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    近10年脑机接口技术用于脑卒中康复领域的可视化分析

    时间：2023-07-02 19:50:07来源：百花范文网本文已影响人

    刘明月，樊亚蕾，张蒙，宋薛艺，李哲,2,3

    1.郑州大学第五附属医院，a.康复医学科；
    b.儿童康复科，河南郑州市 450052；
    2.河南省康复医学重点试验室，河南郑州市 450052；
    3.郑州大学康复医学研究所，河南郑州市 450052

    脑卒中是一组突然起病，以局灶性神经功能缺失为共同特征的急性脑血管疾病，具有高发病率、高致死率、高致残率的特点[1]。80%患者遗留不同程度的运动、认知及言语等功能障碍，严重影响生活质量[2]。促进脑卒中患者受损功能的恢复，一直是脑卒中康复的核心内容[3]。近年来，越来越多的新技术用于此领域，其中脑机接口技术所形成的闭环训练模式，引起大家广泛关注[4]。脑机接口即大脑、机器、接口三者的结合，它可通过特定设备对患者的中枢信号(电、磁、代谢信号等)进行提取与解译，控制外部辅助设备(计算机、机器人、虚拟键盘、功能性电刺激等)，使患者绕过受损的神经-肌肉、神经-语言等传导通路，实现中枢与外界直接交互，达到闭环康复训练的目的[5]。相较于传统训练方案，脑机接口具有闭环模式、实时监测、趣味性强、多重反馈等优势，尤其对于脑卒中早期或重度功能障碍患者的功能恢复具有重要的临床意义[6]。

    当前脑机接口技术用于脑卒中康复领域已从实验室逐步走向临床应用，但研究内容较多，方向错综复杂，尚缺乏对该领域文献的整体分析和梳理。CiteSpace 软件是一款能够从宏观、中观、微观3 个层面梳理某一领域中的知识框架与演进历程，识别研究热点和演算研究趋势的信息可视化软件，相比于传统的文献统计方法更具有科学性、时效性和准确性[7]。本研究采用CiteSpace 软件对脑机接口技术用于脑卒中康复的相关文献进行演算，厘清该领域研究现状与热点，并合理预估研究热点的演变趋势，以期推动该领域的进一步发展。

    1.1 资料来源

    本研究来自于Web of Science 核心数据库，包含子库：科学引文索引(Science Citation Index Expanded,SCI-EXPANDED)、社会科学引文索引(Social Sciences Citation Index,SSCI)、艺术与人文引文索引(Arts &Humanities Citation Index,A&HCI)、科技会议文献引文索引(Conference Proceedings Citation Index-Science,CPCI-S)、新兴来源引文索引(Emerging Sources Citations Index,ESCI)、近期化学反应索引(Current Chemical Reactions,CCR-EXPANDED)、化合物索引(Index Chemicus,IC)。

    1.2 文献检索与筛选方法

    采用主题词与自由词相结合的方式进行检索，检索词：stroke、apoplexy、cerebral infarction、cerebral hemorrhage、cerebral vascular accident、brain-machine interface、brain-computer interface、rehabilitation。检索时限2011 年1 月1 日至2022 年10 月31 日，文献语种限定为英语。

    下载检索的文献题录并导入CiteSpace 5.8.R3软件中，利用软件自带的Duplicates Removal 功能进行机器查重[8]，然后通过阅读题目和摘要进行人工查重，以上过程均由2 名研究人员独立进行，如有异议则通过与第3 位研究人员讨论进行裁决，以避免个人操作的失误与偏差。

    1.3 研究方法

    1.3.1数据导入与转换

    将检索到的文献以.txt 的格式导出，使用CiteSpace 软件中自带的格式转换器，将.txt 格式记录的内容文件转换为CiteSpace可用的download_XXX 格式[9]，最后将信息导入CiteSpace软件中。

    1.3.2数据处理与分析

    时间跨度设置为2011 年1 月1 日至2022 年10 月31 日，时区选择设置为1 年。主题来源保持默认值。节点类型分别为国家、机构、作者、学科、关键词和共被引等。分析阈值以及修剪选项依据不同的节点类型选择合适的参数[10]。并根据不同的研究目的选择绘制共现、聚类或突现科学知识图谱。

    2.1 发文量

    最终共纳入592 篇相关文献，其中期刊类论文491 篇，综述101 篇。该领域的年发文量呈现快速增长趋势。见图1。

    图1 脑机接口技术用于脑卒中康复领域发文量的年度趋势图

    2.2 国家/地区

    节点选择国家“country”，阈值Top N=50 形成共56 个节点，225 条连线组成的共现图谱，见图2。该领域研究涉及的国家/地区达56 个，国家间交流紧密。该领域发文量前5的国家/地区见表1。

    图2 脑机接口技术用于脑卒中康复领域的国家/地区共现图谱

    表1 脑机接口技术用于脑卒中康复领域研究的主要国家(前5位)

    2.3 机构

    节点选择机构“institute”，阈值Top N=50 时形成863个节点，2 055条连线组成的共现图谱，见图3。全球各机构间联系紧密，德国图宾根大学发文量(46篇)和中心性(0.41)都是最高的。国内复旦大学发文量最高(17 篇)，中心性(0.09)。发文量前5 的机构见表2。

    表2 脑机接口技术用于脑卒中康复领域的主要研究机构(前5位)

    图3 脑机接口技术用于脑卒中康复领域研究机构的共现图谱

    2.4 作者

    节点选择作者“author”，阈值Top N=20 时形成2 352 个节点，8 611 条连线组成的共现图谱。见图4。发文量前5位的作者见表3。

    图4 脑机接口技术用于脑卒中康复领域作者共现图谱

    表3 脑机接口技术用于脑卒中康复研究的主要作者(前5位)

    2.5 关键词

    2.5.1共现分析

    节点类型选择关键词“Keyword”，阈值Top N=50，选择Pathfinder(寻找路径算法)、“Pruning sliced networks”和“Pruning the merged network”裁剪方式，去除与检索策略相关的主题词，形成由505 个节点，1 582 条连线组成的关键词共现图谱。见图5。前10关键词的频次及中心性见表4。

    表4 脑机接口技术用于脑卒中康复领域研究的关键词(前10位)

    图5 脑机接口技术用于脑卒中康复领域的关键词共现图谱

    2.5.2聚类分析

    在关键词共现基础上，通过CiteSpace 的LLR 算法对关键词进行聚类，得到10 个主要关键词聚类群。见图6。各个聚类包含的主要关键词见表5。

    表5 关键词聚类图中包含的主要关键词

    图6 脑机接口技术用于脑卒中康复领域的关键词聚类图

    2.5.3突现分析

    在关键词聚类基础上进行突现分析能发现突增的研究热点，观察到该研究热点持续的年份，在一定程度上能探测某一科学领域的发展趋势。见图7。

    图7 脑机接口技术用于脑卒中康复领域的关键词突现图谱

    2.6 共被引

    2.6.1文献

    节点选择引文“Reference”，阈值Top N=50 时，得到被引频次居前5位的文献。见表6。

    表6 脑机接口技术用于脑卒中康复领域的高被引文献(前5名)

    2.6.2期刊

    节点选择期刊 “Cited Journal”，阈值Top N=50时，得到被引频次前5的期刊。见表7。

    表7 脑机接口技术用于脑卒中康复领域的高被引期刊(前5位)

    2.7 基金支持情况

    节点选择基金“Grant”，阈值Top N=50 时，基金支持情况排名前5 的依次是国家自然科学基金(51篇)，国立神经病学与中风研究所(22篇)，美国国立卫生研究院(16 篇)，国家生物医学成像和生物工程研究所(13篇)，国家转化科学促进中心(11篇)，除第1项来自中国，其余均来自美国。

    一个领域在某时期内的发文量可一定程度反映该领域的发展速度和研究热度[11]。脑机接口技术用于脑卒中康复领域近10年的发文量呈快速增长趋势，说明该领域在国际上得到高度重视，研究热度持续增加。鉴于脑机接口技术用于脑卒中患者的应用范围、疗效影响和机制研究等问题仍存在争议，预测将来的发文量仍将持续高速增长。

    科研合作网络是指研究主体以生产科学知识为目的而共同工作，CiteSpace 提供了国家/机构/作者3 个层面的合作网络分析，为相应层面交流、发展和决策提供一定参考[9]。

    在国家/地区层面，发文高产国家集中在美洲、欧洲和亚洲地区，其中美国目前处于领先地位，其发文量和中介中心性均处于首位。我国发文量处于第2位，且中心性良好，这可能得益于“中国脑计划”以发展类脑人工智能技术为应用的实施与落实[12]。

    在发文机构和作者中，德国图宾根大学在此领域具有较大的优势，来自此机构的高产作者Niels Birbaumer、Alireza Gharabaghi形成了具有较高影响力的团队，该团队最早设计用于脑卒中偏瘫患者手功能康复的脑磁图脑机接口系统[13]，其研究内容主要集中于脑卒中上肢运动康复以及交流性脑机接口系统的应用[14-16]。中国发文量最多的机构是复旦大学，以高产作者贾杰为中心形成专业的研究团队，该团队的研究内容主要集中于设计上肢脑机接口康复系统并探讨其疗效影响和中枢机制[17-18]。

    从基金支持情况上看，中国的国家自然科学基金排名首位，美国在基金数量上占有较大的优势，众多的基金项目为培育高水平的创新型科技人才队伍，促进该领域研究持续发展做出极大的贡献。

    综合分析，我国在该领域具有一定的优势，但与美国、德国仍有一定的差距，团队间合作较为薄弱，我国应加强与不同国家/地区间合作交流，特别是与上述具有高影响力的国家与机构的交流合作，充分发挥“中国脑计划”蓝图的优势。

    关键词是对文章核心内容的提炼，通过对关键词进行共现、聚类及突现分析，能够直接、敏锐地发现某领域的研究热点与趋势[10]。通过对脑机接口技术用于脑卒中康复领域的关键词图谱分析，发现该领域近10年研究的主要内容集中于对上肢运动康复的疗效分析和相应中枢机制探讨。在疗效方面，高被引文献中Cervera 等[19]进行的一项Meta 分析显示，脑机接口技术用于改善卒中后患者上肢运动障碍具有显著的及时疗效，但与其他中枢康复技术类似，其长期疗效仍存在争议。因此如何使患者在脑机接口训练中长期受益，是目前该领域研究的热点之一。以往研究进行了诸多探索，如结合虚拟现实技术使患者更好完成中枢训练任务[20]，结合间歇性θ 脉冲刺激以期提高在线分类准确率[21]，与其他中枢调控技术联合应用[22-23](如重复经颅磁刺激、经颅电刺激等)，以及多模态脑机接口系统的研发应用[24]。在中枢机制方面，以往研究结合脑电图、功能磁共振等手段进行不同角度的探讨。可以肯定的是脑机接口训练可以有效刺激大脑的某些功能和结构发生重组，从而改善或重新学习因脑卒中所致的功能障碍[25-27]。但是，对于以何种方式诱导、如何引发和引起哪些中枢可塑性的变化等仍然存在争议[28]。未来围绕脑机接口训练引起的脑功能激活和神经网络重塑的研究仍会是该领域的热点。另外关键词聚类表中多次出现与下肢脑机接口应用相关的关键词，结合相关研究发现，其研究内容主要集中于改善脑卒中引起的足下垂，进而改善患者的步态和平衡功能[29]。脑机接口调制下的功能性电刺激用于改善脑卒中后足下垂和平衡功能障碍的可行性与疗效已得到初步验证[30-31]，但解码下肢动力学参数相对复杂，使得下肢脑机接口临床推广较为缓慢[32]。未来下肢脑机接口系统的临床应用与优化，可能会成为该领域研究的热点。

    除用于运动康复外，关键词聚类显示脑机接口用于脑卒中的认知训练内容呈现小规模聚集。近年来研究表明，神经反馈技术能有效调节大脑皮质激活状态，实现对记忆、注意力、处理速度或执行功能等心理变量的认知改善[33]，作为神经反馈技术的延伸，脑机接口技术引入“闭环”神经反馈模式[4]。从神经反馈训练对其他疾病(如儿童的注意力缺陷多动障碍和老年人的轻度认知障碍等)取得的良好结果和对脑卒中患者的初步结果显示，脑机接口在改善脑卒中患者认知和语言功能方面具有良好的应用前景[34-36]。Mane等[37]最近的综述列出脑机接口技术用于脑卒中患者认知和语言康复研究的详细研究列表，虽相关研究仍处于萌芽阶段，但未来仍需要予以关注。最后，对脑卒中患者的整个康复过程来说，运动、认知和语言等功能的恢复有相互促进的作用[38]，建立一体化的康复平台对脑卒中整体功能的恢复具有重要意义。脑机接口技术具有的闭环反馈模式和多学科融合的特点，对于建立这一全面康复平台具有优势。因此，探索建立基于脑机接口的脑卒中一体化康复平台，可能为改善脑卒中患者的生活质量提供全面的解决方案。

    目前脑机接口技术用于脑卒中康复领域发展迅速，国内外研究方向呈现多元化、深层次发展趋势，研究内容有待进一步深入挖掘。我国已充分认识到该领域的重要性，并取得一定进展。但我国脑机接口技术发展相对较晚，脑机接口产业相对滞后，未来需加大科技基金投入，加强与国家以及团体间交流合作，进一步研发智能化脑机接口康复平台。

    本研究还存在一定的局限性。中文研究对此领域的涉及较少，无法形成有效的可视化图谱，造成一定偏倚。仅对Web of Science 数据库的文献进行分析，部分发表于其他外文数据库的文献未能被统计分析，也可能导致分析结果偏倚。希望今后能结合软件的发展进一步广泛分析，更加客观地呈现该领域的发展脉络。

    本研究基于Web of Science 数据库，运用CiteSpace软件首次对脑机接口技术用于脑卒中康复领域的相关文献进行文献计量分析，通过对该领域的研究现状、热点及趋势进行大致剖析，相对科学、直观地展现了该领域研究的概况及热点趋势，为未来此领域研究的选题、交流和发展方向等提供了一定参考。

    利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。

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