CN102302823A - 基于运动轨迹规划的经颅磁刺激自动调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及康复器械、神经研究领域。为提供能够准确实时地鉴别其运动轨迹诉求，利用控制器实时反馈控制调节刺激强度，在对使用者进行TMS刺激时，能够取得良好的刺激效果，本发明采取的技术方案是，以关节角度为表征的运动轨迹规划，自动控制TMS的输出强度的方法，即基于运动轨迹规划的经颅磁刺激自动调控方法，包括下列步骤：初始化，预建立控制模型；以关节角度表征运动轨迹规划，引入闭环反馈系统，利用关节角度作为反馈信号，对最优小区进行刺激，依控制模型实时控制TMS刺激强度。本发明主要应用于康复器械设计制造。

Description

基于运动轨迹规划的经颅磁刺激自动调控方法

技术领域

本发明属于康复器械、神经研究领域，具体是涉及基于运动轨迹规划的经颅磁刺激自动调控系统及方法。

背景技术

TMS是一种非侵入性无痛性的神经系统检测和治疗技术，是Barker等于1985年首先创立的一种皮层刺激方法，具有无痛、无损伤、操作简便、安全可靠等优点，并且很快得到临床应用。Barker研究小组于1985年成立了英国Magstim公司生产出世界首台经颅磁刺激器。国内外TMS相关的研究领域主要有：TMS与情绪、疲劳、麻醉药物、认知研究、躯体感觉皮层、毒品等，TMS还可以与神经病学、精神病学和药理学研究相结合。TMS应用的治疗领域主要是神经科、精神科和康复理疗科等，在脊髓损伤、帕金森病(PD)、癫痫、缺血性卒中、精神分裂症(阴性症状)、抑郁症、强迫症、躁狂症、创伤后应激障碍(PTSD)、颅外上后康复、卒中后康复、外周神经康复等也有不错的效果，是无创伤治疗和康复领域的少有的设备。与电刺激相比，磁刺激有无痛，刺激线圈不必接触皮肤，穿过颅骨时刺激强度不衰减，安全有效且易于操作等明显优点，已广泛应用于实验室和临床工作。

大脑皮层控制躯体运动的部位称为皮层运动区，主要位于中央前回。运动区也有一些与大脑皮层体表感觉区相似的特点：①对躯体运动的调节支配具有交叉的性质，即一侧皮层主要支配对侧躯体的肌肉。但这种交叉性质不是绝对的，例如头面部肌肉的支配多数是双侧性的。②具有精细的功能定位，即一定部位皮层的刺激引起一定肌肉的收缩。功能代表区的大小与运动的精细复杂程度有关；运动越为精细而复杂的肌肉，其代表区也愈大。③从运动区的上下分布来看，其定位安排呈身体的倒影；下肢代表区在顶部(膝关节以下肌肉代表区在皮层内侧面)，上肢代表区在中间部，头而部肌肉代表区在底部(头面部代表区内部的安排仍为正立而不倒置)。从运动区的前后分布来看，躯干和肢体近端肌肉的代表区在前部，肢体远端肌肉的代表区在后部，手指、足趾、唇和舌的肌肉代表区在中央沟前缘。根据皮层运动区的这几个特点，可以根据使用者所要执行的目标动作，用TMS设备刺激大脑皮层运动区的相关位置。

TMS运动诱发电位技术是一项检测运动传导通路功能的神经电生理技术，它的基本原理是TMS效应刺激皮层运动区产生的兴奋通过下行传导径路，使脊髓前角细胞或周围神经运动纤维去极化，在相应肌肉或神经表面记录到MEP，还可以在靶肌群上记录到复合型肌动作电位(Compound Muscle Action Potential，CMAP)。MEP的潜伏期、幅度、均方根值、积分肌电值都可以用来检查TMS对运动皮层造成的兴奋性效应。

人体运动的基础是环节围绕关节轴的转动，因此对人体关节角的概念和计算方法进行定义与规范是准确描述人体运动的保证。解剖学对人体关节角度的定义是基于环节绕不同基本轴(矢状轴、额状轴、垂直轴)在不同基本切面(矢状面、额状面、水平面)上的位置所确定的。关节角度可以作为运动状况的表征。由于各使用者所需的刺激强度和关节角度之间的关系不同，所以需要为每位使用者建立连续控制模型。应用时，向系统输入一组多维关节角度序列，利用控制器实时反馈控制调节刺激强度，对使用者进行刺激。

目前未见上述技术的成熟技术方案报道。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供基于运动轨迹规划的经颅磁刺激自动调控系统，能够准确实时地鉴别其运动轨迹诉求，利用控制器实时反馈控制调节刺激强度，在对使用者进行TMS刺激时，能够取得良好的刺激效果，为达上述目的，本发明采取的技术方案是，以关节角度为表征的运动轨迹规划，自动控制TMS的输出强度的方法，即基于运动轨迹规划的经颅磁刺激自动调控方法，包括下列步骤：初始化，预建立控制模型；以关节角度表征运动轨迹规划，引入闭环反馈系统，利用关节角度作为反馈信号，对最优小区进行刺激，依控制模型实时控制TMS刺激强度。

初始化，预建立控制模型具体包括以下步骤：

(1)根据使用者所要执行的目标动作，找到对应的大脑皮层运动区映射位置；

(2)TMS刺激相应区域；

(3)通过基于MEP的自动定位技术，确定最佳刺激点；

(4)在最佳刺激点，施加不同的刺激强度；

(5)根据刺激强度和关节角度之间的关系，建立连续控制模型。

依控制模型实时控制TMS刺激强度具体包括以下步骤：

(1)根据预设轨迹，输入一组用于运动轨迹规划的多维关节角度序列；

(2)控制TMS刺激大脑皮层运动区响应位置；

(3)通过量角器探测器探测关节角度；

(4)经由角度传感器反馈回关节角度信号；

(5)根据关节角度，利用反馈控制实时控制调节刺激强度。

MEP的自动定位技术具体为：TMS刺激目标大区域精准划分的小区间产生的MEP信号作为特征信号，由于MEP的幅值与兴奋性效应成正比且方便测量，所以选用MEP幅度信息作为特征值进行反馈，在多次循环后，根据特征值自动选取目标大区域间定位最优小区。

本发明具有以下技术效果：

本发明首先定位到最佳刺激点，再根据刺激强度和关节角度之间的关系，建立连续控制模型。应用时，向系统输入一组多维关节角度序列，利用控制器实时反馈控制调节刺激强度，不断调整刺激强度，因而能获得理想的刺激效果。

本发明以关节角度为表征的经颅磁刺激自动控制系统，能够准确实时地鉴别其运动轨迹诉求，利用控制器实时反馈控制调节刺激强度；本发明可为TMS的有效使用指导提供帮助，可在康复、学术研究等领域得到广泛应用，并获得可观的社会效益和经济效益。

附图说明

图1经颅磁刺激装置。

图2大脑皮层躯体运动代表区功能示意图。

图3为TMS自动调控系统框图根据预设轨迹。

图4TMS自动调控系统反馈控制结构框图。

图5为TMS自动调控系统中的连续控制模型结构框图。

具体实施方式

本发明设计了一种系统，该系统利用以关节角度为表征的运动轨迹规划，自动控制TMS的输出强度。根据使用者所要执行的目标动作，用TMS设备刺激大脑皮层运动区的相关位置。通过产生的运动诱发电位确定最佳刺激点。在该点处，根据刺激强度和关节角度之间的关系，建立连续控制模型。应用时，向系统输入一组多维关节角度序列，利用控制器实时反馈控制调节刺激强度，对使用者进行刺激。本发明作为一种全新的TMS自动控制系统，可在康复、学术研究等领域得到广泛应用。进一步研究可以得到完善的经颅磁刺激自动调控系统，有望获得可观的社会效益和经济效益。

本发明采取的技术方案是，以关节角度为表征的运动轨迹规划，自动控制TMS的输出强度的方法，包括下列步骤：

一、系统初始化，预建立控制模型

1.根据使用者所要执行的目标动作，找到对应的大脑皮层运动区映射位置。

2.用TMS设备刺激相应区域。

3.通过本设计提出的一种全新的基于MEP的自动定位技术，确定最佳刺激点。

4.在该点处，施加不同的刺激强度。

5.根据刺激强度和关节角度之间的关系，建立连续控制模型。

二、应用过程中，TMS自动调控系统实现步骤

1.根据预设轨迹，向控制系统输入一组用于运动轨迹规划的多维关节角度序列。

2.控制TMS刺激大脑皮层运动区响应位置。

3.通过量角器探测器探测关节角度。

4.经由角度传感器反馈于控制系统。

5.根据关节角度，利用反馈控制系统实时控制调节刺激强度。

图3为TMS自动调控系统框图根据预设轨迹，向控制系统输入一组多维关节角度序列，控制TMS刺激大脑皮层运动区响应位置，通过量角器探测器探测关节角度，经由角度传感器反馈于控制系统。根据关节角度，利用反馈控制系统实时控制调节刺激强度，提高了系统稳定性，准确性和可靠性。

1.1TMS自动调控系统控制器

图4为TMS自动调控系统反馈控制结构框图。人体肌肉具有非线性，易变性，环境比较复杂等特点，致使控制比较困难。本发明从人体运动学信息出发，以关节角度表征运动轨迹规划，引入闭环反馈系统。利用关节角度作为反馈信号，通过控制系统实时控制TMS刺激强度，以期获得理想的刺激效果。控制系统中很重要的一部分时控制器。许多控制策略将被提出，主要可分为一下几类：开环控制，闭环控制，混合控制，规则库控制，离散映射，数学模型，人工神经网络，PID控制器以及模糊控制等，这些控制器既有固定参数的，也有自适应调节的。

图5为TMS自动调控系统中的连续控制模型结构框图。根据使用者所要执行的目标动作，找到对应的大脑皮层运动区映射位置。用TMS设备刺激相应区域。通过TMS已知的两种定位技术以及本设计提出的一种全新的基于MEP的自动定位技术，确定最佳刺激点。在该点处，调节刺激强度。根据刺激强度和关节角度之间的关系，建立连续控制模型。

1.2基于MEP的TMS自动定位技术

在TMS技术中，直接决定刺激准确度的很重要的一个步骤是如何确定所要刺激的部位。确定需要刺激神经系统的哪个大区域，只是第一步。更重要的是要在实际操作中如何精确的定位所要刺激的小区间。

目前TMS定位主要有两种：第一种是利用EEG10-20系统位点定位。使用方法让被试带上EEG10-20模的没有电极的帽子，找到相应的位置。第二种利用核磁共振图像结合无框架红外定位系统实现定位。但两种定位方法都需要手动定位，不能自动最优地实现小区间的定位。

本设计提出的一种全新的基于MEP的自动定位技术，选用了TMS控制机械臂刺激目标大区域精准划分的小区间产生的MEP信号作为特征信号。由于MEP的幅值与兴奋性效应成正比且方便测量，所以选用MEP幅度信息作为特征值，反馈于控制系统操纵机械臂，在多次循环后，根据特征值自动选取目标大区域间定位最优小区。相比于普通手动定位，本系统可达到最优小区的选择，且可实现自动跟踪找寻，便于重复定位。

本发明可应用于康复器械的设计制造，在创造良好经济效益的同时，具有很好的社会效益。

Claims (4)

1.一种基于运动轨迹规划的经颅磁刺激自动调控方法，其特征是，包括下列步骤：初始化，预建立控制模型；以关节角度表征运动轨迹规划，引入闭环反馈系统，利用关节角度作为反馈信号，对最优小区进行刺激，依控制模型实时控制TMS刺激强度。

2.如权利要求1所述方法，其特征是，初始化，预建立控制模型具体包括以下步骤：

(1)根据使用者所要执行的目标动作，找到对应的大脑皮层运动区映射位置；

(2)TMS刺激相应区域；

(3)通过基于MEP的自动定位技术，确定最佳刺激点；

(4)在最佳刺激点，施加不同的刺激强度；

(5)根据刺激强度和关节角度之间的关系，建立连续控制模型。

3.如权利要求1所述方法，其特征是，依控制模型实时控制TMS刺激强度具体包括以下步骤：

(1)根据预设轨迹，输入一组用于运动轨迹规划的多维关节角度序列；

(2)控制TMS刺激大脑皮层运动区响应位置；

(3)通过量角器探测器探测关节角度；

(4)经由角度传感器反馈回关节角度信号；

(5)根据关节角度，利用反馈控制实时控制调节刺激强度。

4.如权利要求1所述方法，其特征是，MEP的自动定位技术具体为：TMS刺激目标大区域精准划分的小区间产生的MEP信号作为特征信号，由于MEP的幅值与兴奋性效应成正比且方便测量，所以选用MEP幅度信息作为特征值进行反馈，在多次循环后，根据特征值自动选取目标大区域间定位最优小区。

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