JNER:一种用于亚急性脊髓损伤患者手部治疗的BCI-FES系统——一项可用性研究

很多年轻人患有创伤性脊髓损伤（SCI），并且生活了几十年。根据他们的神经水平和受伤的严重程度，他们在日常生活活动（ADL）方面需要依赖护理人员。对于这些人来说，实现最大的手功能对于ADL至关重要，研究表明，手功能是四肢瘫痪患者的首要任务。虽然最大程度和最快速的功能恢复发生在受伤后的第一年，但出于成本的考虑，患者一般受伤后几个月内出院。这可能会限制患者的康复，因为获得物理治疗和康复的机会仅限于专业中心。因此，需要易于一种易于使用和有效的解决方案来促进SCI患者的社区康复。

脑-计算机接口（BCI）技术已与功能性电刺激（FES）相结合，用于中风和脊髓损伤后的康复，并已被证明在临床环境中有效。对于患者来说，系统的有效性和准确性很重要，而护理人员则关注硬件设置的简单性和用户界面的友好性。因此，为了测试将BCI系统引入社区医疗工具的可行性，需要了解三个群体、治疗师、护理者和患者在学习和使用系统过程中的需求和障碍，以便将他们纳入UCD（以用户为中心的设计）过程。本研究的目的是测试使用基于消费者级脑电技术的定制BCI-FES系统用于脊髓损伤患者手部治疗康复的可行性。本文发表在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》。

该研究涉及三组BCI-FES使用者：OTs、亚急性SCI患者及其护理者（通常为家庭成员）。所有参与者都没有参与过BCI。总共招募了8名SCI患者及其护理人员，但其中一对在一次BCI-FES治疗后退出。在8名SCI患者中，2名为女性，6名为男性，平均年龄为55.4岁 ± 15.6年。损伤特征为：C2级损伤2例，C4级损伤4例，C5级损伤2例；四个AIS C表示感觉和运动不完全损伤，运动等级低于损伤等级3级，四个AIS D不完全损伤，但运动等级高于损伤等级3级；招募时受伤后平均时间为12.4 ± 6.2周（最少6周，最多26周）。在招募的护理人员中，5名为女性，3名为男性，平均年龄为45.3岁 ± 14.3年。

以用户为中心的设计流程

研究人员招募了OTs，教他们使用该系统，然后对每个参与者进行监督和评估。OTs在最多五个小时的培训课程中学习使用BCI系统，并在最多五个小时的培训课程中教每位护理人员操作BCI系统。成功培训后，SCI使用者和护理者可以选择独立完成最多10个额外的疗程（由研究者监督，但无OT）。护理者的角色是为SCI患者搭建系统。SCI患者的角色是实际执行BCI促进的手部治疗。 

用户在进行康复训练

硬件由BCI和FES设备组成。在C++中开发了一个专有的用户应用程序， 启用脑电设备和FES刺激器之间的BCI控制和通信。为了在治疗过程中获取EEG信号，使用EMOTIVEPOC（美国Emotiv公司），采样频率为128 Hz。对于初始和最终EEG评估，使用GTech g.USBamp生物放大器（奥地利Guger Technologies），采样率为256 Hz，在以下位置使用16个EEG通道：AFz、F3、Fz、F4、FC3、FCz、FC4、C3、Cz、C4、CP3、CPz、CP4、P3、Pz、P4，地面在A1上，参考在A2上。阻抗保持在5kΩ以下。FES刺激器Rehastim（德国Hasomed有限公司）允许最多四个通道独立使用。OT单独评估每个用户的特定运动缺陷。最常见的是，FES电极放置在前臂上，以交替方式激活手腕和手指屈肌和伸肌。

软件界面及流程

有效性：BCI的准确率为70–90%。效率：中位数穿戴时间从最初的40.5分钟减少到最后一次训练的27分钟（N = 7） ，在最后一次训练中降至14分钟（N = 3)。BCI和FES参数在训练间保持稳定。满意度：SCI使用者和护理者对系统的平均满意度为3.68 ± 0.81。实施BCI-FES技术的主要促进因素是“看手移动”、“为所爱的人做一些有用的事情”、良好的计算机素养（SCI患者和护理人员）、“积极参与治疗”（OT），而主要障碍是设置的技术复杂性（所有组）和“缺乏临床证据”（OT）。

患者初始神经评估期间的群体脑电图特征

研究结束时，OTs报告了使用该系统并将其介绍给SCI使用者和护理者的信心。有了足够的实践、适当的学习辅助和指导以及持久的远程支持，治疗师可以继续教授需要治疗的人及其护理者，甚至可以将知识传授给其他治疗师。生活在农村和偏远地区，附近没有康复中心的人可能最需要这种方便的家庭治疗。因此，为了使任何基于家庭的治疗成为真正可行和可持续的解决方案，必须在当地组织培训，并提供本地和远程支持。

尽管一些SCI使用者认为手功能有所改善，但由于多种因素，不能断定这是BCI-FES治疗的结果。首先，自然恢复发生在受伤后，每个SCI使用者在研究过程中积极参加物理治疗和职业治疗课程。其次，BCI-FES训练时间太短，因为最少的治疗次数约为10次长疗程或20次短疗程。参与OTs的动机是SCI患者积极参与治疗的必要性。他们认为这有利于患者的康复，因为他们经常鼓励患者积极参与，但许多患者在接受FES常规治疗时仍保持被动。

总之，BCI-FES系统有可能被SCI或中风患者用作家庭手部治疗，前提是它易于使用。

Zulauf-Czaja, A., Al-Taleb, M.K.H., Purcell, M. et al. On the way home: a BCI-FES hand therapy self-managed by sub-acute SCI participants and their caregivers: a usability study. J NeuroEngineering Rehabil 18, 44 (2021). https://doi.org/10.1186/s12984-021-00838-y