专利名称：基于神经信号再生的生物感觉传递及控制方法
技术领域：
本发明涉及神经信号的探测、远距离传输及其控制运用，尤其是一种利用探测、放大、远距离传输感觉神经信号和运动神经信号，从而实现生物体之间感觉传递的基于神经 信号再生的生物感觉传递及控制方法，属于医学、神经信息学，通信科学、电路科学、微机械 加工等技术领域。
背景技术：
两个远隔千里的高等动物之间能否实现互感互动是一个有趣的话题。从科学理论 上来讲，如果两个动物之间没有任何物理上(声、光、电、机械等)的联系，要达到互感互动 是不可能的。迄今为止，人类已经通过有线和无线电话、电视、互联网等多种技术实现远隔 千里万里的信息交流，实现了 “顺风耳”和“千里眼”的古代神话描述。然而，有一种设想目 前还没有实现，那就是“身临其境”，感受痛、温、触、压等皮肤感觉。多年以来，已有人在为瘫痪病人康复设计控制肢体运动的功能电刺激装置。由于 人们现在还不知道人体的哪怕是一种最简单的运动所对应的神经编码是什么，所以用构思 的电脉冲编码作控制信号产生的肢体运动与正常人肢体运动的自由度与和谐度相去甚远。 并且目前大多数的研究还仅仅局限在利用神经信号控制假肢，利用神经信号直接控制生物 体肌肉的运动的研究报道甚少。在ZL 200510135541.6的发明专利中，提出了“微电子系统辅助神经信道功能恢 复方法及其装置”，用于受损脊髓神经的信道桥接、信号再生和功能重建。这一专利技术要 处理的是动作和感觉的神经电位脉冲序列(编码)。然而，该发明专利的特征是1)应用目 标是同体受损的脊髓神经，2)采用近距离有线的生物神经一电子接口。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于神经信号再生的生物感觉传递及控制方法，利用自 一个生物体神经元和神经纤维束中探测到的神经信号，通过一种或多种特别是无线通信技 术的组合，对其他生物体相关部位进行电激励，通过感觉神经信号与运动神经信号的传输 与重建，从而实现不同生物体之间，感觉的远距离传递与运动的远距离控制。实现上述发明目的采用的技术方法是基于神经信号再生的生物感觉传递及控制 方法，其特征在于将近端神经电极从近端生物体的不同神经上探测的感觉神经信号和运 动神经信号经过包括放大、滤波、A/D转换在内的近端信号处理电路后输入计算机，然后通 过通信传输至远端，经过包括单片机、D/A转换、激励电路在内的远端信号处理电路转换成 电流信号并通过远端神经电极施加于至少另一生物体的对应相同神经上，分别重建出近端 生物体上的感觉神经信号和运动神经信号，使远端生物体获得相同的感觉，或者在重建运 动神经信号的作用下，控制远端生物体肌肉产生相应的动作，实现不同生物体之间感觉的 传递与不同生物体之间运动的控制。所说近端神经电极含探测电极和参考电极，共同构成近端信号处理电路的差分输入端，近端信号处理电路设有至少一路通道，设有一个正向输入端与一个负向输入端，不同 的探测电极从不同的神经上探测神经电信号，送入不同通道的正向输入端；各通道的负向 输入端与共用参考电极相连；近端信号处理电路设有依次连接的缓冲隔离器、低通RC滤波 网络、仪器放大器、高通滤波网络、初级放大电路、级间耦合电路、二次放大电路、多路复用 器、A/D转换电路与接口电路，接口电路输出至包括有线、无线或有线与无线混合的通信传 输系统。上述电路中，隔离缓冲器的作用是为电路提供高的输入阻抗，为电路与神经之间提 供良好的隔离。由于神经信号为低频信号，因此首先利用低通RC滤波网络滤除高频干扰信 号，以减少干扰。仪器放大器是微弱信号探测中的常用放大器，它能够为电路提供高的共模 抑制比，由于近端信号处理电路采用差分探测方式，很多种干扰可以被具有高共模抑制比 的仪器放大器所抑制。由于神经电极与神经接触会发生类似原电池反应，因此存在一个极 化电压，该电压为一个直流量，因此需要高通滤波网络对可能产生的极化电压进行抑制。初 级放大电路、二次放大电路的作用是对信号进行放大，由于神经信号是微弱的电信号，因此 需要高增益的放大器进行放大，考虑到一级放大器所能提供的增益有限，故采用两级放大。 级间耦合电路是一个高通放大器，将初级放大电路、二次放大电路的直流工作点分离。采用 多路复用器是减少系统规模的途径，多路通道通过多路复用器分时复用A/D转换器，这样 减少了 A/D转换器的数量，降低了系统的功耗与成本。由于转换为数字信号的神经电信号 需要送入通信系统，不同的通信系统与其它外设之间满足特定的通信协议，需要将信号转 化为符合特定通信协议的信号，故需要接口电路。 所说远端信号处理电路设有至少一路通道，通过上述通信传输系统接收的近端生 物体神经信号经过远端信号处理电路中依次连接的接口电路、单片机构成的控制电路、D/A 转换电路、级间耦合电路和激励电路后有两路输出，分别为正向输出与负向输出，它们分别 与两神经电极相连，正向输出与反向输出通过两神经电极，作用在同一根神经上，正向输出 与激励电路相连，反向输出与电路的地相连。上述电路中，接口电路的作用是将来自通信 系统的信号转化为D/A转换所需要的数据格式与类型。主要由单片机或其它控制单元如 FPGAjCPLD以及基于ARM构架的其它微处理器所构成的控制电路决定了来自通信系统的数 字信号被送至哪一路通道。D/A转换电路负责将来自通信系统，经过控制电路的数字信号转 化为模拟电压信号。由于接口电路、控制电路为数字电路，而D/A转换电路的输出为模拟信 号，需要利用模拟电路来处理，数字电路与模拟电路的工作点不同，所以需要引入级间耦合 电路进行隔离。研究表明，在对神经进行激励时，电流信号比电压信号更加有效，因此利用 激励电路将D/A转换电路输出的模拟电压信号转换为模拟电流信号。激励电路的该路通道 的正向输出，与一神经电极相连。该路通道的负向输出为电路的地，与另一神经电极相连。 两电极作用在同一个神经上，当有激励信号时，与正向输出、负向输出相连的电极之间的神 经区域被激发，从而产生神经电信号。根据研究表明，神经信号主要是脉冲的形式(动作 电位)，不同的脉冲频率与幅度包含不同的信息，当记录方式一定时，神经脉冲波形是相似 的。利用神经电极在神经上激励出的神经电信号，其幅值与激励信号的大小在一定范围内 正相关，且脉冲之间存在一一对应的关系的特性。因此，可以想象，利用探测到的神经电信 号(电压信号，且主要是脉冲的形式)，转化为适合激励的电流信号后，直接对神经进行激 励，较大的神经脉冲可以在目标神经上激励出较大的神经脉冲，较小的神经脉冲可以在目 标神经上激励出较小的神经脉冲，并且由于存在一一对应的关系，即一个神经脉冲可以在目标神经上激励出一个与之相关的神经脉冲。这样就可以将探测神经上的神经脉冲的幅度 与频率再现在目标神经上，从而实现了神经信号的再生。近端神经电极的探测电极最好布置在参考电极的周围，探测电极和参考电极之间 的距离应小于1cm，参考电极可与被探测神经周围的组织相接触并不要求参考电极必须与 神经接触。探测电极与参考电极只是按照其在电路中的不同连接方法而分类的，电极结构 本身并没有差别；远端两神经电极之间的距离不要超过0. 3cm。本发明的优点及显著效果(1)本发明具有十分重大的意义为除听觉、视觉以外感觉的远程传输提供了新的思路，将是继电话、电视之后又一项重要的发明，提供了一种基于神经信号再生的远程生 物运动控制方式，具有重大的创新性，主要体现在以下几点1)目前，对于感觉信号的远程 再现是通过再现出相关的环境，然后人再来感受而实现的，如温度的再现是利用温度传感 器先测出温度，把该数据传输到远处，在通过温度调节系统，使得某一物体具有相同的温 度，然后人再来感受该物体，从而实现感觉的传递。以这种方式，如果需要传输不同的感觉 信息，就需要设计不同的系统，十分复杂。而本发明的思想则是虽然外部的感觉不同，但是 它们被人体感受到以后都会转换为神经信号，只不过神经信号的模式不同，如果能够在另 一个生物体的神经上再现出同样的神经信号，就可以实现感觉的再现。这样，只要设计一个 系统，就可以实现多种感觉信号的传递。2)目前，对于生物肢体的控制多数是基于肌肉电刺 激的方式进行的，也就是利用电压刺激肌肉，使得相应的肌肉收缩。这种控制方式需要很高 的电压(几十甚至上百伏)。而且需要对控制肢体的神经信号进行解码，以控制相应的刺激 器，非常复杂。而在本发明中，仅将控制运动的神经信号无失真的传递，作用到相应的神经 上，再现出该运动神经信号，不仅需要的刺激电压低(几伏)而且不需要对神经信号进行解 码，大大简化了设计。另外，该发明涉及到多个学科如临床医学，通信科学，神经信息学，电 路科学，微机械加工等，是一项跨多门学科的发明，具有较高的技术含量。(2)与ZL200510135541.6相比较，前者的受益人群比较狭窄，仅仅是瘫痪病人。本 发明则无此限制，可以适用在任意的生物体之间；本发明采用各种远程通信技术，使得两个 生物体之间感觉的传递与运动控制的距离大大的增加，而在ZL 200510135541. 6的发明专 利中，神经信号仅仅是跨过受损的脊髓实现重建与再生；本发明实现了一对多的感觉传递 与运动控制，这在ZL 200510135541.6中是不可实现的。(3)本发明具有广泛的应用领域，如感受远方的嗅觉，触觉等从而实现真正意义上 的“身临其境”在医疗康复领域，可以将该装置应用于一个健康人(如护士)和多个瘫痪病人之 间，实现瘫痪病人在护士引导下的康复性运动。在军事领域，目前生物机器人的研究正火热进行，即利用一些低等生物如蟑螂，蜻 蜓等实现侦查、排爆等任务。本发明还为生物机器人的控制提供了新的思路。
图1是本发明方法系统的示意图；图2是近端信号处理电路的结构框图；图3是远端信号处理电路的结构框图4是基于3G接入技术与互联网技术，实现的蟾蜍痛觉信号传递实验示意图；图5是近端处理电路中的缓冲隔离器、低通RC滤波网络、仪器放大器、高通滤波网 络、的一种实现方式；图6是近端处理电路中的初级放大电路、级间耦合电路、二次放大电路、的一种实 现方式；图7是远端处理电路中的级间耦合电路、激励电路的一种实现方式；图8是近、远端两只蟾蜍的腓肠肌上分别观测到的肌电信号。
具体实施例方式参看图1，神经电极(可以是阵列)2的触点从生物体1上探测神经信号并送入近 端信号处理电路3。当探测不同的神经时，可以分别得到感觉神经信号和运动神经信号。将 探测到的感觉神经信号通过通信系统4发送至远端并通过远端信号处理电路5与神经电极 (可以是阵列)6，将处理后的感觉神经信号施加在生物体7的相同神经部位上，就可以在生 物体7的相同神经上重建出生物体1上所探测到的感觉神经信号，从而使生物体7获得与 生物1相同的感觉；将探测到的运动神经信号通过通信系统4发送至远端并通过远端信号 处理电路5与神经电极(可以是阵列)6，将处理后的运动神经信号施加在生物体7的相同 神经部位上，就可以在生物体7的相同神经上重建出生物体1上所探测到的运动神经信号。 生物体7将在该运动神经信号的作用下，控制肌肉产生相应的动作，从而实现生物运动功 能的控制。参看图2，近端信号处理电路3应当至少包含一路通道，其中包含缓冲隔离器31， 低通RC滤波网络32，仪器放大器33，高通滤波网络34，初级放大电路35，级间耦合电路36， 二次放大电路37，多路复用器38，AD转换电路39与接口电路30。探测电极21与参考电极 22为近端信号处理电路3提供差分输入(包含正向输入与负向输入两个输入端，不同的探 测电极21从不同的神经上探测神经电信号，送入不同通道的正向输入端；各通道的负向输 入端与同一个电极相连，该电极被称为参考电极22。在实施过程中，为保证信号的质量，被 用作探测电极21与参考电极22的神经电极之间的距离需要小于1cm，也就是说探测电极 21应当布置在参考电极的周围，参考电极22与被探测神经周围的组织相接触，不要求参考 电极22必须与神经接触。探测电极21与参考电极22是按照其在电路中的不同连接方法 而分类的，电极本身并没有差别)与缓冲隔离器31相连，将探测的信号送入低通RC滤波网 络32。缓冲隔离器31为电路提供了高的输入阻抗，低通RC滤波网络32的作用是对高频干 扰进行抑制，将抑制后的信号送入仪器放大器33，为电路提供高的共模抑制比以减少共模 噪声的影响。仪器放大器33与高通滤波网络34相连，该网络的作用为抑制极化电压造成 的失调。来自神经的微弱信号进一步通过初级放大电路35，二次放大电路37的放大，就可 以进行AD转换。为了对AD转换电路39进行复用，这里采用了多路复用器38。各个信号通 路公用一个参考电极22，并且与各自的探测电极21相连。参看图3，来自计算机的数字信号通过接口电路50被送入主要由单片机构成的控制电路51，经DA转换电路52将数字信号转换为模拟信号，通过级间耦合电路53进入激励 电路54，每一路通道有两路输出，分别为正向输出与负向输出，它们分别与神经电极61、62 相连。正向输出与反向输出通过神经电极，作用在同一根神经上，两者之间的距离不要超过0.3cm。其中正向输出与激励电路相连，反向输出与电路的地相连。与正向输出相连的电极与负向输出相连的电极没有区别。参看图4，将一只蟾蜍8左腿的坐骨神经暴露，并且为防止蟾蜍的大脑产生神经信 号，将其头部去掉，利用MicroProbes公司所提供的Nerve Cuff电极12包裹在其坐骨神经 上，Nerve Cuff电极是神经电极的一种，神经电极的触点安置在一种柔性材料的表面上，这 种柔性材料可以很好的包裹在神经表面，神经电极的触点安置在柔性材料与神经接触的那 一面，从而实现神经与电极之间的良好接触。选择该电极中两个相邻的电极点作为电路的 输入，其中远心端作为正向输入，近心端作为负向输入。电极与近端神经信号处理电路3相 连，其中缓冲隔离器31，低通RC滤波网络32，仪器放大器33，高通滤波网络34所采用的电 路结构如图5所示，图中Ul，U2，U4为运算放大器，U3为仪器放大器。初级放大电路35，级 间耦合电路36，二次放大电路37的结构如图6所示，U5，TO为运算放大器，其中二次放大电 路可以通过开关选择不同的电阻，从而改变其增益。选择TI公司的MSP430F169处理器芯 片，该芯片中集成了多路复用器38和一个12bit的AD转换器。FT245是一款用于USB通信 的芯片，利用芯片FT245与MSP420F169相连，并用MSP420F169对FT245进行控制，就可以构 成接口电路30，该电路将来自AD转换器的数据转化为能够通过USB总线进行传输的数据。 利用NI公司的LABVIEW软件，在计算机上进行进一步编程，其目的是(1)接收来自USB总 线的数据(2)通过互联网，将数据发送。计算机10通过中兴公司的3G上网卡MU350利用 中国电信的网络，接入互联网。在另一端，另一台配备中兴公司的3G上网卡MU350的计算 机11通过同样的方式接入互联网。远端信号处理电路5中的接口电路50仍然由FT245芯 片实现，控制电路51，DA转换器52，由TI公司的MSP430F169处理器芯片实现该芯片中集 成了多个DA转换器。远端信号处理电路5中的级间耦合电路53，激励电路54的一种实现方式如图7所 示，图中的U7，U8，U9为运算放大器。同样选取MicroProbes公司所提供的Nerve Cuff电 极13包裹在另一只去头蟾蜍9的被暴露的左腿坐骨神经上，电极的位置与第一只蟾蜍上的 电极位置相同。选择电极中相邻的两个触点作为输出，远心端的触点作为正向输出，近心端 作为负向输出，与激励电路相连。上述近端及远端信号处理电路中的各电路构成和连接都是电学领域的公知技术。参看图8，利用5%的醋酸溶液0. 5mL，滴在近端第一只蟾蜍8的左腿上，可以看到， 第一只蟾蜍由于受到酸的刺激，从而产生了缩腿反应(上图)。与此同时，由于感觉信号在 远端第二只蟾蜍9同样的神经上得到了再生，因此第二只蟾蜍也产生了同样的由于疼痛而 引起的缩腿动作(下图)。该实验已经被录制为视频，在视频中可以清楚的观察到两只蟾蜍 的动作。由于肌电信号也可以反应相应肌肉的动作，考虑到两只蟾蜍的缩腿动作与腓肠肌 有关，因此在实验中记录了腓肠肌上的肌电信号，从图中可以清楚的看到两只蟾蜍的腓肠 肌都发生了动作，并且肌电信号类似，但不完全相同。两组肌电信号之间存在一定的延时， 说明蟾蜍的动作存在先后的关系，延时是由于信号的传输延时而引起的。
权利要求
基于神经信号再生的生物感觉传递及控制方法，其特征在于将近端神经电极从近端生物体的不同神经上探测的感觉神经信号和运动神经信号经过包括放大、滤波、A/D转换在内的近端信号处理电路后输入计算机，然后通过通信传输至远端，经过包括单片机、D/A转换、激励电路在内的远端信号处理电路转换成电流信号并通过远端神经电极施加于至少另一生物体的对应相同神经上，分别重建出近端生物体上的感觉神经信号和运动神经信号，使远端生物体获得相同的感觉，在重建运动神经信号的作用下，控制远端生物体肌肉产生相应的动作，实现不同生物体之间感觉的传递与不同生物体之间运动的控制。
2.根据权利要求1所述基于神经信号再生的生物感觉传递及控制方法，其特征在于近端神经电极含探测电极和参考电极，共同构成近端信号处理电路的差分输入端，近端信号处理电路设有至少一路通道，设有一个正向输入端与一个负向输入端，不同的探测 电极从不同的神经上探测神经电信号，送入不同通道的正向输入端；各通道的负向输入端 与共用参考电极相连；近端信号处理电路设有依次连接的缓冲隔离器、低通RC滤波网络、 仪器放大器、高通滤波网络、初级放大电路、级间耦合电路、二次放大电路、多路复用器、A/ D转换电路与接口电路，接口电路输出至包括有线、无线或有线与无线混合的通信传输系 统；远端信号处理电路设有至少一路通道，通过上述通信传输系统接收的近端生物体神经 信号经过远端信号处理电路中依次连接的接口电路、单片机构成的控制电路、D/A转换电 路、级间耦合电路和激励电路后有两路输出，分别为正向输出与负向输出，它们分别与两神 经电极相连，正向输出与反向输出通过两神经电极，作用在同一根神经上，正向输出与激励 电路相连，反向输出与电路的地相连。
3.根据权利要求2所述基于神经信号再生的生物感觉传递及控制方法，其特征在 于近端神经电极的探测电极布置在参考电极的周围，探测电极和参考电极之间的距离 小于1cm，参考电极与被探测神经周围的组织相接触；远端两神经电极之间的距离不超过 0. 3cm。
全文摘要
本发明公开了一种基于神经信号再生的生物感觉传递及控制方法，该方法将近端神经电极从近端生物体的不同神经上探测的感觉神经信号和运动神经信号经过包括放大、滤波、A/D转换在内的近端信号处理电路后输入计算机，然后通过通信传输至远端，经过包括单片机、D/A转换、激励电路在内的远端信号处理电路转换成电流信号并通过远端神经电极施加于至少另一生物体的对应相同神经上，分别重建出近端生物体上的感觉神经信号和运动神经信号，使远端生物体获得相同的感觉，或者在重建运动神经信号的作用下，控制远端生物体肌肉产生相应的动作，实现不同生物体之间感觉的传递与不同生物体之间运动的控制。
文档编号A61N1/36GK101816550SQ20101012803
公开日2010年9月1日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者吕晓迎, 李文渊, 沈晓燕, 王志功, 黄宗浩 申请人:东南大学