經反饋技術能夠捕捉患者的腦活動信號，并通過轉化為視覺、聽覺等形式反饋，使患者可以通過訓練來調節自身的腦活動，從而實現治療的效果。例如，一些精神障礙和神經障礙可能與腦功能信號的異常模式有關。通過神經反饋訓練，患者可以學會自我調節腦信號，以減輕癥狀[18]。此外，基于BCI的神經調控技術，如經顱交流/直流電刺激、經顱磁刺激、經顱超聲刺激和深部腦刺激等，均已應用于神經精神障礙的治療中。
（4）BCI具有輔助某些疾病康復的潛在功效。BCI能夠改善疾病某種癥狀或恢復機體某種功能，例如BCI的輸出可能改善中樞神經系統的自然輸出（BCI的改善功能）以及可能恢復對機體肌肉的控制（BCI的恢復功能）。已有研究指出，BCI可用于神經精神障礙的改善或恢復[1]。一些由中風、腦外傷等造成腦損傷的患者，通過BCI與外部設備組成的閉環訓練，例如控制假肢或與虛擬現實結合的訓練等，可以改善受損的腦功能，從而促進其康復[1]。對于中風導致手臂功能受損的患者，BCI能夠在患者嘗試進行運動時測量受損腦區的活動，并利用這些活動來刺激肌肉或控制矯正裝置，從而改善手臂的運動能力。通過反復實踐，這種方法可能會促進控制運動的神經可塑性，從而恢復更正常的運動控制[19]。對于脊髓損傷導致手臂和手部癱瘓的患者，通過BCI技術植入電極以刺激癱瘓肌肉，可能使他們重獲抓取物體的能力[20-21]。
（5）BCI具有替代某些殘肢的潛在功效。BCI的替代功效主要體現在，人們可利用BCI控制外部設備，如機械臂、靈巧手、假肢、輪椅、外骨骼等，以彌補由于損傷或疾病而喪失的自然輸出能力（如肌肉控制等），從而有望提升殘障人士的生活質量。例如，因高位截肢或嚴重脊髓損傷而癱瘓的殘障人士通過BCI技術能夠控制電動輪椅。在Banach等[22]的研究中，3名既未經訓練也沒有BCI使用經驗的參與者，成功地利用基于腦電α波的BCI來控制輪椅，平均靈敏度為79.58%，特異性為97.08%。
（6）BCI具有增強中樞神經系統自然輸出的潛在功效。BCI可增強中樞神經系統的自然輸出，從而提升和擴展機能。這一效果不僅適用于健康個體，也適用于患者或殘障人士。例如，當個體執行需要注意力集中的任務時，如果BCI檢測到注意力分散的大腦活動特征，BCI便會發出提醒，從而幫助增強個體的持續注意力[23]。
（7）BCI具有補充中樞神經系統自然輸出的潛在功效。BCI可補充中樞神經系統的自然輸出，為與外部世界的交流與控制提供額外的途徑。例如，原來使用操縱桿控制光標移動的個體，可以采用BCI選擇并移動光標到目標位置。此外，BCI技術還能增強個體操縱附加的機械臂的能力。例如，Flesher等[24]的研究表明，通過雙向BCI產生的觸覺反饋，顯著減少了四肢癱瘓患者操作機械臂嘗試抓握的時間，從中位數的20.9 s減少到10.2 s。
2.5 BCI轉化醫學研究
成功的生物電子系統（包括BCI）實際的轉化約束包括：臨床必要性、科學有效性、技術成熟度、部署成本、工作流可行性和經濟可行性。
BCI轉化醫學研究涉及BCI技術從實驗室到臨床的轉化和應用，有效地將BCI基礎研究與解決患者實際問題相結合。這一過程涵蓋了將BCI基礎研究的成果“轉化”落實，為患者的疾病預防、診斷、治療和康復及預后評估帶來便利[25]。
為促進BCI轉化為臨床應用，應關注臨床用戶的具體需求，并與臨床醫生建立緊密的合作關系。這一過程應遵循以用戶為中心的設計原則，確保BCI解決方案能夠滿足最終用戶的實際需要，并順利融入他們的日常生活中[26-27]。
3 BCI醫學倫理、應用標準化操作流程及功效評價方法
3.1 BCI醫學倫理
BCI有助于實現現代醫學目標（參見2.2.1節），同時BCI有一些用于醫學的補充目標（參見2.2.2節）。醫學目標是考量BCI醫學倫理的現有框架，要求BCI的研發與醫學目標保持一致，不符合這些目標的BCI活動或行為在倫理上可能受到質疑，或者最好不要把其視為醫學的一部分[15]。Klein[15]特別強調了在醫學目標的框架下思考BCI倫理挑戰的必要性。醫學目標、醫學倫理、醫學應用（包括BCI醫學應用）與特定的人類群體或個體之間的關系如圖1所示[28]。
圖1
醫學目標、醫學倫理、醫學應用（包括BCI醫學應用）與特定的人類群體或個體關系示意圖
Figure1.
Schematic diagram for the relationship among goals of medicine, medical ethics, medical applications (including medical applications of BCI), and specific human groups or individuals
與前述BCI用于醫學的補充目標相對應，臨床醫生的責任包括：① 為確保患者從植入式BCI獲益，臨床醫生應遵循利大于弊的原則，盡量減少或避免植入裝置對大腦損傷的安全性風險，負責任地使用植入式BCI。② 為適應患者個體之間的神經多樣性和個體內部的神經變異性，臨床醫生應利用對人類在神經水平和社會功能水平上的差異的理解來定制BCI療法，即個性化BCI療法/精準BCI治療。③ 為保護患者的神經隱私，臨床醫生應幫助患者建立和管理與BCI設備收集和控制信息相關的神經隱私區域。④ 為協助患者在日常生活中可以自主做出真實的選擇，臨床醫生應與患者一起探討，當選擇使用BCI設備后，患者當前如何獲得身份認同感，以及如何影響將來的自我身份認知。⑤ 為幫助患者行使和分享代理權，臨床醫生應幫助患者了解知悉代理權的不確定性，并在適當的情況下與他人（如與護理人員）分享代理權。
除了臨床醫生，BCI醫學目標的實現還與BCI研究人員、開發人員、BCI制造商和醫院等有關。
3.2 BCI醫學應用標準化操作流程和功效評價方法
為確保BCI醫學潛在功效的發揮，需要制定BCI醫學應用標準化操作流程；為評價BCI醫學應用的功效，需要排除其他變量的影響以及BCI生產商、臨床醫生和患者的主觀評價，建立一套BCI醫學應用的功效評價方法。特別是在進行BCI臨床測試研究時，建議可采用隨機雙盲對照試驗評價其功效[28]。
3.2.1 BCI醫學應用標準化操作流程
植入式BCI醫學應用標準化操作流程包括以下４個主要方面。
（1）評定特定患者是否適合接受植入式BCI治療或康復訓練。植入式BCI對特定疾病患者的適用性依賴于其個人意向和需求、疾病的進展階段、機體剩余能力、生活環境、支持體系和其他因素[29]。因此，臨床醫生應充分了解患者的病情，包括門診以及相關醫療儀器的檢查結果等，以決定該患者是否適合采用植入式BCI治療或康復訓練。這一決策過程通常需要多學科的協作，以降低植入式BCI可能帶來的風險。
植入式BCI技術應用的主要目標人群是因嚴重運動障礙而失去與外部交流的患者，如晚期肌萎縮側索硬化癥患者等。此外，植入式BCI為閉鎖綜合征患者提供了一種交流的可能性[1]。對于帕金森病患者，植入式BCI提供了一種控制運動障礙的神經調節方法[30]。對于患有嚴重神經障礙的兒童，如四肢癱瘓性腦癱或頸椎損傷的患兒，這項技術同樣有益[31]。在使用植入式BCI時，關鍵是要權衡潛在的益處與風險、負擔之間的利弊，確保潛在的益處大于風險和負擔[29]。
（2）確保采用植入式BCI治療或康復訓練的患者及其家屬的知情同意權。在開始植入式BCI治療或進行康復訓練前，研究者和臨床醫生有責任讓患者獲得有關植入式BCI的全面信息，了解該技術的安全風險、潛在收益和可選方案，并由具有明確決策能力的患者做出是否參與研究或接受治療的決定[32]。對于那些無法正常交流或已失去交流能力的患者，如閉鎖綜合征和晚期肌萎縮側索硬化癥患者等，他們行使知情同意權尤為困難，面臨嚴重的溝通障礙。在這種情況下，需要精心設計的程序來確保其享有并行使知情同意權[33-34]。
（3）向患者提供定制式的個性化/精準植入式BCI治療方案。植入式BCI的一個主要醫學目標是針對患者在神經和社會功能水平上的差異性或多樣性進行調整和適應。因此，臨床醫生有責任根據這些差異為特定用戶定制個性化的BCI治療方案，對患者實行精準的治療，否則難以達到理想的治療效果。
為了確保植入式BCI的使用符合倫理和責任標準，同時最大化其效益，關鍵在于為患者（如肌萎縮側索硬化癥患者）選擇植入BCI的最佳時機，并優化BCI的參數設置。這包括選擇BCI范式及參數、調整腦信號采集參數（涉及腦區位置、傳感器類型及參數等）、配置腦信號處理與解碼模型及參數校準，以及進行神經反饋訓練或神經調控參數的設定。
（4）評價植入式BCI治療或康復訓練的功效。具體評價方法請參見3.2.2節。
與植入式BCI技術相比，非植入式BCI技術不需要手術，對腦組織沒有損傷。非植入式BCI醫學應用標準化操作流程可以參考植入式BCI的相應流程，如：① 評定特定患者是否適合接受非植入式BCI治療或康復訓練；② 確保采用非植入式BCI治療或康復訓練的患者及其家屬充分行使知情同意權；③ 向患者提供定制式的個性化/精準非植入式BCI治療方案；④ 評價非植入式BCI治療或康復的功效[28]。
3.2.2 BCI醫學應用功效評價方法
目前，BCI用于中樞神經系統相關疾病/障礙治療或康復的功效評價方法還不夠明確或標準化。這要求BCI臨床轉化研究者、BCI生產商、臨床醫生和患者相互協作，客觀地評價BCI醫學應用的功效，避免因利益關系而進行主觀評價或炒作。以下是BCI療法的功效評價方法[28]：
（1）將患者分為兩組，一組患者為BCI驅動的治療或康復組，另一組為非BCI驅動的治療或康復組（即對照組）。
（2）在治療或康復開始前、療程結束時以及療程結束后的一段時間內（如6～12個月，甚至更長時間），采用臨床相關量表（與中樞神經系統相關的疾病/障礙量表）或/和臨床癥狀，對兩組患者進行評估。
（3）對兩組患者進行前測、后測以及隨訪評估，并對結果進行統計分析，旨在確定BCI驅動的治療或康復方法相較于非BCI驅動的方法是否展現出統計學意義上的更好效果。分析結果可能呈現為：① 表明BCI方法更為有效；② 顯示兩者之間無統計學意義上的差異；③ 可能指出BCI方法效果較差。
（4）如果BCI治療顯示出效果，為了進一步探究其療效的機制，需要測量由BCI治療或康復方法在特定疾病或障礙相關腦區引起的神經可塑性變化（例如，功能連接性的變化）。接著，需評估這種神經可塑性變化與臨床評估指標之間的相關性。分析結果可能表明兩者之間存在相關性，也可能表明相關性存在但不具有統計學意義，或者兩者之間不存在相關性。
4 BCI醫學面臨的挑戰及未來的方向
（1）發展BCI醫學或BCI專業領域。隨著BCI技術及BCI醫學領域研究的不斷進步，預計在不遠的將來，這些領域的相關研究方向可能成為高等教育中的新興學科專業，正如人工智能技術的發展促成了人工智能專業的出現一樣。
成功的BCI醫學臨床應用往往依賴于跨學科的合作。為了標準化和優化這種多學科協作過程，建立針對BCI的專門子專業變得尤為重要。BCI臨床亞專業不僅能夠提升患者和護理人員的培訓效率，還能在日常應用中提供持續的最佳支持。因此，需要發展BCI醫學專業或BCI專業。通過在現有的生物醫學工程、智能醫學工程及醫學臨床專業中增加BCI課程，并融入BCI相關的實踐項目，學生將有機會直接參與到BCI技術的研發和應用中。此外，跨學科的工作訪問和研討會將促進醫學和工程學領域的學生及專家之間的交流，加速BCI技術的進步及其在臨床環境中的實際應用。
（2）BCI醫學應用標準化操作流程和功效評價方法。目前，BCI醫學應用標準化操作流程還未充分發展，并且對其功效的評價存在主觀性和不確定性，甚至涉嫌炒作。因此，新興的BCI醫學實踐需要制定一套規范的標準化操作流程和功效評價方法。
針對BCI技術的炒作問題，應采取積極措施減少公眾對BCI的誤解。這包括但不限于舉辦BCI科普講座，以提升公眾對BCI技術的正確認知；編寫和發布易于公眾理解的BCI技術評估報告，來澄清市場上一些媒體或商家的夸大宣傳；在專業期刊上發表更多經過同行嚴格評審的BCI研究，以便相關社區和公眾訪問到科學的信息。
（3）面向醫學應用的BCI技術創新。盡管BCI設備有望為理解和干預神經系統提供新的手段，但成功的BCI技術醫學應用依賴于技術本身的突破或成熟，這包括腦信號采集技術新突破[35-36]、變革傳統BCI范式，以及BCI技術與先進的AI技術相結合提升腦信號解碼性能等。
（4）BCI醫學倫理的學術研究、規范化和實踐。當前，BCI醫學應用面臨的倫理問題尚未得到全面解決，隨著BCI技術在臨床應用的進一步發展，可能會引發新的倫理問題。因此，需要不斷地進行BCI醫學倫理方面的學術研究、規范制定和實際應用。
首先，制定嚴格的BCI相關數據保護措施，以確保患者的神經隱私得到保護。此外，醫學倫理審查委員會應對BCI項目進行嚴格的審查。倫理審查不僅應涵蓋新的BCI研究計劃，而且還應對現行項目進行持續的監督，以確保它們能夠適應技術進步和社會環境變化。同時，應為BCI研究人員、技術開發者和臨床醫生提供倫理培訓課程，這些課程應覆蓋BCI技術可能帶來的風險，并探討如何在技術創新和患者利益之間找到平衡點。
（5）傾聽臨床用戶的需求并與臨床醫生緊密合作。BCI醫學轉化研究及應用需要通過實地調研來了解臨床用戶的具體需求，并與臨床醫生建立緊密的合作關系。目前，臨床用戶的需求尚不明確，臨床醫生對BCI技術的認識需要進一步加強。BCI研發者需要向他們介紹BCI技術在醫學應用中的潛在價值，并加強與臨床醫生之間的協作[1]。
5 結束語
BCI醫學正逐漸發展為一個新的學科領域，預見在不遠的未來，高等教育中將會設立BCI及BCI醫學專業，無論是在本科還是研究生層次。本文集中探討了BCI醫學，闡述了其定義、目標、方法、潛在功效、相關的轉化醫學研究，以及相關的倫理問題。同時，本文還介紹了BCI醫學應用的標準化操作流程和功效評價方法，并討論了該學科面臨的挑戰及其未來發展方向。希望本文能為BCI醫學的進一步發展提供有價值的啟示和參考。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：陳衍肖為主要撰寫人，完成相關文獻資料的收集及論文初稿的寫作；張喆和王帆負責文獻調研；丁鵬和趙磊負責寫作指導和意見；伏云發為論文的負責人及主要審核人。
