看定制脑电图头套如何改变脑部的居家康复治疗

富有远见的已故英国科幻小说家亚瑟·查理斯·克拉克（Arthur C. Clarke）于1961年写道：“任何足够先进的科技，皆与魔法无异。”比方说，看着肢体瘫痪患者靠着意念力用自己瘫痪的手抓握东西，简直犹如魔幻一般。可如今，这却已经是现实了，只需借助脑机接口技术（BCI）对肌肉进行功能性电刺激（FES）即可。

但问题又来了。英国苏格兰格拉斯哥大学生物医学工程博士生Nina Petric-Gray 说：“BCI结合FES的疗法涉及许多复杂的设备，装配起来有点费时。患者还需要和训练有素的专业人员预约治疗时间。”

但是，假如能够轻而易举地获取可靠的脑电图信号，以便患者（或无需受过太多培训的看护人员）可以在家自行操作，这必将大幅降低治疗费用，使更多中风或脊髓损伤后肢体瘫痪的患者有能力接受康复治疗。于是Petric-Gray 接受了这项挑战，着手设计出一款家用便携式BCI头套。

Petric-Gray在脊髓损伤及中风后康复治疗方面拥有丰富的研究经验。她的硕士专业是产品设计工程，这个专业是由格拉斯哥艺术学院和格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院联合开设的。她的博士生主任导师是格拉斯哥大学康复工程学高级讲师Aleksandra Vuckovic博士，他在BCI领域工作了15年。

Vuckovic 博士说：“在英国，我们有5万个病例，其中一部分完全瘫痪，其他则是局部丧失运动能力。英国每年约有120万人中风，而约三分之一的患者在出院后手部无法正常移动或使用，如果他们能在家进一步接受康复治疗的话，必将获益良多。”

脊髓损伤或中风后，大脑往往再也无法向手脚发出指令，因而造成肢体瘫痪，使患者局部或完全丧失使用四肢的能力。过去至少十年来，已有康复专科医师通过对那些以模拟大脑信号刺激肌肉的神经电子装置进行信号通路的重新设置，成功地恢复部分的肢体运动能力。有些患者甚至在经过数月或数年的技术治疗后训练好自己，可以在无人协助下行动。借助BCI，部分患者最终可能可以恢复用手的能力。

BCI头套可以记录大脑的活动情况。Vuckovic 博士说：“你可以测量大脑活动，并在屏幕上以图形方式显示出来，指导患者自我调节大脑活动。当你考虑移动时，你的大脑活动就会产生变化，这变化就像你实际动作时所产生的那样。你如果想要移动自己的手，计算机会检测到你的意图，并激活刺激器向手部的肌肉发出信号。然后，你的手就可以开始动起来了。”

脊髓损伤后手功能未完全丧失的患者是BCI结合FES疗法的主要对象。Vuckovic博士说：“他们能够恢复触及、弯曲和伸缩功能，也就是用手抓握东西的灵活性，我们就很开心了。中风患者的效果或许会更好，毕竟他们通常较好地保留手的控制能力，更何况他们是脑部损伤，所以我们可以直接用BCI针对脑部进行治疗。我们绝对可以帮助患者变得更加独立、自立。”

Vuckovic 博士的实验室使用Emotiv公司已上市的便携式头套对BCI进行了测试。Petric-Gray 说：“那款头套是专为玩游戏设计的，并不适用于我们想专注的大脑关键区域。这头套也无法始终如一地适应不同用户的头部，但要想做好脑电图信号采集，这可是至关重要的，就是电极和头部之间要有良好的接触。”

最后，Petric-Gray 决定利用欧特克Fusion 360中的衍生式设计技术开发专用头套。格拉斯哥艺术学院产品设计工程系主任兼Petric-Gray的博士生联合导师Craig Whittet说：“最初，我们采用传统的计算机辅助设计工具进行头套设计。后来在2018年底，我们把概念开发工作搬到Fusion 360上，运用衍生式设计工具进行优化。”

衍生式设计软件能让设计工程师输入一组需求，再根据这些需求自动生成多组设计方案供选择。设计师通常会淘汰其认为最终用户可能出于美学或现实原因而拒绝的潜在设计方案。例如，尽管是有效的设计，但如果看起来令人生畏或是难以清洁维护，则可能会被拒绝。

“我可以对头部进行三维扫描，然后将采集到的三维数据导入衍生式设计软件生成个性化头套设计，”Petric-Gray说道。该过程为她创造了使用各种塑料材料的约15种不同效果图。

Petric-Gray 说：“在最初的设计过程中，电极该安放在哪里，我基本上是用猜的。但是，我希望能够确切地知道电极和头部位置的对应关系。这正是我决定采用衍生式设计的主要原因。”

大多数标准的商业化脑电图头套，都只在没有头发妨碍电极与皮肤接触的额部进行采集。Vuckovic 博士说：“如果没有专家在场确定采集到的信号好不好，就是说到底真的是脑电图信号还是只是噪音，那可就棘手了。”

可惜，头皮上可以采集到有用脑电图信号的最佳位置通常都有头发覆盖。虽然还是可以做到，但如果头套能够实现患者头部的个性化适配，就可以轻易地取得良好的接触。

另一个障碍是，脑电图电极通常需要导电凝胶才能形成良好的接触点。像用于追踪痴呆症发展或监测癫痫症患者微发作之类的脑电图采集应用中所使用的干式电极，可以拿来改造使用。如此一来，不但可以减少装配时间，患者使用头套后也无需洗头。如果患者需要每天甚至一天几次接受治疗，卫生问题是不可忽视的。

一开始，Petric-Gray原本尝试开发一款配有可调节束带的通用型头套，但却发现单一的设计并不适合所有人。她的设计需要实现可为每个患者量身定制个性化设备，而且这些定制设备需要能够快速、廉价地制造出来。

为了最大限度降低定制成本，生产环节打算采用增材制造工艺，也就是3D打印技术。Petric-Gray还希望最大限度地减少将头套佩戴到患者头上时所使用的活动部件数量，否则会增加生产制造的复杂性和成本。

到目前为止，Petric-Gray设计的定制头套仅在健康受试者身上试用。该系统尚未经过正式的医疗器械检测，仍需进一步调试改进和资金支持，才能将其实际投入临床试验。

如果该团队能向英国国家医疗服务体系（NHS）和英国药品与保健产品监管机构（MHRA）证明，该设备在治疗和成本方面相较于到医院接受康复治疗更具优势，则该设备就有望上市供康复治疗使用，届时NHS可能会提供补助。

Vuckovic 博士说：“我们正在开发另一种应用，针对的是神经病理性疼痛患者，这类患者约占人口的8%。所以说真的，这款头套不是只能应用于运动康复治疗，任何类型的神经调节干预治疗都能派上用场。你也可以用来提升玩游戏时的最佳表现，我们在这里就是用这款头套测试健康人如何仅凭脑波玩多用户游戏。”