專利名稱：用于截癱行走的人工運動神經系統重建方法
技術領域：
本發明屬于康復生物醫學領域，涉及一種人工運動神經系統重建方法。
背景技術：
截癱是由脊髓損傷所造成的雙下肢嚴重殘疾，近年來發病率呈顯著上升趨勢。由于脊髓主管腦部與人體其它部分(尤其是肢體)的信息傳遞，其損傷將直接導致創面以下的神經系統障礙，造成對應肢體部分的癱瘓，加之其再生能力相當微弱，臨床治療手段十分有限。在截癱病人行走能力恢復方面，功能電刺激(Functional ElectricalStimulation，FES)技術被普遍認為是一種有效的臨床工具。FES技術是在癱瘓肢體處安裝刺激裝置，通過預定程序的電脈沖序列來刺激失去神經控制的肌肉收縮，從而產生腿部運動，以矯正或替代肢體運動狀況或喪失的功能。
FES技術本質上相當于人工重建運動神經(故FES康復訓練也稱為運動神經重建)。但迄今為止，FES技術所重建的運動神經僅限于驅動腿部肌肉的周邊運動神經，目前尚未有與患者腦部相連的中樞神經支配，不能算是獨立、自主、完備的運動神經系統。故現有的FES控制信號只能被動地由外界給出，其運動神經重建控制模式不能表達患者的主觀運動意識，因而具有自適應性差、易受干擾、難以學習掌握等致命弱點，制約了FES技術的運動神經重建效果，成為其在康復臨床推廣與應用中亟待解決的瓶頸問題。
由此設想若在FES重建的周邊運動神經和大腦之間再造一條新的人工信息通道，將截癱患者的主觀運動意識信息導出，用以自主地控制下肢運動狀態，形成完整的中樞-下肢運動神經系統，將創建一種新型的運動神經系統重建控制模式，也是一種十分理想的截癱患者康復方案。近年來腦-機接口(Brain-computer interface，BCI)技術的興起和迅速發展使這種構想成為可能。BCI是通過計算機監測、識別大腦思維意念信號模式，產生可控制和操縱周邊通訊或工作設備指令，以達到預想操作目的或實現與外界信息交流功能。它是一種全新的生物反饋控制和信息交流技術，其不必依賴于外周神經和肌肉響應，而僅根據大腦思維意念所產生腦電(EEG)信號與外界進行信息交流的特殊技術思路恰恰可以彌補現有FES控制技術的不足。
發明內容
本發明的主旨是克服現有技術的不足，提出一種人工運動神經系統重建方法，利用BCI技術控制FES，以實現截癱患者憑借自主運動意識驅動下肢步行的殘疾人康復訓練目的。該項發明可讓下肢癱瘓但頭腦功能正常的截癱患者有效恢復下肢運動功能，也適用于中風后的偏癱患者康復訓練。
本發明提出的技術方案如下一種用于截癱行走的人工運動神經系統重建方法，利用腦電信號導出截癱患者的主觀運動意識信息，用以自主地控制下肢運動狀態，每次循環包括下列步驟(1)利用安裝在截癱患者頭部的多導聯電極采集腦電信號；(2)采集到的腦電信號經過處理和數字化后，被輸入腦機接口控制裝置；(3)由腦機接口控制裝置對數字化的腦電信號進行譜分析和模式識別，如果判斷患者無行走意圖或有行走意圖卻行走意圖無效，則結束本次循環，否則，產生功能電刺激開關控制信號，并傳送給功能電刺激發生裝置；(4)功能電刺激發生裝置驅動安裝在患者下肢的多導聯刺激電極。
在上述重建循環中，步驟(3)可以按照下列步驟執行(1)根據經過處理的腦電信號，建立C3、C4導聯腦電信號的Alpha節律波段能量譜，計算C3、C4導聯的節律波段能量值；建立Cz導聯腦電信號的beta節律波段能量譜，計算其beta節律波段能量值。
(2)根據Cz導聯的能量值，判斷患者是否由需要下肢邁步動作的意圖，若該能量值大于邁步動作閾值，則意圖為“動”，繼續執行下一步；反之，則意圖為“不動”，結束本次循環；(3)若確定意圖為“動”，計算C3減C4導聯的能量差；若能量差大于方向動作閾值，判斷患者有“右腿邁步”的意圖；若能量差小于方向動作閾值的負值，則判斷患者有“左腿邁步”的意圖；若能量差的絕對值小于方向動作閾值，則判斷患者暫無邁步的意圖，結束本次循環。
(4)在確認患者有“左腿邁步”或“右腿邁步”的意圖之后，計算本次動作意圖與上次實際動作之間的時差，若該時差大于設定的動作不應期，則認為動作意圖有效；反之，認為動作意圖無效，結束本次循環。
(5)若判斷患者“左腿邁步”動作意圖有效，則產生“左腿邁步”的功能電刺激開關控制信號，并傳送給功能電刺激發生裝置；若判斷患者“右腿邁步”動作意圖有效，則產生“右腿邁步”的功能電刺激開關控制信號，并傳送給功能電刺激發生裝置。
本發明利用腦-機接口(BCI)技術系統提取截癱患者在欲進行左/右腿邁步主觀意念操作思維時所產生的腦電(EEG)預動作電位信號，用以控制輔助行走的功能電刺激(FES)驅動方式，從而在患者體外重建一條“意識(中樞神經)-運動(周邊神經)”的癱瘓病人人工運動神經系統，實現自主運動意識驅動下肢步行的殘疾人康復訓練目的。該系統不僅是全新的截癱行走康復技術，而且可推廣應用到其它相關殘疾人輔助器械的意識控制系統。本發明創建了一種新型的生物信息系統模式；為殘疾人開拓全新運動信息輸出渠道，開發新型人機系統，促進康復醫學發展。
圖1本發明的系統結構示意圖；圖2本發明所采用的癱瘓病人輔助神經信道恢復總流程圖；圖3本發明所采用的腦電信號譜分析流程圖。
具體實施例方式
本發明提出用于截癱行走的人工運動神經系統重建概念，該概念是指在截癱患者脊髓損傷后，利用功能電刺激作為神經假體重建患者下肢的周邊運動神經，并在FES重建的周邊運動神經和大腦之間再造一條新的人工信息通道，由腦-機接口(Brain-computerinterface，BCI)技術將截癱患者的主觀運動意識信息導出，用以自主地控制下肢運動狀態，形成完整的中樞—周邊運動神經系統，在患者體外重建一條人工運動神經系統，也稱為人工運動神經系統，是一種十分理想的截癱患者康復方案。
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳述。
本發明提出的癱瘓病人人工運動神經系統如圖1所示。依次連接的腦電采集裝置，腦-機接口控制裝置，功能電刺激信號發生器和多導聯刺激電極。首先利用安裝在截癱患者頭部的多導聯電極進行EE6信號采集、放大和A/D轉換后輸入計算機，經譜分析和模式識別產生FES開關控制信號。該控制信號經有效性檢測后通過BCI與FES接口傳遞至懸掛在患者腰間的FES刺激裝置，有選擇性地驅動安裝在患者下肢的多導聯電極，進而刺激相關癱瘓肌肉收縮，產生相應的下肢運動，完成預定動作。癱瘓病人人工運動神經系統重建方法的總流程如圖2所示。
想象動作可以引起腦電信號的特異性變化，如何通過提取腦電特征參數來識別想象動作的發生是目前腦-計算機接口(BCI)系統設計的技術關鍵之一。想象肢體動作引起動態腦電信號特征頻段功率譜密度改變的現象稱之為事件相關去同步或事件相關同步(ERD/ERS)。下肢想象動作主要在對側的主運動感覺區的beta節律(20-24hz)處引發ERD現象，部分受試者會引發同側主運動感覺區的同頻段功率譜密度上升的ERS現象。ERD與ERS既可以用作思維活動對刺激事件的有效響應標志，又可以在實時腦電處理中作為特征參數定位響應發生的具體時刻，因此在基于動作或想象動作電位的腦-計算機接口(BCI)系統設計中往往使用ERD與ERS作為關鍵性的觸發參數。本發明使用alpha或beta節律功率譜能量作為特征參數，對下肢左右腿邁步想象動作執行前后的動態腦電信號進行分析，具有良好的時域分辨能力和準確的區分效果。
本發明利用腦電控制功能電刺激左/右腿邁步模式流程如下(1)計算C3、C4導聯腦電信號的alpha節律波段能量譜，并讀取其中頻10Hz處能量值；計算Cz導聯腦電信號的beta節律波段能量譜，并讀取其中頻22Hz處能量值。
(2)根據Cz導聯的能量來判斷患者意圖是否需要下肢邁步動作，即區分“動”與“不動”；若該能量值大于邁步動作閾值Va，則意圖為“動”，進入步驟(3)；反之，則意圖為“不動”，結束；方向動作閾值Vd的取值由下面所述方法確定。
(3)若確定意圖為“動”，計算C3減C4導聯的能量差，根據相減的能量差來判斷患者意圖是要左腿邁步還是右腿邁步，即區分“左腿動”與“右腿動”；若二者相減的結果大于方向動作閾值Vd則可以斷定患者有右腿邁步的意圖，若二者相減的結果小于-Vd，則可以斷定患者有左腿邁步的意圖；若二者相減的結果在(-Vd，Vd)之間，則認為C3與C4導聯的能量差處于正常范圍，患者暫無邁步的意圖；方向動作閾值Vd的取值由下面所述方法確定。
(4)左右腿邁步動作意圖確認后，進行模式動作的有效性檢測。計算本次動作意圖與上次實際動作之間的時差，若該時差大于設定的動作不應期Tn，則認為動作意圖有效；反之，認為動作意圖無效；動作不應期Tn的取值由下面所述方法確定。
(5)若判斷患者左腿邁步的意圖有效，則輸出二進制控制指令信號“10”，觸發功能電刺激左腿邁步驅動模式，產生刺激電流，通過安裝在患者左腿股四頭肌及相應遠側肌群表面的刺激電極刺激相關肌肉收縮，實施真實左腿邁步動作。若判斷患者右腿邁步的意圖有效，則輸出二進制控制指令信號“01”，觸發功能電刺激右腿邁步驅動模式，產生刺激電流，通過安裝在患者右腿股四頭肌及相應遠側肌群表面的刺激電極刺激相關肌肉收縮，實施真實右腿邁步動作。
(6)重復(1)-(5)可使得患者左右腿邁步動作交替進行，進行連續行走。
本發明的譜分析在Labview平臺上完成。圖3是以beta節律波段能量譜為例的譜分析流程圖由頭皮電極拾得原始腦電信號經Labview采集卡輸入到計算機后，再經20～24Hz的帶通濾波保留其中beta節律成分；該信號經過10ms的均方根(RMS)平滑算法后分為兩路信號一路經過400～500ms的平均處理后成為主控制通道信號，用于輸出控制；另一路經過50ms的平均處理后成為輔助控制通道信號，用來判斷主通道信號是由受試者真實的操作意圖信號還是其它干擾所引起的噪聲信號。其判斷方法是將主通道信號與門限電壓進行比較，如果超越門限電壓，再與輔助控制通道信號進行比較以判斷是否真實beta節律增幅信號。信號處理流程最后將實際beta節律增幅信號作為控制信號輸出給接口電路并產生提示音給患者。
下面對如何確定系統參數進行說明。
對于本發明而言需要確定四個關鍵技術參數其一是邁步動作閾值Va，其二是方向動作閾值Vd，其三是動作不應期Tn，其四是各種干擾所引起的最大背景噪聲電壓。上述第一個參數反映患者在下肢靜止與邁步運動狀態之間beta節律波幅的差別；第二個參數反映患者在左右腿邁步狀態之間beta節律波幅的差別；第三個參數反映患者左右腿邁步交替之間所需時間差；第四個參數對判斷主控制通道信號是真實beta節律控制信號還是干擾噪聲具有重要的參考價值。
1邁步動作閾值把患者想象下肢邁步運動時beta節律波幅平均值記為Vm，下肢靜止動作時beta節律波幅平均值記為Vn，其差值記為Vd，則患者的邁步動作閾值Va可按下面經驗公式計算Va＝Vmt+0.8Vd(1)式中0.8是患者下肢邁步想象與靜止動作狀態下beta節律波幅差異的調整系數。
2方向動作閾值把患者想象左腿邁步時beta節律波幅平均值記為Vl，想象右腿邁步時beta節律波幅平均值記為Vr，其差值記為Vz，則患者的方向動作閾值Vd可按下面經驗公式計算Vd＝0.8Vz(2)式中0.8是患者兩種想象動作狀態下beta節律波幅差異的增益系數。本發明對不同患者采用相同的閾值，可根據不同的控制目標與任務來選取相應的方向閾值設定方案。
3動作不應期時間常數如前述，動作不應期時間常數Tn反映了患者左右腿邁步交替之間所需時間差，本發明采用相同增益系數值，按上述方法確定各患者的邁步和方向動作閾值，并用該系統測試患者的動作不應期時間值。為了獲得較穩定可靠的數據，要求每個患者重復操作試驗25次，考慮到系統硬件采集、信號處理所需時間和個體差異，本發明選取動作時間數據記錄中的最大值作為系統的動作不應期時間常數。
4最大背景噪聲電壓操作過程中會出現很多干擾因素(包括眼電、肌電信號和周圍環境噪聲干擾)。在上述干擾出現時動作平均數值會伴隨動作的發生或環境的變化而出現相應的改變，超出正常范圍很多。為警示大幅度干擾出現情況，本發明在主通道之外另在副通道上設定一個干擾警戒值(超過門限電壓，在可能出現的大幅度干擾范圍之內)，如果是超過這個警戒值就認為主通道的控制信號可能是由干擾引起的而非有意識控制下beta節律幅度的增加，從而抑制主通道控制信號的輸出。
16位受試者運用本發明的人工下肢運動神經系統重建方法進行基本系統特性實驗。該實驗目的是通過對受試者的數據分析來考察系統的設計方案可行性和易操作性及控制速度。受試者均為成年截癱患者(男女各半，平均年齡為36.2歲)。實驗包括四個階段，每個階段要求受試者進行20次連續左右腿邁步。受試者均未經過先期訓練，選擇起始動作任務的左右腿順序在實驗中隨機給出。從發出起始動作任務命令開始計時，到動作真實實施，邁步動作結束，則計時停止，依次進行20次；如果動作任務命令發出，邁步動作未被實施，則記為一個動作錯誤；如果動作任務命令發出，邁步動作實施，但邁步的不是動作任務命令所要選中的運動腿，則記為一個方向錯誤。實驗時間記錄嚴格在相同實驗條件下由同一實驗者負責進行。
對每個受試者記錄了在四個階段連續20個目標任務過程中的錯誤次數。表1為其中5位受試者的實驗結果，從實驗數據可以看出每個受試者在連續實驗過程中，錯誤次數明顯逐步減少，從第二階段開始，已將動作錯誤率和方向動作率均下降為5％以下，表明在第二階段實驗時多數受試者已經熟悉系統控制，從而迅速降低了錯誤水平。上述基本控制實驗結果表明了該人工下肢運動神經系統具有易于理解和操作的特點。
16名受試者實驗結果說明該系統具有不需要復雜學習或生物反饋訓練過程，準確度高，易掌握等特點，可能為思維正常但下肢運動功能殘缺的截癱患者提供一種新的信息交流控制方式和助殘康復及生活輔助工具。
表15位受試者實驗數據統計
權利要求
1.一種用于截癱行走的人工運動神經系統重建方法，利用腦電信號導出截癱患者的主觀運動意識信息，用以自主地控制下肢運動狀態，每次循環包括下列步驟(1)利用安裝在截癱患者頭部的多導聯電極采集腦電信號；(2)采集到的腦電信號經過處理和數字化后，被輸入腦機接口控制裝置；(3)由腦機接口控制裝置對數字化的腦電信號進行譜分析和模式識別，如果判斷患者無行走意圖或有行走意圖卻行走意圖無效，則結束本次循環，否則，產生功能電刺激開關控制信號，并傳送給功能電刺激發生裝置；(4)功能電刺激發生裝置驅動安裝在患者下肢的多導聯刺激電極。
2.根據權利要求1所述的人工運動神經系統重建方法，其特征在于，其中的步驟(3)按照下列步驟執行(1)根據經過處理的腦電信號，建立C3、C4導聯腦電信號的Alpha節律波段能量譜，計算C3、C4導聯的節律波段能量值；建立Cz導聯腦電信號的beta節律波段能量譜，計算其beta節律波段能量值。(2)根據Cz導聯的能量值，判斷患者是否由需要下肢邁步動作的意圖，若該能量值大于邁步動作閾值，則意圖為“動”，繼續執行下一步；反之，則意圖為“不動”，結束本次循環；(3)若確定意圖為“動”，計算C3減C4導聯的能量差；若能量差大于方向動作閾值，判斷患者有“右腿邁步”的意圖；若能量差小于方向動作閾值的負值，則判斷患者有“左腿邁步”的意圖；若能量差的絕對值小于方向動作閾值，則判斷患者暫無邁步的意圖，結束本次循環。(4)在確認患者有“左腿邁步”或“右腿邁步”的意圖之后，計算本次動作意圖與上次實際動作之間的時差，若該時差大于設定的動作不應期，則認為動作意圖有效；反之，認為動作意圖無效，結束本次循環。(5)若判斷患者“左腿邁步”動作意圖有效，則產生“左腿邁步”的功能電刺激開關控制信號，并傳送給功能電刺激發生裝置；若判斷患者“右腿邁步”動作意圖有效，則產生“右腿邁步”的功能電刺激開關控制信號，并傳送給功能電刺激發生裝置。
全文摘要
本發明屬于康復生物醫學領域，涉及一種人工運動神經系統重建方法，利用腦電信號導出截癱患者的主觀運動意識信息，用以自主地控制下肢運動狀態，每次循環包括下列步驟利用安裝在截癱患者頭部的多導聯電極采集腦電信號；采集到的腦電信號經過處理和數字化后，被輸入腦機接口控制裝置；由腦機接口控制裝置對數字化的腦電信號進行譜分析和模式識別，如果判斷患者無行走意圖或有行走意圖卻行走意圖無效，則結束本次循環，否則，產生功能電刺激開關控制信號，并傳送給功能電刺激發生裝置；功能電刺激發生裝置驅動安裝在患者下肢的多導聯刺激電極。采用本發明提出的重建方法，可以實現截癱患者憑借自主運動意識驅動下肢步行的殘疾人康復訓練目的，可讓下肢癱瘓但頭腦功能正常的截癱患者有效恢復下肢運動功能，也適用于中風后的偏癱患者康復訓練。
文檔編號A61N1/36GK1985758SQ200610129879
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月5日 優先權日2006年12月5日
發明者明東, 程龍龍, 萬柏坤 申請人:天津大學