CN1803216A - 利用脑电波直接控制功能性电刺激器的方法 - Google Patents

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高小榕
高上凯
张志广
洪波
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Abstract

本发明属于肢残人康复医疗器械技术领域，其特征在于该方法依次含有以下步骤：预先定义功能性刺激器的N种刺激配置方案，同时定义N类不同的思维活动，以及它们之间的对应关系；受试者进行N类不同思维活动中的一种，由计算机分析出当前的思维活动类别码；由定义好的对应关系得出对应的功能性电刺激器的功能选择码，及对应配置方案中的一组刺激参数；将这组刺激参数分别送入通用的功能性电刺激器的相应的参数设置端，实施相应刺激以实现相应肢体的运动功能，如抬手、迈脚等。与传统功能性电刺激的控制方法相比，本发明可以帮助患者用自己的自主意识来控制功能性电刺激，从而恢复部分运动功能，而不需要其他人帮助。

Description

利用脑电波直接控制功能性电刺激器的方法
技术领域
本发明属于肢体残疾人康复医疗器械技术领域。
背景技术
脑外伤、脑血管意外、脑瘫、脊髓损伤等中枢神经系统疾病导致的四肢瘫或偏瘫等运动残疾，目前在医学上尚无有效的治疗方法。据估计，在中国仅上肢运动障碍的患者就达1000万人以上。他们的工作与生活质量都受到了巨大的限制。如何从技术上帮助他们提高生活的自理性，是康复研究的核心问题。
功能电刺激(Functional Electrical Stimulation，FES)是利用体表或皮下电极对肌肉施加电刺激从而恢复瘫痪病人神经肌肉功能的一种通用技术。例如当脊神经前根与外周肌肉之间的神经连接未被破坏时，可以用短暂的电流脉冲刺激并支配肌肉神经纤维，引起肌肉收缩，带动肌体关节按一定规律运动，从而完成伸臂，抓物，站立和行走等运动功能。除运动功能之外，功能电刺激还成功地应用于恢复膀胱排尿功能，辅助呼吸功能等。
目前的FES系统的控制主要依赖于一系列手动操作的开关和一些外部传感器。系统缺乏前馈控制所需要的信息，因此患者很难对肌肉进行可靠的有效控制。如果能够利用患者的高级皮层活动作为控制信号，就有可能使得患者对FES系统实现直接、灵活的控制。近年来新出现的“脑-机接口”技术(Brain-Computer Interface，简称BCI)为这一设想提供了可能。脑-机接口是指在大脑和外部环境之间建立一种直接的交流和控制通道。通过这个通道，可以让外界信息(例如声音或图像)直接传入大脑；也可以将大脑活动的信息(例如与事件相关的诱发响应，甚至自主的意识、情感等信息)直接传出来，并由此实现相应的控制。
人在进行不同的行为或心理活动时，脑电特征会表现出微弱的变化。利用先进的信号提取和处理方法，对这种微弱变化进行识别，并转换成相应的控制信号，就能够对FES系统进行直接的控制。把脑-机接口和FES系统相结合，将提供一种全新的以人-机交互控制为基本策略的治疗模式。这项研究一方面将发展脑-机接口技术，推动脑-机接口技术进入实用阶段，另一方面则可以提高功能性电刺激的可靠性和可操作性，对康复治疗的临床实践产生重要影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用脑电直接控制功能性电刺激器的方法。本发明的特征在于，其特征在于，所述方法依次含有以下步骤：
步骤1定义N组功能性刺激器的刺激配置方案，每一配置方案包含下述参数：刺激强度A，刺激频率f，刺激间隔T，形成刺激配置方案编号到刺激参数的查找表(附图3中的查找表1)；
步骤2定义N类不同的思维活动，以及它们与功能性电刺激器配置方案之间的对应关系，形成思维活动编号到刺激配置方案编号的查找表(附图3中的查找表2)；
步骤3受试者进行预先定义好的N类不同思维活动中的一种，实时采集脑电波信号送入计算机；
步骤4针对步骤3中的脑电信号，计算机采用现有脑电处理方法分析出当前的脑电模式属于步骤2中预定义的思维活动的类别；
步骤5由步骤4得到的思维活动类别，根据思维活动编号到刺激配置方案编号的查找表，得出对应的功能性电刺激器的刺激配置方案编号；
步骤6由步骤5得到的功能性电刺激器的刺激配置方案编号，根据刺激配置方案编号到刺激参数的查找表，得到一组包含刺激强度、刺激频率、刺激间隔在内的刺激参数；
步骤7将这组刺激参数分别送入通用的功能性电刺激器的相应的参数设置端，得到希望的刺激脉冲序列，实施相应刺激以实现相应肢体的运动功能。
附图1是基本的系统构成。将脑电信号的记录电极安放在受试者的头皮表面，与之相联的脑电信号记录器将实时记录其脑电信号。当受试者进行规定好的思维活动，如想象某种运动(如抬脚)时，其脑电信号将表现出某种特定的模式。已有的脑电信号处理方法可用于分析记录到的脑电信号，并识别出相关的特征。由于不同的思维活动所产生的不同的脑电信号的特征是不同的，我们就能由此通过预先定义的查找表，产生不同的刺激器功能选择码以及相应的一组参数。本方法所产生的刺激参数被送到通用的功能电刺激器中，被转换成不同的电脉冲刺激信号，将这些电脉冲刺激信号作用到人体不同的神经/肌肉组织上，就会引起肌肉的收缩，从而产生相应的动作，或产生不同的功能行为(如排尿等)。
本方法中功能性电刺激系统的控制参数选择来自受试者大脑活动的信息，而不是外部由人工产生的信号，从功能上替代了患者损伤的脊髓神经等运动传输神经通路。特定的大脑活动信息可以是某种感观(视觉、听觉或体感)刺激产生的诱发电位，也可以是完全由受试者自主产生的具有一定模式的脑电信号(例如，想象手动和想象脚动就能产生不同模式的脑电信号)。刺激神经/肌肉的方法可以采用植入肌肉的电极，也可以采用贴在皮肤表面的表面电极，由所采用的通用功能电刺激器决定。
本发明的效果体现在：受试者可以用自己的自主意识来实现功能性电刺激，从而恢复部分运动功能，而不需要其他人帮助。对于截瘫C3/C4损伤的患者刺激与手掌握肌有关的肌肉，可以使之实现部分对捏动作，帮助患者提高自理水平。对于下肢残疾的患者刺激腿部与站立有关的肌肉，可以帮助其实现站立。
附图说明
图1本发明所述方法的系统框图。
图2通用功能性电刺激器典型脉冲序列的参数示例。
图3本发明所述方法的计算机流程图。
具体实施方式
作为一个典型的应用是，以附图1所示框架帮助脚瘫痪的病人抬腿行走。对于象“抬腿”这样的动作，可以采用表面电极方案，即将表面电极贴在患者下肢相应肌肉的皮肤表面，将电刺激脉冲施加到若干表面电极上，就可以实现“抬腿”动作。首先根据医生对患者肌体残疾情况的诊断，设计好相应的电脉冲刺激参数。然后分别形成并存储以下两个查找表：
刺激配置方案编号到刺激参数查找表格式示例如下：
  刺激配置方案编号   1   2   3   4
  刺激强度A   A1   A2   A3   A4
  刺激频率f   f1   f2   f3   f4
  刺激间隔T   T1   T3   T3   T4
思维活动编号到刺激配置方案编号查找表的示例格式如下：
  思维活动类别编号   1   2   3   4
  刺激配置方案编号   1   2   3   4
附图1中的“脑电信号记录器”可以是现有的商品化的脑电图机，也可以是自制的脑电放大器(这是一种典型的电生理信号放大器)。图中所示的“处理器”可以是一台通用的计算机，也可以由专用的数字信号处理器来实现。其任务是对记录到的脑电信号做必要的处理和分析，找到与任务(如不同的想象运动)相关的脑电特征模式，由此识别出受试者的主观意愿，并通过前述的查表方法，得到一组适合抬腿动作的刺激参数，送入通用的功能性电刺激器。刺激器根据这组参数产生特定的电脉冲刺激患者下肢的神经和肌肉，实现抬腿动作。

Claims (1)

1.利用脑电波直接控制功能性电刺激器的方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步骤：
步骤1定义N组功能性刺激器的刺激配置方案，每一配置方案包含下述参数：刺激强度A，刺激频率f，刺激间隔T，形成刺激配置方案编号到刺激参数的查找表；
步骤2定义N类不同的思维活动，以及它们与功能性电刺激器配置方案之间的对应关系，形成思维活动编号到刺激配置方案编号的查找表；
步骤3受试者进行预先定义好的N类不同思维活动中的一种，实时采集脑电波信号送入计算机；
步骤4针对步骤3中的脑电信号，计算机采用现有脑电处理方法分析出当前的脑电模式属于步骤2中预定义的思维活动的类别；
步骤5由步骤4得到的思维活动类别，根据思维活动编号到刺激配置方案编号的查找表，得出对应的功能性电刺激器的刺激配置方案编号；
步骤6由步骤5得到的功能性电刺激器的刺激配置方案编号，根据刺激配置方案编号到刺激参数的查找表，得到一组包含刺激强度、刺激频率、刺激间隔在内的刺激参数；
步骤7将这组刺激参数分别送入通用的功能性电刺激器的相应的参数设置端，得到希望的刺激脉冲序列，实施相应刺激以实现相应肢体的运动功能。
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