隨著數字化、人工智能等技術的突破及應用領域的逐漸拓展，外骨骼機器人、腦機接口、脊髓-神經調控等數智化技術應用于脊髓損傷（spinal cord injury, SCI）后改善或代償軀體功能以提高 SCI 患者生活自理能力和生活質量的研究越來越多。數智化康復技術的發展為 SCI 后的功能重建提供了全新的應用平臺，數字化及智能化賦能的康復新技術在 SCI 后臨床康復治療中具有廣闊的應用前景。該文就外骨骼機器人、腦機接口技術、脊髓-神經調控技術應用于 SCI 后功能恢復的現狀進行闡述。
引用本文： 程瑞動, 朱鑫玲, 葉祥明. 數智化技術在脊髓損傷康復中的應用. 華西醫學, 2024, 39(6): 851-855. doi: 10.7507/1002-0179.202403257 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《華西醫學》版權所有，未經授權不得轉載、改編
隨著對脊髓損傷（spinal cord injury, SCI）的基礎和臨床研究的不斷深入，其治療也取得了相當大的進展，但SCI患者要實現完全的功能康復，仍面臨巨大的挑戰，SCI 的治療與康復仍是現代醫學的一大難題[1-2]。當前 SCI 的治療包括傳統的藥物治療、手術治療、細胞療法、基因治療和組織工程等，但目前仍然無法實現生物學角度的修復[3-5]。隨著數智化技術的飛速積累，以及各種高新方法的加速更新換代，醫學的發展已經邁入了全新的時代。數智化醫療將大數據、云計算、區塊鏈、人工智能等先進的數字化、智能化技術融入醫療技術更新、信息化建設與大數據治理中[6-8]。近年來，用數智化手段賦能先進的康復理念，將高精尖技術落地服務大眾健康，已成為康復醫療領域極具前景的發展趨勢[9-10]。改善或代償軀體功能是 SCI 后康復訓練的重點，提高 SCI 患者生活自理能力和生活質量是患者、家屬和醫療人員的共同目標。而數智化康復技術的發展為 SCI 后的功能重建提供了全新的應用平臺，數字化及智能化賦能的康復新技術在 SCI 后臨床康復治療中具有廣闊的應用前景。本文就該領域最為集中的 3 個熱點即外骨骼機器人、腦機接口（brain-computer interface, BCI）技術、脊髓-神經調控技術應用于 SCI 后功能恢復的現狀進行闡述。
1 SCI 后外骨骼機器人的康復應用
外骨骼機器人是康復機器人領域技術智能化水平最高的機器人之一，受到科學界和產業界的廣泛關注，具有光明的市場前景。外骨骼機器人涉及人體生物力學、臨床醫學、人體工程學、神經電生理等眾多學科，相關產品涉及傳感、控制、機械動力、人機交互、工業設計等領域[11]。在臨床應用方面，外骨骼機器人的優勢主要包括運動重復性及一致性好，訓練模式豐富和訓練反饋效果好等。首先，外骨骼機器人更適合執行長時間的重復運動任務，能夠保證康復訓練的強度、效果與精度，具有良好的運動一致性；其次，其具備可編程能力，能針對患者的損傷程度和康復計劃提供不同強度和模式的個體化訓練，增強患者的主動參與意識；同時，外骨骼機器人通常集成了多種傳感器，具有強大的信息處理能力，可以有效監測和記錄整個康復訓練過程中的人體運動學與生理學等數據，對患者的康復進度給予實時反饋，并可對患者的康復進展作出量化評價，為醫生改進康復治療方案提供依據[12-13]。
人工智能技術、柔性可穿戴技術崛起的背景下，誕生了更具仿生功能的智能外骨骼機器人，產品逐漸往輕量化、可穿戴且柔性、可在多種場景下長期使用的方向發展[14-15]。外骨骼機器人作為一種行走輔助設備，為提升截癱、四肢癱患者康復治療效果提供了新思路。SCI 所致截癱、四肢癱對外骨骼機器人要求更高，外骨骼機器人需構建平衡控制策略，建立摔倒保護策略，涉及人機系統平衡評估和平衡控制[16-18]。國內外學者已對下肢康復外骨骼機器人進行了研究，并研發了試驗樣機或產品，包括日本 HAL[19]，美國 Ekso[20]、ReWalk[21]以及 Indego[22]，國內 UGO[23]、Re-Leg[24]以及 HUALEX[25]，荷蘭 LOPES[26]、MindWalker[27]等。下肢康復外骨骼機器人采用髖關節、膝關節屈伸作為驅動關節，為患者在矢狀面內的運動關節提供輔助力矩，按照設定的步態進行運動，從而實現步態康復訓練，能夠幫助 SCI 患者實現行走、步態康復訓練。Esquenazi 等[21]的非盲、非比較、非隨機研究探討了 ReWalk 動力外骨骼系統的性能和安全性，結果顯示，對于胸段水平運動功能完全性損傷的患者，ReWalk 是一種安全、非臥床的動力矯形器，能使患者獲益，大多數受試者能夠達到接近有限社區內行走所需的步行熟練程度，但在不同個體中，其應用效果仍存在很大差異。Louie 等[28]的研究顯示，對于胸椎及以下水平運動功能受損的完全性 SCI 患者，動力外骨骼系統可以為其提供中等速度的步行能力，且此速度與受傷程度和訓練時間有關。Baunsgaard 等[29]的前瞻性準實驗研究評估了 Ekso Bionics 外骨骼機器人治療 SCI 患者的效果和安全性，結果顯示，對于不同病情的 SCI 患者，外骨骼機器人訓練總體上安全可行，且對患者的步態和平衡功能恢復有潛在好處。四肢癱患者上肢及手功能受損會嚴重影響患者的日常生活活動能力，應用上肢訓練機器人輔助訓練有助于功能恢復。瑞士 Hocoma 公司的 Armeo 系列能為不同康復階段的患者提供相應的康復訓練[30]，用其進行上肢康復訓練的四肢癱患者上肢運動功能均有所恢復，日常生活活動能力得到提高。加拿大 Bionik 公司的 InMotion 系列產品用于四肢癱患者上肢及手功能訓練后，患者關節運動的目的性和流暢性得到改善[31]。
近年來，外骨骼機器人與虛擬現實技術、柔性可穿戴技術結合，使可穿戴系統實現了輕質、小型化、智能化、低功耗，同時具備信號采集、分析和處理功能，支持無線傳輸，可控制外接設備，可支持生物反饋訓練等閉環調控，逐漸實現多模態信號同步保持、生物電信號精度分析。虛擬環境可以模擬現實生活中的操作任務，并實時為患者的表現打分，從而提供具有挑戰性的練習內容，同時通過基于獎勵的系統促進訓練效果，現代虛擬現實與外骨骼機器人配對時呈現交互力，為患者提供本體感覺力或觸覺反饋。Topini 等[32]研發的外骨骼系統根據力反饋并遵循虛擬現實技術內部計算的參考值來協助患者運動，每當患者抓住虛擬物體時，該系統就會為用戶提供力反饋感覺。目前針對特定功能需求，已有一系列輔助不同人體關節的柔性可穿戴機器人可以提高人機兼容性和輔助效率，而柔性可穿戴技術需有更全面、更高效的感知手段，以實現對人類意圖的完美理解，采用更精確、更合適的控制策略來增強人與外骨骼之間的運動一致性[33]。
2 BCI 技術強化 SCI 后運動功能恢復
BCI 技術能夠提供大腦與外部設備之間直接的信息和控制通路，實現大腦意圖對外部設備的直接神經控制。BCI 是一種革命性的人機交互技術，廣泛用于對神經、肌肉失能的重癥患者進行臨床康復訓練。BCI 技術也在 SCI 患者的日常生活與運動康復訓練中得到應用，SCI 雖然導致了大腦與脊髓的結構或功能的連續性中斷，但腦功能保持正常時依然可以發出運動指令，這使 BCI 應用于 SCI 患者的康復治療更具優勢[34]。BCI 可彌補 SCI 所致運動信號下行中斷，實現癱瘓個體四肢運動功能的改善。
目前隨著對 BCI 的不斷深入研究，對于 SCI 后運動功能障礙、感覺障礙及神經病理性疼痛等的康復治療，已有多種類型的 BCI 系統可供使用。通過分析患者大腦運動皮質中的神經元信號，讀取其運動意圖，編碼相應的運動指令并傳輸至外骨骼、外部假體及輪椅等外接設備，BCI 可幫助患者實現抓取、站立及步行等基本日常活動。運動想象 BCI 經歷了從肢體動作運動想象到肢體運動學/動力學參數運動想象的發展過程。隨著技術的發展，BCI 逐漸脫離了簡單動作運動想象，進而探索更多可辨識的思維狀態類別，運動想象模式也逐漸向復雜的協同性動作方向發展[35]。就 BCI 裝置的信號輸出分類而言，應用于 SCI 后的 BCI 裝置大致可分為腦-肌肉神經電刺激、腦-脊髓電刺激及腦-外骨骼 3 種信號輸出方式。BCI 技術主要用于不完全 SCI 及完全 SCI 患者的運動功能改善[36]。無創的非侵入性 BCI 可收集患者的運動意圖，通過腦-肌肉神經電刺激輸出，患者能夠熟練且協調地進行抓握運動和簡單的物品使用，促進頸部 SCI 患者的上肢功能恢復[37-38]。
多項研究表明 BCI 與外骨骼機器人、可穿戴機器人相結合，可以幫助 SCI 患者完成站立、地面行走[39-41]。利用腦電技術可對大腦皮質信號進行解碼，并用外骨骼裝置成功使 SCI 患者產生自主意識控制的步行運動，從而實現由大腦控制驅動外骨骼使 SCI 患者的下肢進行運動[42]。截癱患者可利用大腦信號靈活支配外骨骼機器人、可穿戴式機器人，在機器人輔助下進行行走及步態訓練。四肢癱患者不僅存在下肢的功能障礙，還存在上肢的功能障礙，上肢及手關節活動的協同性、靈活性均受損，在日常生活活動訓練中，恢復上肢的屈伸和手的抓握功能至關重要[43]。BCI 通過記錄大腦皮質感覺運動節律以判斷患者的運動意圖，從而控制復雜的外骨骼仿生機器人手臂，實現肘關節的屈伸、物品的抓握及釋放等日常生活活動[44]。
植入式 BCI 技術也取得了明顯進展，通過在四肢癱患者運動皮質中植入 2 個 96 通道皮質內微電極，BCI 能快速實現四肢癱瘓患者對高性能假肢的神經控制[45]。皮質內 BCI 植入與功能性電刺激組件聯合應用能恢復截癱患者的肢體運動[37, 44]。未來非植入式 BCI 芯片需進一步提高集成度，并研發集高精度腦電采集、信號處理和無線傳輸功能于一體的芯片。植入式電極、芯片在植入時間、通道數、生物相容性、信號質量等核心指標方面也需進一步優化。
BCI 技術已經可以使 SCI 患者進行上下肢運動康復訓練，初步改善其運動功能。三類常用輸出裝置就能使 SCI 患者進行上肢屈伸、粗大抓握等運動康復訓練，可使患者初步進行行走訓練，但在感覺功能障礙、神經源性膀胱、神經源性腸道等 SCI 患者常見功能障礙方面的研究仍較為有限，同時 BCI 實時解析意圖的精準度也仍需進一步強化。
3 脊髓調控技術促進 SCI 后功能修復
神經調控技術處于高速發展階段，新技術不斷涌現，調控方式除電調控外，還有磁調控、化學調控、超聲調控、光調控等，調控靶點從中樞神經系統擴展到周圍神經系統及自主神經系統。適應證從早期的慢性疼痛、運動障礙性疾病擴展到精神疾病、難治性癲癇、阿爾茨海默病、意識障礙、SCI 等[46]。
脊髓調控技術是指利用植入或非植入性技術，采用物理（電、磁、光、超聲等）或化學手段，對脊髓或鄰近的神經元或神經網絡信號進行轉導（興奮、抑制或調解）的生物醫學工程技術，其目的是改善患者日常生活活動能力、提高生活質量。其中脊髓電刺激技術是應用最為成熟的治療 SCI 后功能障礙的技術[47]。2018 年，一種新型靶向神經技術通過硬膜外電刺激重新激活脊髓神經元，讓 3 例慢性截癱患者重新獲得了行走的能力，結果顯示通過幾個月的干預后，受試者在沒有刺激的情況下重新獲得了對先前癱瘓肌肉的自主控制，其借助簡單的平衡工具，就能夠在自己的住處附近行走[48]。2022 年，同一研究團隊再次開發了由人工智能軟件控制的個體化脊髓電刺激電極，電極植入后通過電刺激激活患者的軀干和腿部肌肉的脊髓區域，使 3 例完全癱瘓的 SCI 患者在接受治療后幾小時，就恢復了獨立運動能力，能夠站立、行走、騎自行車、游泳和控制軀干運動[49]。同年 11 月，該團隊在 Nature 發表論文，通過硬膜外電刺激幫助 9 例 SCI 引起嚴重或完全癱瘓的患者成功恢復行走能力，并明確了脊髓神經重塑過程中發揮關鍵作用的神經元類型，該研究增進了對癱瘓后如何恢復移動能力的認識[50]。2023 年 5 月，該團隊再次在 Nature 發文，通過由完全植入的記錄系統和刺激系統組成的腦-脊髓接口裝置，在皮質信號與針對行走相關脊髓區域的硬膜外電刺激模擬調制信號之間建立了直接聯系[51]。高度可靠的腦-脊髓接口可在幾分鐘內完成校準，且能在較長時間內保持穩定，包括在家中獨立使用腦-脊髓接口時受試者能夠自然控制下肢運動，例如站立、行走、爬樓梯，甚至穿越復雜的地形，腦-脊髓接口支持的神經康復改善了神經功能恢復。
高頸段及胸段 SCI 會影響患者的呼吸肌（尤其是膈肌）功能，導致咳嗽反射減弱甚至消失、呼吸困難和肺部感染。SCI 患者通常依賴各種人工或機器輔助技術排痰，包括深呼吸及有效咳嗽、人工翻身拍背和吸痰、霧化吸入及應用化痰藥、機械輔助高頻振蕩等。脊髓電刺激能重建咳嗽反射，外周神經電刺激技術經皮腹肌電刺激及腹部后外側肌群電刺激可改善四肢癱瘓患者的咳嗽和呼吸性能。上胸段脊髓電刺激技術有望替代呼吸機，下胸段脊髓電刺激技術通過硬膜外電刺激可滿足患者自發咳嗽的臨床需求[52]。
4 小結與展望
未來 SCI 的康復將更加精準化、個體化和智能化，利用數智化先進技術和手段能改善 SCI 患者的功能狀態，提高康復治療效果和生活質量。SCI 的康復將迎來人工智能時代，近幾年腦-脊髓接口技術的臨床應用也取得了明顯的進步，并逐步應用于臨床患者，相信不久的將來，頸部、胸腰 SCI 的治療會迎來質的改變，相對地改善四肢癱瘓、截癱患者的困境。但是對于 SCI 后新型材料、脊髓電刺激、BCI 等技術的應用并未根本性改善患者的功能，屬于“權宜之計”。SCI 后運動功能、自主神經功能、感覺功能以及常見并發癥需要多途徑多手段干預，這無疑又增加了技術應用的難度，因此 SCI 后根本性的修復仍需要神經生物學的研究，生物學修復的突破才是真正的希望所在。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
隨著對脊髓損傷（spinal cord injury, SCI）的基礎和臨床研究的不斷深入，其治療也取得了相當大的進展，但SCI患者要實現完全的功能康復，仍面臨巨大的挑戰，SCI 的治療與康復仍是現代醫學的一大難題[1-2]。當前 SCI 的治療包括傳統的藥物治療、手術治療、細胞療法、基因治療和組織工程等，但目前仍然無法實現生物學角度的修復[3-5]。隨著數智化技術的飛速積累，以及各種高新方法的加速更新換代，醫學的發展已經邁入了全新的時代。數智化醫療將大數據、云計算、區塊鏈、人工智能等先進的數字化、智能化技術融入醫療技術更新、信息化建設與大數據治理中[6-8]。近年來，用數智化手段賦能先進的康復理念，將高精尖技術落地服務大眾健康，已成為康復醫療領域極具前景的發展趨勢[9-10]。改善或代償軀體功能是 SCI 后康復訓練的重點，提高 SCI 患者生活自理能力和生活質量是患者、家屬和醫療人員的共同目標。而數智化康復技術的發展為 SCI 后的功能重建提供了全新的應用平臺，數字化及智能化賦能的康復新技術在 SCI 后臨床康復治療中具有廣闊的應用前景。本文就該領域最為集中的 3 個熱點即外骨骼機器人、腦機接口（brain-computer interface, BCI）技術、脊髓-神經調控技術應用于 SCI 后功能恢復的現狀進行闡述。
1 SCI 后外骨骼機器人的康復應用
外骨骼機器人是康復機器人領域技術智能化水平最高的機器人之一，受到科學界和產業界的廣泛關注，具有光明的市場前景。外骨骼機器人涉及人體生物力學、臨床醫學、人體工程學、神經電生理等眾多學科，相關產品涉及傳感、控制、機械動力、人機交互、工業設計等領域[11]。在臨床應用方面，外骨骼機器人的優勢主要包括運動重復性及一致性好，訓練模式豐富和訓練反饋效果好等。首先，外骨骼機器人更適合執行長時間的重復運動任務，能夠保證康復訓練的強度、效果與精度，具有良好的運動一致性；其次，其具備可編程能力，能針對患者的損傷程度和康復計劃提供不同強度和模式的個體化訓練，增強患者的主動參與意識；同時，外骨骼機器人通常集成了多種傳感器，具有強大的信息處理能力，可以有效監測和記錄整個康復訓練過程中的人體運動學與生理學等數據，對患者的康復進度給予實時反饋，并可對患者的康復進展作出量化評價，為醫生改進康復治療方案提供依據[12-13]。
人工智能技術、柔性可穿戴技術崛起的背景下，誕生了更具仿生功能的智能外骨骼機器人，產品逐漸往輕量化、可穿戴且柔性、可在多種場景下長期使用的方向發展[14-15]。外骨骼機器人作為一種行走輔助設備，為提升截癱、四肢癱患者康復治療效果提供了新思路。SCI 所致截癱、四肢癱對外骨骼機器人要求更高，外骨骼機器人需構建平衡控制策略，建立摔倒保護策略，涉及人機系統平衡評估和平衡控制[16-18]。國內外學者已對下肢康復外骨骼機器人進行了研究，并研發了試驗樣機或產品，包括日本 HAL[19]，美國 Ekso[20]、ReWalk[21]以及 Indego[22]，國內 UGO[23]、Re-Leg[24]以及 HUALEX[25]，荷蘭 LOPES[26]、MindWalker[27]等。下肢康復外骨骼機器人采用髖關節、膝關節屈伸作為驅動關節，為患者在矢狀面內的運動關節提供輔助力矩，按照設定的步態進行運動，從而實現步態康復訓練，能夠幫助 SCI 患者實現行走、步態康復訓練。Esquenazi 等[21]的非盲、非比較、非隨機研究探討了 ReWalk 動力外骨骼系統的性能和安全性，結果顯示，對于胸段水平運動功能完全性損傷的患者，ReWalk 是一種安全、非臥床的動力矯形器，能使患者獲益，大多數受試者能夠達到接近有限社區內行走所需的步行熟練程度，但在不同個體中，其應用效果仍存在很大差異。Louie 等[28]的研究顯示，對于胸椎及以下水平運動功能受損的完全性 SCI 患者，動力外骨骼系統可以為其提供中等速度的步行能力，且此速度與受傷程度和訓練時間有關。Baunsgaard 等[29]的前瞻性準實驗研究評估了 Ekso Bionics 外骨骼機器人治療 SCI 患者的效果和安全性，結果顯示，對于不同病情的 SCI 患者，外骨骼機器人訓練總體上安全可行，且對患者的步態和平衡功能恢復有潛在好處。四肢癱患者上肢及手功能受損會嚴重影響患者的日常生活活動能力，應用上肢訓練機器人輔助訓練有助于功能恢復。瑞士 Hocoma 公司的 Armeo 系列能為不同康復階段的患者提供相應的康復訓練[30]，用其進行上肢康復訓練的四肢癱患者上肢運動功能均有所恢復，日常生活活動能力得到提高。加拿大 Bionik 公司的 InMotion 系列產品用于四肢癱患者上肢及手功能訓練后，患者關節運動的目的性和流暢性得到改善[31]。
近年來，外骨骼機器人與虛擬現實技術、柔性可穿戴技術結合，使可穿戴系統實現了輕質、小型化、智能化、低功耗，同時具備信號采集、分析和處理功能，支持無線傳輸，可控制外接設備，可支持生物反饋訓練等閉環調控，逐漸實現多模態信號同步保持、生物電信號精度分析。虛擬環境可以模擬現實生活中的操作任務，并實時為患者的表現打分，從而提供具有挑戰性的練習內容，同時通過基于獎勵的系統促進訓練效果，現代虛擬現實與外骨骼機器人配對時呈現交互力，為患者提供本體感覺力或觸覺反饋。Topini 等[32]研發的外骨骼系統根據力反饋并遵循虛擬現實技術內部計算的參考值來協助患者運動，每當患者抓住虛擬物體時，該系統就會為用戶提供力反饋感覺。目前針對特定功能需求，已有一系列輔助不同人體關節的柔性可穿戴機器人可以提高人機兼容性和輔助效率，而柔性可穿戴技術需有更全面、更高效的感知手段，以實現對人類意圖的完美理解，采用更精確、更合適的控制策略來增強人與外骨骼之間的運動一致性[33]。
2 BCI 技術強化 SCI 后運動功能恢復
BCI 技術能夠提供大腦與外部設備之間直接的信息和控制通路，實現大腦意圖對外部設備的直接神經控制。BCI 是一種革命性的人機交互技術，廣泛用于對神經、肌肉失能的重癥患者進行臨床康復訓練。BCI 技術也在 SCI 患者的日常生活與運動康復訓練中得到應用，SCI 雖然導致了大腦與脊髓的結構或功能的連續性中斷，但腦功能保持正常時依然可以發出運動指令，這使 BCI 應用于 SCI 患者的康復治療更具優勢[34]。BCI 可彌補 SCI 所致運動信號下行中斷，實現癱瘓個體四肢運動功能的改善。
目前隨著對 BCI 的不斷深入研究，對于 SCI 后運動功能障礙、感覺障礙及神經病理性疼痛等的康復治療，已有多種類型的 BCI 系統可供使用。通過分析患者大腦運動皮質中的神經元信號，讀取其運動意圖，編碼相應的運動指令并傳輸至外骨骼、外部假體及輪椅等外接設備，BCI 可幫助患者實現抓取、站立及步行等基本日常活動。運動想象 BCI 經歷了從肢體動作運動想象到肢體運動學/動力學參數運動想象的發展過程。隨著技術的發展，BCI 逐漸脫離了簡單動作運動想象，進而探索更多可辨識的思維狀態類別，運動想象模式也逐漸向復雜的協同性動作方向發展[35]。就 BCI 裝置的信號輸出分類而言，應用于 SCI 后的 BCI 裝置大致可分為腦-肌肉神經電刺激、腦-脊髓電刺激及腦-外骨骼 3 種信號輸出方式。BCI 技術主要用于不完全 SCI 及完全 SCI 患者的運動功能改善[36]。無創的非侵入性 BCI 可收集患者的運動意圖，通過腦-肌肉神經電刺激輸出，患者能夠熟練且協調地進行抓握運動和簡單的物品使用，促進頸部 SCI 患者的上肢功能恢復[37-38]。
多項研究表明 BCI 與外骨骼機器人、可穿戴機器人相結合，可以幫助 SCI 患者完成站立、地面行走[39-41]。利用腦電技術可對大腦皮質信號進行解碼，并用外骨骼裝置成功使 SCI 患者產生自主意識控制的步行運動，從而實現由大腦控制驅動外骨骼使 SCI 患者的下肢進行運動[42]。截癱患者可利用大腦信號靈活支配外骨骼機器人、可穿戴式機器人，在機器人輔助下進行行走及步態訓練。四肢癱患者不僅存在下肢的功能障礙，還存在上肢的功能障礙，上肢及手關節活動的協同性、靈活性均受損，在日常生活活動訓練中，恢復上肢的屈伸和手的抓握功能至關重要[43]。BCI 通過記錄大腦皮質感覺運動節律以判斷患者的運動意圖，從而控制復雜的外骨骼仿生機器人手臂，實現肘關節的屈伸、物品的抓握及釋放等日常生活活動[44]。
植入式 BCI 技術也取得了明顯進展，通過在四肢癱患者運動皮質中植入 2 個 96 通道皮質內微電極，BCI 能快速實現四肢癱瘓患者對高性能假肢的神經控制[45]。皮質內 BCI 植入與功能性電刺激組件聯合應用能恢復截癱患者的肢體運動[37, 44]。未來非植入式 BCI 芯片需進一步提高集成度，并研發集高精度腦電采集、信號處理和無線傳輸功能于一體的芯片。植入式電極、芯片在植入時間、通道數、生物相容性、信號質量等核心指標方面也需進一步優化。
BCI 技術已經可以使 SCI 患者進行上下肢運動康復訓練，初步改善其運動功能。三類常用輸出裝置就能使 SCI 患者進行上肢屈伸、粗大抓握等運動康復訓練，可使患者初步進行行走訓練，但在感覺功能障礙、神經源性膀胱、神經源性腸道等 SCI 患者常見功能障礙方面的研究仍較為有限，同時 BCI 實時解析意圖的精準度也仍需進一步強化。
3 脊髓調控技術促進 SCI 后功能修復
神經調控技術處于高速發展階段，新技術不斷涌現，調控方式除電調控外，還有磁調控、化學調控、超聲調控、光調控等，調控靶點從中樞神經系統擴展到周圍神經系統及自主神經系統。適應證從早期的慢性疼痛、運動障礙性疾病擴展到精神疾病、難治性癲癇、阿爾茨海默病、意識障礙、SCI 等[46]。
脊髓調控技術是指利用植入或非植入性技術，采用物理（電、磁、光、超聲等）或化學手段，對脊髓或鄰近的神經元或神經網絡信號進行轉導（興奮、抑制或調解）的生物醫學工程技術，其目的是改善患者日常生活活動能力、提高生活質量。其中脊髓電刺激技術是應用最為成熟的治療 SCI 后功能障礙的技術[47]。2018 年，一種新型靶向神經技術通過硬膜外電刺激重新激活脊髓神經元，讓 3 例慢性截癱患者重新獲得了行走的能力，結果顯示通過幾個月的干預后，受試者在沒有刺激的情況下重新獲得了對先前癱瘓肌肉的自主控制，其借助簡單的平衡工具，就能夠在自己的住處附近行走[48]。2022 年，同一研究團隊再次開發了由人工智能軟件控制的個體化脊髓電刺激電極，電極植入后通過電刺激激活患者的軀干和腿部肌肉的脊髓區域，使 3 例完全癱瘓的 SCI 患者在接受治療后幾小時，就恢復了獨立運動能力，能夠站立、行走、騎自行車、游泳和控制軀干運動[49]。同年 11 月，該團隊在 Nature 發表論文，通過硬膜外電刺激幫助 9 例 SCI 引起嚴重或完全癱瘓的患者成功恢復行走能力，并明確了脊髓神經重塑過程中發揮關鍵作用的神經元類型，該研究增進了對癱瘓后如何恢復移動能力的認識[50]。2023 年 5 月，該團隊再次在 Nature 發文，通過由完全植入的記錄系統和刺激系統組成的腦-脊髓接口裝置，在皮質信號與針對行走相關脊髓區域的硬膜外電刺激模擬調制信號之間建立了直接聯系[51]。高度可靠的腦-脊髓接口可在幾分鐘內完成校準，且能在較長時間內保持穩定，包括在家中獨立使用腦-脊髓接口時受試者能夠自然控制下肢運動，例如站立、行走、爬樓梯，甚至穿越復雜的地形，腦-脊髓接口支持的神經康復改善了神經功能恢復。
高頸段及胸段 SCI 會影響患者的呼吸肌（尤其是膈肌）功能，導致咳嗽反射減弱甚至消失、呼吸困難和肺部感染。SCI 患者通常依賴各種人工或機器輔助技術排痰，包括深呼吸及有效咳嗽、人工翻身拍背和吸痰、霧化吸入及應用化痰藥、機械輔助高頻振蕩等。脊髓電刺激能重建咳嗽反射，外周神經電刺激技術經皮腹肌電刺激及腹部后外側肌群電刺激可改善四肢癱瘓患者的咳嗽和呼吸性能。上胸段脊髓電刺激技術有望替代呼吸機，下胸段脊髓電刺激技術通過硬膜外電刺激可滿足患者自發咳嗽的臨床需求[52]。
4 小結與展望
未來 SCI 的康復將更加精準化、個體化和智能化，利用數智化先進技術和手段能改善 SCI 患者的功能狀態，提高康復治療效果和生活質量。SCI 的康復將迎來人工智能時代，近幾年腦-脊髓接口技術的臨床應用也取得了明顯的進步，并逐步應用于臨床患者，相信不久的將來，頸部、胸腰 SCI 的治療會迎來質的改變，相對地改善四肢癱瘓、截癱患者的困境。但是對于 SCI 后新型材料、脊髓電刺激、BCI 等技術的應用并未根本性改善患者的功能，屬于“權宜之計”。SCI 后運動功能、自主神經功能、感覺功能以及常見并發癥需要多途徑多手段干預，這無疑又增加了技術應用的難度，因此 SCI 后根本性的修復仍需要神經生物學的研究，生物學修復的突破才是真正的希望所在。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。