中樞神經系統損傷導致的運動功能障礙個體無法將自主運動的命令傳遞給肌肉，進而導致控制四肢的能力下降，而傳統的康復手段存在治療周期長且人工成本較高等問題。基于腦機接口（BCI）的功能性電刺激（FES）將患者意圖與肌肉收縮聯系起來，通過識別神經信號并對運動肌肉群進行電脈沖刺激以產生肌肉抽搐或肢體運動，有助于促進神經功能的重建，是腦卒中、脊髓損傷等神經系統疾病后遺癥的有效治療方法。本文從腦機接口范式、功能性電刺激參數以及康復療效三個方面對基于腦機接口的功能性電刺激研究現狀進行梳理，并對未來該項技術的發展趨勢進行展望，以期增進對基于腦機接口的功能性電刺激系統的理解。
引用本文： 王瑤, 李雨涵, 崔紅巖, 李萌, 陳小剛. 基于腦機接口的功能性電刺激研究綜述. 生物醫學工程學雜志, 2024, 41(4): 650-655. doi: 10.7507/1001-5515.202311036 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
中樞神經系統是神經系統的主要部分，一旦受損將對患者正常的生活和工作產生極大的影響，令許多患者乃至其家人的生活質量嚴重下降。諸如腦卒中、顱腦損傷、脊髓損傷、腦性癱瘓、多發性硬化等中樞神經系統疾病還會導致運動神經元嚴重受損，使個體無法將動作指令傳遞給肌肉，出現肢體運動功能障礙。因此，中樞神經系統損傷的修復目前已成為熱點之一。恢復運動功能的傳統方式包括重復訓練[1]、中醫針灸[2]、機器輔助[3]等，這些方法在延緩患者殘肢肌肉萎縮、輔助康復等方面起到了一定的積極作用，但這些傳統治療方法存在手段單一、療程較長、人工成本較高等問題，治療效果有限，患者難以堅持至恢復理想狀態[4]。基于腦機接口（brain-computer interface，BCI）的功能性電刺激（functional electrical stimulation，FES）系統是用于治療中樞神經系統疾病導致的運動功能障礙的高效療法之一，不僅能實現傳統的電刺激康復訓練，還能通過BCI技術調動患者主動參與的積極性，從而促進患者的神經康復[5]。
BCI提供了一種大腦和外部環境之間直接通信的途徑，通過采集大腦信號推斷用戶意圖來控制計算機應用程序或設備[6]，在神經疾病或神經損傷后的康復和運動中具有重要應用價值[7]。將傳統的FES與BCI結合可以實現皮層-肌肉的同步性激活效應，使得大腦-肢體-大腦形成一個閉環通路，促進大腦神經的重塑和修復。與此同時，兩者的結合還可以應用于BCI系統中增強用戶的運動想象（motor imagery，MI）能力，從而提高BCI性能和皮層激活程度。Bhattacharyya等[8]對16名健康受試者的研究發現，基于FES的反饋比視覺反饋在皮層學習和提高分類準確性方面更為有效，證實了FES和BCI的結合可以幫助受試者有效地調節大腦活動。Ren等[9]將FES和MI相結合，對12名健康受試者在MI的視覺引導前加上相關下肢的肌肉電刺激，提高了參與者在執行任務時的注意力，同時FES誘發的動覺錯覺也為MI提供了相對有效的指導，從而獲得了更高的分類準確率和分類穩定性。
本文從BCI范式、FES參數以及康復療效三個方面對BCI-FES研究現狀進行梳理，并對目前面臨的挑戰和未來發展趨勢進行總結與展望，以期增進對BCI-FES的理解，為后續科研工作者選取BCI-FES解決方案提供借鑒。
1 BCI-FES作用機制
FES通過施加特定強度的低頻電脈沖來刺激運動神經元或者神經所支配的肌肉從而產生肌肉抽搐或肢體運動[10]，促進肌肉的重新激活以實現功能性運動，屬于周圍神經刺激[11]。通過重復性的周圍神經刺激，可以影響中樞神經系統的感覺神經纖維，激活感覺運動皮層和輔助運動皮層[10]，從而改善癱瘓肢體的運動功能。BCI-FES將運動意圖和肌肉收縮聯系起來，使得大腦能夠實時將運動意圖反饋至計算機，經過計算機處理后將之轉換為FES的驅動信號，進而激活肌肉完成預期動作。同時，運動所產生的感覺反饋到大腦，對受損的神經通路產生一定程度的刺激，從而形成一個完整的神經回路，有助于促進神經功能的重建[12]。BCI-FES系統示意圖如圖1所示。
圖1
BCI-FES系統示意圖
Figure1.
Schematic diagram of BCI-FES system
2 BCI實驗范式
BCI可以通過大腦活動在大腦與外部設備之間進行直接通信，其臨床應用主要有兩個方向，一個是用于控制外部設備，輔助患者完成日常生活和工作；另一個是用于神經康復，將獲取的大腦信號以其他形式反饋給患者，誘導加強患者的大腦神經可塑性以幫助患者恢復活動能力，進而提高肢體的運動能力，BCI-FES就是BCI在神經康復方面的臨床應用之一。基于腦電圖（electroencephalogram，EEG）的BCI常用的實驗范式包括MI、穩態視覺誘發電位（steady-state visual evoked potential，SSVEP）、P300電位和混合范式等[13]。表1[9, 14-18]列出了BCI-FES研究中常用的BCI實驗范式。
表1
BCI-FES研究中常用的BCI實驗范式
Table1.
BCI experimental paradigm for BCI-FES studies
MI是內源性的心理過程，不依賴于外界刺激但可以靠相應刺激進行效果增強，并且與真實運動時具有相同的運動神經元通路和相似的腦運動區域的激活[19]，患者可通過不斷的對運動的想象訓練誘導中樞神經可塑性發展和功能重組，促進功能的恢復。但MI需要花費時間訓練來學習控制大腦節律，并且也不是所有的受試都會有很好的表現。由SSVEP觸發的BCI依賴于外界的閃爍刺激，因此可能會因閃爍刺激而造成視覺疲勞[20]，但與MI-BCI相比，具有無需或較少訓練、較高的信息傳輸率等優勢[21]。Yao等[14]利用不同頻率的閃爍塊控制FES的不同刺激模式，用戶的意圖被轉換為觸發FES不同刺激模式的命令。Son等[15]通過觀察閃爍的視頻激發FES輔助手臂抬起，初步證明了基于動作視頻的FES在神經康復中的潛力。然而，無論是SSVEP-BCI還是MI-BCI系統，均存在著一定的局限性，因此一些研究者開始將目光轉移到將混合BCI范式與FES結合以期改善單一范式存在的局限性。Choi等[16]將MI與SSVEP結合，不同的視覺MI任務觸發FES的不同模式，再通過注視屏幕的閃爍塊以停止電刺激，均實現了對FES較好的控制。
3 FES刺激參數
FES作為一種運動康復干預措施，無論是單獨用于改善運動損傷，還是嵌入復雜系統以產生功能性多關節運動，其康復潛力都是不可估量的。FES能夠以不同的形式用于促進多種肌肉動作，因此充分了解并有效設置電刺激的各種參數對于運動干預效果以及患者的安全都是至關重要的。
3.1 刺激部位
根據運動神經的可塑性，制定合理的康復訓練能夠恢復神經肌肉的運動功能。當FES刺激不同的位點時，會引起不同的肌群產生收縮，從而產生不同的動作效果，因此刺激的位點十分重要。FES設備的負極通常放置在肌腹中央，正極放置在相應肌肉的肌腱處。表2[9, 22-25]總結了相關文獻使用FES實現的功能以及相應刺激部位。
表2
實現功能和刺激部位的選擇
Table2.
The realization of function and the choice of stimulation site
3.2 刺激波形
常用的刺激脈沖的輸出波形有非對稱雙相波和對稱雙相波[26]。非對稱雙相波由脈寬或幅值不同、相位相反的波組成，常用于刺激小肌肉，使肌肉收縮僅發生在陰極下方；對稱雙相波由兩個脈寬與幅值相同、相位相反的脈沖波構成，一相產生刺激作用，另一相當平衡波，可以去除電刺激所導致的組織中的電荷積累，在陰極和陽極下都會產生收縮，常用于刺激大肌肉，使之能產生更強的肌肉收縮。
3.3 刺激頻率
刺激頻率是指在刺激過程中每秒產生的脈沖個數，單位為Hz。根據運動任務的不同，刺激頻率也會有所不同，頻率設定應該以產生持續而穩定的預期效果為標準，臨床中最常使用的頻率范圍在15～40 Hz之間[10]。理論上頻率越高，產生的肌肉收縮效果越大，但神經肌肉交接處的神經傳導物質會被越快用完，因此很容易造成疲乏[27]。而頻率過低則不能夠激發肌肉產生足夠強的收縮，進而產生“低頻疲勞”[28]。因此選擇合適的刺激頻率對于誘導中樞神經系統的生理性變化具有重要影響。
3.4 刺激幅度
刺激幅度，也叫電流強度，通常以mA為單位。刺激幅度取決于肌肉的大小、刺激電極的大小和波形的脈沖寬度，較小的上肢肌肉需要較小的電極和較低的刺激幅度來收縮[24]，而較大的下肢和軀干肌肉通常需要更大的刺激幅度。通常情況下，刺激幅度的設置需要在理論基礎支撐的情況下并以受試者的反饋為主，以1 mA為增量逐漸增加至能產生明顯動作且無太大不適為止[24]，通常采用10～30 mA的電流刺激，并且隨著訓練后力量的增加，刺激幅度也會隨之小幅度增加。
3.5 刺激脈寬
刺激脈寬是指單個脈沖的時間跨度，又稱為脈沖持續時間，在能否引起有效的肌肉收縮以及對患者舒適度的影響中占據著非常重要的角色。臨床實踐中常用的FES刺激脈寬在200～500 μs之間。當刺激脈寬較小時，需要非常高的幅度才能夠實現充分的去極化以收縮肌肉；而刺激脈寬較寬時，通常能更深地穿透皮下組織，增加激活的神經纖維數量，從而容易引起更明顯的肌肉收縮反應。
3.6 通斷周期
通斷周期指的是通電時間與斷電時間的總和。持續的電刺激會造成肌肉疲勞，進而導致肌肉收縮力的下降[29]，休息時間較長雖不易導致肌肉疲乏，但要達到相同的肌肉收縮所需的治療時間將更長。因此，為了緩解肌肉疲勞以及對治療時間的把控，選擇合適的通斷周期至關重要。
3.7 治療時間
越來越多的證據表明，FES會導致脊髓和皮質神經回路短期和長期的神經生理學變化[30]。單次電刺激后，肌肉興奮性的增加可以持續5 min至若干小時；而多次電刺激后可以持續幾天甚至更久，并且在多次治療中還伴隨著中樞神經系統的長期重組。然而，由于不同實驗中刺激的肌肉、使用的其他參數、癥狀的嚴重程度以及干預的總體目標不同，選擇的治療時間也不盡相同。治療的單次持續時間在30 min到1 h不等，治療頻率從每周五次至每天數次不等，總體治療時間從2周到3個月不等。目前，較多研究采用總時長約40 h的治療方案[24]，但對于治療方案的選擇目前尚無相關的解釋說明。
4 康復療效
到目前為止，BCI-FES研究已經被報道過多次，其應用為患者的功能恢復提供了可能，進而提供了進行日常生活的可能性，而且從結果來看具備研究潛能[31-33]，但BCI-FES仍是一個年輕的課題，尚需進一步的研究和驗證[34]。總體而言，大多數關于腦卒中和不完全性脊髓損傷患者的文獻顯示，使用BCI-FES系統后患者的運動功能將得到改善。Biasiucci等[35]對腦卒中患者進行了全面的臨床試驗，比較了使用BCI-FES和單獨使用FES的干預康復效果，最終BCI-FES組表現出臨床相關性和更持久的功能恢復結果，且功能的改善在治療結束后6～12個月仍然存在。Kumari等[36]將BCI-FES系統應用于亞急性脊髓損傷患者的康復干預，證實了在物理練習之前使用BCI-FES來啟動感覺運動系統是可行的，但可能需要通過增加樣本量或干預時間進行進一步的驗證。表3[35-40]總結了BCI-FES系統在應用中的刺激參數和康復療效。
表3
BCI-FES系統在應用中的刺激參數和康復療效
Table3.
Stimulus parameters and rehabilitation effect of BCI-FES system in application
5 總結與展望
BCI-FES作為一種新型的康復訓練系統，既符合運動學習的原則，又可誘發中樞神經系統的重塑；既可應用于具有較好運動功能的患者，又可實現對嚴重癱瘓患者的康復治療，在患者的運動功能恢復中有著良好的應用前景。從目前的臨床數據來看，BCI-FES系統采取主動訓練模式，有助于促進受損腦神經的代償或修復，激活大腦的神經可塑性，從而促進神經功能的重建，其康復效果優于單純的FES，且能發揮更顯著和更持久的功能恢復效果。為了緩解患者在康復過程中的疲勞且使效果最大化，BCI范式和FES參數的設置都是康復過程中至關重要的環節。
BCI和FES的結合為治療中樞神經受損后出現的運動功能障礙提供了新的治療思路，值得進一步研究和推廣，但目前來看仍然面臨著一些問題和挑戰。首先是BCI技術本身仍有待進步。在信號采集方面，盡管人腦可植入電極有助于更準確地解碼運動意圖，但由于其倫理和手術的并發癥等問題，目前侵入性BCI技術的接受度較低。因此，如何通過非侵入性手段精確獲取EEG是BCI技術所面臨的挑戰之一。在信號編碼方面，盡管已經研發了許多BCI范式，但就目前比較成熟的技術來說也存在著長時間注視易產生視覺疲勞、訓練時間長、信息傳輸速率低等問題，尚未出現一種完美的實驗范式，因此，仍需致力于研發高效編碼、易于操作的BCI范式，以滿足實際應用的需求。在信號的解碼方面，由于大腦信號的復雜性和不穩定性，它容易受到身體運動和環境噪聲等因素的干擾，因此也需要開發更優化的解碼算法以提高系統性能。
其次，FES進入臨床實際應用時也面臨挑戰，盡管FES可以引起患者的肌肉收縮，但電刺激在康復過程中所導致的肌肉疲勞是難以避免的。因此，如何減少肌肉疲勞對刺激效果的影響已經成為電刺激系統研究中的一個重要課題。此外，四肢的運動涉及多個自由度，而目前大多數BCI-FES僅使用一個自由度控制休息和活動狀態，未來的研究應致力于實現對多通道及多塊肌肉的持續控制，旨在實現連續和更多功能性的任務控制，并最大限度地恢復神經損傷個體的運動功能。迄今為止，在已報道的FES相關研究中，只有在慢性腦卒中和不完全性脊髓損傷的患者中顯示出了具有統計學意義的效果，期待隨著BCI和FES技術的發展，可以使其他神經疾病患者從中受益。
近年來，BCI在醫學領域應用中做出了重要嘗試，為康復治療提供了新的思路和手段，為運動障礙患者提供了新的交互媒介，也取得了可喜的成果。將BCI和FES進行整合形成一種新的康復訓練系統是現代康復工程領域中極具應用前景的技術，但目前仍處于初級階段且有一些問題亟待解決，與真正的康復臨床實踐還有一段距離。展望未來，隨著神經科學、信號采集和信號處理等技術的發展，BCI-FES必將打破現有技術的局限，在更廣泛的領域實現新的突破。
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：王瑤負責相關文獻的收集和篩選，確定了綜述的范圍和主題；李雨涵負責文獻的整理工作并進行綜述的撰寫；崔紅巖、李萌負責論文的語言和格式的審查；陳小剛對文章框架和主題提供了指導性的意見，并參與論文的審查和修訂。
0 引言
中樞神經系統是神經系統的主要部分，一旦受損將對患者正常的生活和工作產生極大的影響，令許多患者乃至其家人的生活質量嚴重下降。諸如腦卒中、顱腦損傷、脊髓損傷、腦性癱瘓、多發性硬化等中樞神經系統疾病還會導致運動神經元嚴重受損，使個體無法將動作指令傳遞給肌肉，出現肢體運動功能障礙。因此，中樞神經系統損傷的修復目前已成為熱點之一。恢復運動功能的傳統方式包括重復訓練[1]、中醫針灸[2]、機器輔助[3]等，這些方法在延緩患者殘肢肌肉萎縮、輔助康復等方面起到了一定的積極作用，但這些傳統治療方法存在手段單一、療程較長、人工成本較高等問題，治療效果有限，患者難以堅持至恢復理想狀態[4]。基于腦機接口（brain-computer interface，BCI）的功能性電刺激（functional electrical stimulation，FES）系統是用于治療中樞神經系統疾病導致的運動功能障礙的高效療法之一，不僅能實現傳統的電刺激康復訓練，還能通過BCI技術調動患者主動參與的積極性，從而促進患者的神經康復[5]。
BCI提供了一種大腦和外部環境之間直接通信的途徑，通過采集大腦信號推斷用戶意圖來控制計算機應用程序或設備[6]，在神經疾病或神經損傷后的康復和運動中具有重要應用價值[7]。將傳統的FES與BCI結合可以實現皮層-肌肉的同步性激活效應，使得大腦-肢體-大腦形成一個閉環通路，促進大腦神經的重塑和修復。與此同時，兩者的結合還可以應用于BCI系統中增強用戶的運動想象（motor imagery，MI）能力，從而提高BCI性能和皮層激活程度。Bhattacharyya等[8]對16名健康受試者的研究發現，基于FES的反饋比視覺反饋在皮層學習和提高分類準確性方面更為有效，證實了FES和BCI的結合可以幫助受試者有效地調節大腦活動。Ren等[9]將FES和MI相結合，對12名健康受試者在MI的視覺引導前加上相關下肢的肌肉電刺激，提高了參與者在執行任務時的注意力，同時FES誘發的動覺錯覺也為MI提供了相對有效的指導，從而獲得了更高的分類準確率和分類穩定性。
本文從BCI范式、FES參數以及康復療效三個方面對BCI-FES研究現狀進行梳理，并對目前面臨的挑戰和未來發展趨勢進行總結與展望，以期增進對BCI-FES的理解，為后續科研工作者選取BCI-FES解決方案提供借鑒。
1 BCI-FES作用機制
FES通過施加特定強度的低頻電脈沖來刺激運動神經元或者神經所支配的肌肉從而產生肌肉抽搐或肢體運動[10]，促進肌肉的重新激活以實現功能性運動，屬于周圍神經刺激[11]。通過重復性的周圍神經刺激，可以影響中樞神經系統的感覺神經纖維，激活感覺運動皮層和輔助運動皮層[10]，從而改善癱瘓肢體的運動功能。BCI-FES將運動意圖和肌肉收縮聯系起來，使得大腦能夠實時將運動意圖反饋至計算機，經過計算機處理后將之轉換為FES的驅動信號，進而激活肌肉完成預期動作。同時，運動所產生的感覺反饋到大腦，對受損的神經通路產生一定程度的刺激，從而形成一個完整的神經回路，有助于促進神經功能的重建[12]。BCI-FES系統示意圖如圖1所示。
圖1
BCI-FES系統示意圖
Figure1.
Schematic diagram of BCI-FES system
2 BCI實驗范式
BCI可以通過大腦活動在大腦與外部設備之間進行直接通信，其臨床應用主要有兩個方向，一個是用于控制外部設備，輔助患者完成日常生活和工作；另一個是用于神經康復，將獲取的大腦信號以其他形式反饋給患者，誘導加強患者的大腦神經可塑性以幫助患者恢復活動能力，進而提高肢體的運動能力，BCI-FES就是BCI在神經康復方面的臨床應用之一。基于腦電圖（electroencephalogram，EEG）的BCI常用的實驗范式包括MI、穩態視覺誘發電位（steady-state visual evoked potential，SSVEP）、P300電位和混合范式等[13]。表1[9, 14-18]列出了BCI-FES研究中常用的BCI實驗范式。
表1
BCI-FES研究中常用的BCI實驗范式
Table1.
BCI experimental paradigm for BCI-FES studies
MI是內源性的心理過程，不依賴于外界刺激但可以靠相應刺激進行效果增強，并且與真實運動時具有相同的運動神經元通路和相似的腦運動區域的激活[19]，患者可通過不斷的對運動的想象訓練誘導中樞神經可塑性發展和功能重組，促進功能的恢復。但MI需要花費時間訓練來學習控制大腦節律，并且也不是所有的受試都會有很好的表現。由SSVEP觸發的BCI依賴于外界的閃爍刺激，因此可能會因閃爍刺激而造成視覺疲勞[20]，但與MI-BCI相比，具有無需或較少訓練、較高的信息傳輸率等優勢[21]。Yao等[14]利用不同頻率的閃爍塊控制FES的不同刺激模式，用戶的意圖被轉換為觸發FES不同刺激模式的命令。Son等[15]通過觀察閃爍的視頻激發FES輔助手臂抬起，初步證明了基于動作視頻的FES在神經康復中的潛力。然而，無論是SSVEP-BCI還是MI-BCI系統，均存在著一定的局限性，因此一些研究者開始將目光轉移到將混合BCI范式與FES結合以期改善單一范式存在的局限性。Choi等[16]將MI與SSVEP結合，不同的視覺MI任務觸發FES的不同模式，再通過注視屏幕的閃爍塊以停止電刺激，均實現了對FES較好的控制。
3 FES刺激參數
FES作為一種運動康復干預措施，無論是單獨用于改善運動損傷，還是嵌入復雜系統以產生功能性多關節運動，其康復潛力都是不可估量的。FES能夠以不同的形式用于促進多種肌肉動作，因此充分了解并有效設置電刺激的各種參數對于運動干預效果以及患者的安全都是至關重要的。
3.1 刺激部位
根據運動神經的可塑性，制定合理的康復訓練能夠恢復神經肌肉的運動功能。當FES刺激不同的位點時，會引起不同的肌群產生收縮，從而產生不同的動作效果，因此刺激的位點十分重要。FES設備的負極通常放置在肌腹中央，正極放置在相應肌肉的肌腱處。表2[9, 22-25]總結了相關文獻使用FES實現的功能以及相應刺激部位。
表2
實現功能和刺激部位的選擇
Table2.
The realization of function and the choice of stimulation site
3.2 刺激波形
常用的刺激脈沖的輸出波形有非對稱雙相波和對稱雙相波[26]。非對稱雙相波由脈寬或幅值不同、相位相反的波組成，常用于刺激小肌肉，使肌肉收縮僅發生在陰極下方；對稱雙相波由兩個脈寬與幅值相同、相位相反的脈沖波構成，一相產生刺激作用，另一相當平衡波，可以去除電刺激所導致的組織中的電荷積累，在陰極和陽極下都會產生收縮，常用于刺激大肌肉，使之能產生更強的肌肉收縮。
3.3 刺激頻率
刺激頻率是指在刺激過程中每秒產生的脈沖個數，單位為Hz。根據運動任務的不同，刺激頻率也會有所不同，頻率設定應該以產生持續而穩定的預期效果為標準，臨床中最常使用的頻率范圍在15～40 Hz之間[10]。理論上頻率越高，產生的肌肉收縮效果越大，但神經肌肉交接處的神經傳導物質會被越快用完，因此很容易造成疲乏[27]。而頻率過低則不能夠激發肌肉產生足夠強的收縮，進而產生“低頻疲勞”[28]。因此選擇合適的刺激頻率對于誘導中樞神經系統的生理性變化具有重要影響。
3.4 刺激幅度
刺激幅度，也叫電流強度，通常以mA為單位。刺激幅度取決于肌肉的大小、刺激電極的大小和波形的脈沖寬度，較小的上肢肌肉需要較小的電極和較低的刺激幅度來收縮[24]，而較大的下肢和軀干肌肉通常需要更大的刺激幅度。通常情況下，刺激幅度的設置需要在理論基礎支撐的情況下并以受試者的反饋為主，以1 mA為增量逐漸增加至能產生明顯動作且無太大不適為止[24]，通常采用10～30 mA的電流刺激，并且隨著訓練后力量的增加，刺激幅度也會隨之小幅度增加。
3.5 刺激脈寬
刺激脈寬是指單個脈沖的時間跨度，又稱為脈沖持續時間，在能否引起有效的肌肉收縮以及對患者舒適度的影響中占據著非常重要的角色。臨床實踐中常用的FES刺激脈寬在200～500 μs之間。當刺激脈寬較小時，需要非常高的幅度才能夠實現充分的去極化以收縮肌肉；而刺激脈寬較寬時，通常能更深地穿透皮下組織，增加激活的神經纖維數量，從而容易引起更明顯的肌肉收縮反應。
3.6 通斷周期
通斷周期指的是通電時間與斷電時間的總和。持續的電刺激會造成肌肉疲勞，進而導致肌肉收縮力的下降[29]，休息時間較長雖不易導致肌肉疲乏，但要達到相同的肌肉收縮所需的治療時間將更長。因此，為了緩解肌肉疲勞以及對治療時間的把控，選擇合適的通斷周期至關重要。
3.7 治療時間
越來越多的證據表明，FES會導致脊髓和皮質神經回路短期和長期的神經生理學變化[30]。單次電刺激后，肌肉興奮性的增加可以持續5 min至若干小時；而多次電刺激后可以持續幾天甚至更久，并且在多次治療中還伴隨著中樞神經系統的長期重組。然而，由于不同實驗中刺激的肌肉、使用的其他參數、癥狀的嚴重程度以及干預的總體目標不同，選擇的治療時間也不盡相同。治療的單次持續時間在30 min到1 h不等，治療頻率從每周五次至每天數次不等，總體治療時間從2周到3個月不等。目前，較多研究采用總時長約40 h的治療方案[24]，但對于治療方案的選擇目前尚無相關的解釋說明。
4 康復療效
到目前為止，BCI-FES研究已經被報道過多次，其應用為患者的功能恢復提供了可能，進而提供了進行日常生活的可能性，而且從結果來看具備研究潛能[31-33]，但BCI-FES仍是一個年輕的課題，尚需進一步的研究和驗證[34]。總體而言，大多數關于腦卒中和不完全性脊髓損傷患者的文獻顯示，使用BCI-FES系統后患者的運動功能將得到改善。Biasiucci等[35]對腦卒中患者進行了全面的臨床試驗，比較了使用BCI-FES和單獨使用FES的干預康復效果，最終BCI-FES組表現出臨床相關性和更持久的功能恢復結果，且功能的改善在治療結束后6～12個月仍然存在。Kumari等[36]將BCI-FES系統應用于亞急性脊髓損傷患者的康復干預，證實了在物理練習之前使用BCI-FES來啟動感覺運動系統是可行的，但可能需要通過增加樣本量或干預時間進行進一步的驗證。表3[35-40]總結了BCI-FES系統在應用中的刺激參數和康復療效。
表3
BCI-FES系統在應用中的刺激參數和康復療效
Table3.
Stimulus parameters and rehabilitation effect of BCI-FES system in application
5 總結與展望
BCI-FES作為一種新型的康復訓練系統，既符合運動學習的原則，又可誘發中樞神經系統的重塑；既可應用于具有較好運動功能的患者，又可實現對嚴重癱瘓患者的康復治療，在患者的運動功能恢復中有著良好的應用前景。從目前的臨床數據來看，BCI-FES系統采取主動訓練模式，有助于促進受損腦神經的代償或修復，激活大腦的神經可塑性，從而促進神經功能的重建，其康復效果優于單純的FES，且能發揮更顯著和更持久的功能恢復效果。為了緩解患者在康復過程中的疲勞且使效果最大化，BCI范式和FES參數的設置都是康復過程中至關重要的環節。
BCI和FES的結合為治療中樞神經受損后出現的運動功能障礙提供了新的治療思路，值得進一步研究和推廣，但目前來看仍然面臨著一些問題和挑戰。首先是BCI技術本身仍有待進步。在信號采集方面，盡管人腦可植入電極有助于更準確地解碼運動意圖，但由于其倫理和手術的并發癥等問題，目前侵入性BCI技術的接受度較低。因此，如何通過非侵入性手段精確獲取EEG是BCI技術所面臨的挑戰之一。在信號編碼方面，盡管已經研發了許多BCI范式，但就目前比較成熟的技術來說也存在著長時間注視易產生視覺疲勞、訓練時間長、信息傳輸速率低等問題，尚未出現一種完美的實驗范式，因此，仍需致力于研發高效編碼、易于操作的BCI范式，以滿足實際應用的需求。在信號的解碼方面，由于大腦信號的復雜性和不穩定性，它容易受到身體運動和環境噪聲等因素的干擾，因此也需要開發更優化的解碼算法以提高系統性能。
其次，FES進入臨床實際應用時也面臨挑戰，盡管FES可以引起患者的肌肉收縮，但電刺激在康復過程中所導致的肌肉疲勞是難以避免的。因此，如何減少肌肉疲勞對刺激效果的影響已經成為電刺激系統研究中的一個重要課題。此外，四肢的運動涉及多個自由度，而目前大多數BCI-FES僅使用一個自由度控制休息和活動狀態，未來的研究應致力于實現對多通道及多塊肌肉的持續控制，旨在實現連續和更多功能性的任務控制，并最大限度地恢復神經損傷個體的運動功能。迄今為止，在已報道的FES相關研究中，只有在慢性腦卒中和不完全性脊髓損傷的患者中顯示出了具有統計學意義的效果，期待隨著BCI和FES技術的發展，可以使其他神經疾病患者從中受益。
近年來，BCI在醫學領域應用中做出了重要嘗試，為康復治療提供了新的思路和手段，為運動障礙患者提供了新的交互媒介，也取得了可喜的成果。將BCI和FES進行整合形成一種新的康復訓練系統是現代康復工程領域中極具應用前景的技術，但目前仍處于初級階段且有一些問題亟待解決，與真正的康復臨床實踐還有一段距離。展望未來，隨著神經科學、信號采集和信號處理等技術的發展，BCI-FES必將打破現有技術的局限，在更廣泛的領域實現新的突破。
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：王瑤負責相關文獻的收集和篩選，確定了綜述的范圍和主題；李雨涵負責文獻的整理工作并進行綜述的撰寫；崔紅巖、李萌負責論文的語言和格式的審查；陳小剛對文章框架和主題提供了指導性的意見，并參與論文的審查和修訂。
