功能性电刺激与脑机接口用于同时控制手腕和手指屈曲动作

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Functional electrical stimulation and brain-machine interfaces for simultaneous control of wrist and finger flexion

　　

摘要

背景

要让颈椎脊髓损伤患者恢复灵巧的手部动作，需要持续控制多个相互关联的生物力学自由度。脑机接口控制的功能性电刺激是一种有望恢复手部功能的有效方法。我们研究了使用先前提出的、分别独立刺激各自由度的方法，能否同时恢复两个相互关联的自由度的运动能力，即手指弯曲和手腕弯曲。随后，我们展示了一种能够与功能性电刺激系统结合使用、实现对手指和手腕弯曲同时控制的脑机接口技术。

方法

有两只猴子的手部肌肉中植入了肌内电极，通过刺激这些电极可让两只猴子的手指和手腕产生动作。此外，其中一只猴子的初级运动皮层中还植入了皮层内电极阵列，无需功能性电刺激，仅通过脑机接口就能控制虚拟手部的手指和手腕弯曲。

结果

首先，我们展示了有一只猴子在虚拟手部暂时瘫痪前后，都能通过皮层内脑机接口控制手指和手腕的弯曲动作，两次试验中的成功率及动作掌握时间都与正常人通过脑机接口控制瘫痪后手部动作的情况相当。接着我们发现，采用两种预定的功能性电刺激模式——一种用于刺激手指弯曲，另一种用于刺激手腕弯曲，能够让猴子的手指和手腕在一定的功能活动范围内活动。由于手腕和手指之间存在生物力学耦合，单独刺激手指或手腕弯曲最终也能带动另一个自由度的动作。不过我们证明，采用一种将每个自由度独立处理的简单控制策略，在闭环任务中就能同时控制这两个自由度，成功率超过80%。

结论

我们提出了一种利用人工脑体接口的方法，有望让脊髓损伤患者恢复连续的手指和手腕运动功能。