专利名称：用于截瘫行走的人工运动神经系统重建方法
技术领域：
本发明属于康复生物医学领域，涉及一种人工运动神经系统重建方法。
背景技术：
截瘫是由脊髓损伤所造成的双下肢严重残疾，近年来发病率呈显著上升趋势。由于脊髓主管脑部与人体其它部分(尤其是肢体)的信息传递，其损伤将直接导致创面以下的神经系统障碍，造成对应肢体部分的瘫痪，加之其再生能力相当微弱，临床治疗手段十分有限。在截瘫病人行走能力恢复方面，功能电刺激(Functional ElectricalStimulation，FES)技术被普遍认为是一种有效的临床工具。FES技术是在瘫痪肢体处安装刺激装置，通过预定程序的电脉冲序列来刺激失去神经控制的肌肉收缩，从而产生腿部运动，以矫正或替代肢体运动状况或丧失的功能。
FES技术本质上相当于人工重建运动神经(故FES康复训练也称为运动神经重建)。但迄今为止，FES技术所重建的运动神经仅限于驱动腿部肌肉的周边运动神经，目前尚未有与患者脑部相连的中枢神经支配，不能算是独立、自主、完备的运动神经系统。故现有的FES控制信号只能被动地由外界给出，其运动神经重建控制模式不能表达患者的主观运动意识，因而具有自适应性差、易受干扰、难以学习掌握等致命弱点，制约了FES技术的运动神经重建效果，成为其在康复临床推广与应用中亟待解决的瓶颈问题。
由此设想若在FES重建的周边运动神经和大脑之间再造一条新的人工信息通道，将截瘫患者的主观运动意识信息导出，用以自主地控制下肢运动状态，形成完整的中枢-下肢运动神经系统，将创建一种新型的运动神经系统重建控制模式，也是一种十分理想的截瘫患者康复方案。近年来脑-机接口(Brain-computer interface，BCI)技术的兴起和迅速发展使这种构想成为可能。BCI是通过计算机监测、识别大脑思维意念信号模式，产生可控制和操纵周边通讯或工作设备指令，以达到预想操作目的或实现与外界信息交流功能。它是一种全新的生物反馈控制和信息交流技术，其不必依赖于外周神经和肌肉响应，而仅根据大脑思维意念所产生脑电(EEG)信号与外界进行信息交流的特殊技术思路恰恰可以弥补现有FES控制技术的不足。
发明内容
本发明的主旨是克服现有技术的不足，提出一种人工运动神经系统重建方法，利用BCI技术控制FES，以实现截瘫患者凭借自主运动意识驱动下肢步行的残疾人康复训练目的。该项发明可让下肢瘫痪但头脑功能正常的截瘫患者有效恢复下肢运动功能，也适用于中风后的偏瘫患者康复训练。
本发明提出的技术方案如下一种用于截瘫行走的人工运动神经系统重建方法，利用脑电信号导出截瘫患者的主观运动意识信息，用以自主地控制下肢运动状态，每次循环包括下列步骤(1)利用安装在截瘫患者头部的多导联电极采集脑电信号；(2)采集到的脑电信号经过处理和数字化后，被输入脑机接口控制装置；(3)由脑机接口控制装置对数字化的脑电信号进行谱分析和模式识别，如果判断患者无行走意图或有行走意图却行走意图无效，则结束本次循环，否则，产生功能电刺激开关控制信号，并传送给功能电刺激发生装置；(4)功能电刺激发生装置驱动安装在患者下肢的多导联刺激电极。
在上述重建循环中，步骤(3)可以按照下列步骤执行(1)根据经过处理的脑电信号，建立C3、C4导联脑电信号的Alpha节律波段能量谱，计算C3、C4导联的节律波段能量值；建立Cz导联脑电信号的beta节律波段能量谱，计算其beta节律波段能量值。
(2)根据Cz导联的能量值，判断患者是否由需要下肢迈步动作的意图，若该能量值大于迈步动作阈值，则意图为“动”，继续执行下一步；反之，则意图为“不动”，结束本次循环；(3)若确定意图为“动”，计算C3减C4导联的能量差；若能量差大于方向动作阈值，判断患者有“右腿迈步”的意图；若能量差小于方向动作阈值的负值，则判断患者有“左腿迈步”的意图；若能量差的绝对值小于方向动作阈值，则判断患者暂无迈步的意图，结束本次循环。
(4)在确认患者有“左腿迈步”或“右腿迈步”的意图之后，计算本次动作意图与上次实际动作之间的时差，若该时差大于设定的动作不应期，则认为动作意图有效；反之，认为动作意图无效，结束本次循环。
(5)若判断患者“左腿迈步”动作意图有效，则产生“左腿迈步”的功能电刺激开关控制信号，并传送给功能电刺激发生装置；若判断患者“右腿迈步”动作意图有效，则产生“右腿迈步”的功能电刺激开关控制信号，并传送给功能电刺激发生装置。
本发明利用脑-机接口(BCI)技术系统提取截瘫患者在欲进行左/右腿迈步主观意念操作思维时所产生的脑电(EEG)预动作电位信号，用以控制辅助行走的功能电刺激(FES)驱动方式，从而在患者体外重建一条“意识(中枢神经)-运动(周边神经)”的瘫痪病人人工运动神经系统，实现自主运动意识驱动下肢步行的残疾人康复训练目的。该系统不仅是全新的截瘫行走康复技术，而且可推广应用到其它相关残疾人辅助器械的意识控制系统。本发明创建了一种新型的生物信息系统模式；为残疾人开拓全新运动信息输出渠道，开发新型人机系统，促进康复医学发展。
图1本发明的系统结构示意图；图2本发明所采用的瘫痪病人辅助神经信道恢复总流程图；图3本发明所采用的脑电信号谱分析流程图。
具体实施例方式
本发明提出用于截瘫行走的人工运动神经系统重建概念，该概念是指在截瘫患者脊髓损伤后，利用功能电刺激作为神经假体重建患者下肢的周边运动神经，并在FES重建的周边运动神经和大脑之间再造一条新的人工信息通道，由脑-机接口(Brain-computerinterface，BCI)技术将截瘫患者的主观运动意识信息导出，用以自主地控制下肢运动状态，形成完整的中枢—周边运动神经系统，在患者体外重建一条人工运动神经系统，也称为人工运动神经系统，是一种十分理想的截瘫患者康复方案。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。
本发明提出的瘫痪病人人工运动神经系统如图1所示。依次连接的脑电采集装置，脑-机接口控制装置，功能电刺激信号发生器和多导联刺激电极。首先利用安装在截瘫患者头部的多导联电极进行EE6信号采集、放大和A/D转换后输入计算机，经谱分析和模式识别产生FES开关控制信号。该控制信号经有效性检测后通过BCI与FES接口传递至悬挂在患者腰间的FES刺激装置，有选择性地驱动安装在患者下肢的多导联电极，进而刺激相关瘫痪肌肉收缩，产生相应的下肢运动，完成预定动作。瘫痪病人人工运动神经系统重建方法的总流程如图2所示。
想象动作可以引起脑电信号的特异性变化，如何通过提取脑电特征参数来识别想象动作的发生是目前脑-计算机接口(BCI)系统设计的技术关键之一。想象肢体动作引起动态脑电信号特征频段功率谱密度改变的现象称之为事件相关去同步或事件相关同步(ERD/ERS)。下肢想象动作主要在对侧的主运动感觉区的beta节律(20-24hz)处引发ERD现象，部分受试者会引发同侧主运动感觉区的同频段功率谱密度上升的ERS现象。ERD与ERS既可以用作思维活动对刺激事件的有效响应标志，又可以在实时脑电处理中作为特征参数定位响应发生的具体时刻，因此在基于动作或想象动作电位的脑-计算机接口(BCI)系统设计中往往使用ERD与ERS作为关键性的触发参数。本发明使用alpha或beta节律功率谱能量作为特征参数，对下肢左右腿迈步想象动作执行前后的动态脑电信号进行分析，具有良好的时域分辨能力和准确的区分效果。
本发明利用脑电控制功能电刺激左/右腿迈步模式流程如下(1)计算C3、C4导联脑电信号的alpha节律波段能量谱，并读取其中频10Hz处能量值；计算Cz导联脑电信号的beta节律波段能量谱，并读取其中频22Hz处能量值。
(2)根据Cz导联的能量来判断患者意图是否需要下肢迈步动作，即区分“动”与“不动”；若该能量值大于迈步动作阈值Va，则意图为“动”，进入步骤(3)；反之，则意图为“不动”，结束；方向动作阈值Vd的取值由下面所述方法确定。
(3)若确定意图为“动”，计算C3减C4导联的能量差，根据相减的能量差来判断患者意图是要左腿迈步还是右腿迈步，即区分“左腿动”与“右腿动”；若二者相减的结果大于方向动作阈值Vd则可以断定患者有右腿迈步的意图，若二者相减的结果小于-Vd，则可以断定患者有左腿迈步的意图；若二者相减的结果在(-Vd，Vd)之间，则认为C3与C4导联的能量差处于正常范围，患者暂无迈步的意图；方向动作阈值Vd的取值由下面所述方法确定。
(4)左右腿迈步动作意图确认后，进行模式动作的有效性检测。计算本次动作意图与上次实际动作之间的时差，若该时差大于设定的动作不应期Tn，则认为动作意图有效；反之，认为动作意图无效；动作不应期Tn的取值由下面所述方法确定。
(5)若判断患者左腿迈步的意图有效，则输出二进制控制指令信号“10”，触发功能电刺激左腿迈步驱动模式，产生刺激电流，通过安装在患者左腿股四头肌及相应远侧肌群表面的刺激电极刺激相关肌肉收缩，实施真实左腿迈步动作。若判断患者右腿迈步的意图有效，则输出二进制控制指令信号“01”，触发功能电刺激右腿迈步驱动模式，产生刺激电流，通过安装在患者右腿股四头肌及相应远侧肌群表面的刺激电极刺激相关肌肉收缩，实施真实右腿迈步动作。
(6)重复(1)-(5)可使得患者左右腿迈步动作交替进行，进行连续行走。
本发明的谱分析在Labview平台上完成。图3是以beta节律波段能量谱为例的谱分析流程图由头皮电极拾得原始脑电信号经Labview采集卡输入到计算机后，再经20～24Hz的带通滤波保留其中beta节律成分；该信号经过10ms的均方根(RMS)平滑算法后分为两路信号一路经过400～500ms的平均处理后成为主控制通道信号，用于输出控制；另一路经过50ms的平均处理后成为辅助控制通道信号，用来判断主通道信号是由受试者真实的操作意图信号还是其它干扰所引起的噪声信号。其判断方法是将主通道信号与门限电压进行比较，如果超越门限电压，再与辅助控制通道信号进行比较以判断是否真实beta节律增幅信号。信号处理流程最后将实际beta节律增幅信号作为控制信号输出给接口电路并产生提示音给患者。
下面对如何确定系统参数进行说明。
对于本发明而言需要确定四个关键技术参数其一是迈步动作阈值Va，其二是方向动作阈值Vd，其三是动作不应期Tn，其四是各种干扰所引起的最大背景噪声电压。上述第一个参数反映患者在下肢静止与迈步运动状态之间beta节律波幅的差别；第二个参数反映患者在左右腿迈步状态之间beta节律波幅的差别；第三个参数反映患者左右腿迈步交替之间所需时间差；第四个参数对判断主控制通道信号是真实beta节律控制信号还是干扰噪声具有重要的参考价值。
1迈步动作阈值把患者想象下肢迈步运动时beta节律波幅平均值记为Vm，下肢静止动作时beta节律波幅平均值记为Vn，其差值记为Vd，则患者的迈步动作阈值Va可按下面经验公式计算Va＝Vmt+0.8Vd(1)式中0.8是患者下肢迈步想象与静止动作状态下beta节律波幅差异的调整系数。
2方向动作阈值把患者想象左腿迈步时beta节律波幅平均值记为Vl，想象右腿迈步时beta节律波幅平均值记为Vr，其差值记为Vz，则患者的方向动作阈值Vd可按下面经验公式计算Vd＝0.8Vz(2)式中0.8是患者两种想象动作状态下beta节律波幅差异的增益系数。本发明对不同患者采用相同的阈值，可根据不同的控制目标与任务来选取相应的方向阈值设定方案。
3动作不应期时间常数如前述，动作不应期时间常数Tn反映了患者左右腿迈步交替之间所需时间差，本发明采用相同增益系数值，按上述方法确定各患者的迈步和方向动作阈值，并用该系统测试患者的动作不应期时间值。为了获得较稳定可靠的数据，要求每个患者重复操作试验25次，考虑到系统硬件采集、信号处理所需时间和个体差异，本发明选取动作时间数据记录中的最大值作为系统的动作不应期时间常数。
4最大背景噪声电压操作过程中会出现很多干扰因素(包括眼电、肌电信号和周围环境噪声干扰)。在上述干扰出现时动作平均数值会伴随动作的发生或环境的变化而出现相应的改变，超出正常范围很多。为警示大幅度干扰出现情况，本发明在主通道之外另在副通道上设定一个干扰警戒值(超过门限电压，在可能出现的大幅度干扰范围之内)，如果是超过这个警戒值就认为主通道的控制信号可能是由干扰引起的而非有意识控制下beta节律幅度的增加，从而抑制主通道控制信号的输出。
16位受试者运用本发明的人工下肢运动神经系统重建方法进行基本系统特性实验。该实验目的是通过对受试者的数据分析来考察系统的设计方案可行性和易操作性及控制速度。受试者均为成年截瘫患者(男女各半，平均年龄为36.2岁)。实验包括四个阶段，每个阶段要求受试者进行20次连续左右腿迈步。受试者均未经过先期训练，选择起始动作任务的左右腿顺序在实验中随机给出。从发出起始动作任务命令开始计时，到动作真实实施，迈步动作结束，则计时停止，依次进行20次；如果动作任务命令发出，迈步动作未被实施，则记为一个动作错误；如果动作任务命令发出，迈步动作实施，但迈步的不是动作任务命令所要选中的运动腿，则记为一个方向错误。实验时间记录严格在相同实验条件下由同一实验者负责进行。
对每个受试者记录了在四个阶段连续20个目标任务过程中的错误次数。表1为其中5位受试者的实验结果，从实验数据可以看出每个受试者在连续实验过程中，错误次数明显逐步减少，从第二阶段开始，已将动作错误率和方向动作率均下降为5％以下，表明在第二阶段实验时多数受试者已经熟悉系统控制，从而迅速降低了错误水平。上述基本控制实验结果表明了该人工下肢运动神经系统具有易于理解和操作的特点。
16名受试者实验结果说明该系统具有不需要复杂学习或生物反馈训练过程，准确度高，易掌握等特点，可能为思维正常但下肢运动功能残缺的截瘫患者提供一种新的信息交流控制方式和助残康复及生活辅助工具。
表15位受试者实验数据统计
权利要求
1.一种用于截瘫行走的人工运动神经系统重建方法，利用脑电信号导出截瘫患者的主观运动意识信息，用以自主地控制下肢运动状态，每次循环包括下列步骤(1)利用安装在截瘫患者头部的多导联电极采集脑电信号；(2)采集到的脑电信号经过处理和数字化后，被输入脑机接口控制装置；(3)由脑机接口控制装置对数字化的脑电信号进行谱分析和模式识别，如果判断患者无行走意图或有行走意图却行走意图无效，则结束本次循环，否则，产生功能电刺激开关控制信号，并传送给功能电刺激发生装置；(4)功能电刺激发生装置驱动安装在患者下肢的多导联刺激电极。
2.根据权利要求1所述的人工运动神经系统重建方法，其特征在于，其中的步骤(3)按照下列步骤执行(1)根据经过处理的脑电信号，建立C3、C4导联脑电信号的Alpha节律波段能量谱，计算C3、C4导联的节律波段能量值；建立Cz导联脑电信号的beta节律波段能量谱，计算其beta节律波段能量值。(2)根据Cz导联的能量值，判断患者是否由需要下肢迈步动作的意图，若该能量值大于迈步动作阈值，则意图为“动”，继续执行下一步；反之，则意图为“不动”，结束本次循环；(3)若确定意图为“动”，计算C3减C4导联的能量差；若能量差大于方向动作阈值，判断患者有“右腿迈步”的意图；若能量差小于方向动作阈值的负值，则判断患者有“左腿迈步”的意图；若能量差的绝对值小于方向动作阈值，则判断患者暂无迈步的意图，结束本次循环。(4)在确认患者有“左腿迈步”或“右腿迈步”的意图之后，计算本次动作意图与上次实际动作之间的时差，若该时差大于设定的动作不应期，则认为动作意图有效；反之，认为动作意图无效，结束本次循环。(5)若判断患者“左腿迈步”动作意图有效，则产生“左腿迈步”的功能电刺激开关控制信号，并传送给功能电刺激发生装置；若判断患者“右腿迈步”动作意图有效，则产生“右腿迈步”的功能电刺激开关控制信号，并传送给功能电刺激发生装置。
全文摘要
本发明属于康复生物医学领域，涉及一种人工运动神经系统重建方法，利用脑电信号导出截瘫患者的主观运动意识信息，用以自主地控制下肢运动状态，每次循环包括下列步骤利用安装在截瘫患者头部的多导联电极采集脑电信号；采集到的脑电信号经过处理和数字化后，被输入脑机接口控制装置；由脑机接口控制装置对数字化的脑电信号进行谱分析和模式识别，如果判断患者无行走意图或有行走意图却行走意图无效，则结束本次循环，否则，产生功能电刺激开关控制信号，并传送给功能电刺激发生装置；功能电刺激发生装置驱动安装在患者下肢的多导联刺激电极。采用本发明提出的重建方法，可以实现截瘫患者凭借自主运动意识驱动下肢步行的残疾人康复训练目的，可让下肢瘫痪但头脑功能正常的截瘫患者有效恢复下肢运动功能，也适用于中风后的偏瘫患者康复训练。
文档编号A61N1/36GK1985758SQ200610129879
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月5日 优先权日2006年12月5日
发明者明东, 程龙龙, 万柏坤 申请人:天津大学