肢體殘障人士因肢體運動感覺功能受損往往生活質量較低,給家庭和社會造成很大負擔,而傳統(tǒng)的藥物治療及康復輔具治療都無法起到很好治療效果。近年來隨著神經科學、制造科學及信息科學等多學科交叉融合的發(fā)展,新興的神經接口技術在修復肢體殘障人士運動感覺功能方面表現(xiàn)出了巨大潛力。植入式神經接口通過在神經系統(tǒng)植入神經微電極,提供了神經系統(tǒng)與假肢等外部設備直接交互的“窗口”,讓使用者可以通過“意念”直接操控外部設備,從而實現(xiàn)對缺失運動功能的修復,同時通過神經微電極還能向神經系統(tǒng)施加各種類型的微刺激提供傳感反饋,實現(xiàn)對缺失感覺功能的修復�；谥踩胧缴窠浗涌诘倪\動感覺功能修復是目前交叉學科領域最前沿和熱門的研究方向之一。植入式神經接口包含植入式腦機接口與植入式外周神經接口,植入式腦機接口修復運動感覺功能的能力更強但侵入性更大,相比之下植入式外周神經接口的適用對象更局限,不過其侵入性小有著更強的臨床應用前景。本文分別面向這兩種神經接口開展工作構建各自的研究平臺,設計了基于獼猴的運動感覺行為范式與在體神經信號采集實驗,分別考察了大腦皮層神經信號以及外周神經信號在上肢伸展抓握運動中的活動模式,分別研究了基于腦機接口和基于外周神經接口在解碼運動意圖和電刺激感覺重建中的方法和效果。本文首先構建了植入式運動腦機接口平臺,設計了獨特的獼猴上肢伸展抓握運動實驗范式,在獼猴多個腦區(qū)成功植入神經微電極陣列,獲取了不同腦區(qū)與獼猴伸展抓握運動直接相關的高質量神經信號,利用多腦區(qū)神經信號聯(lián)合解碼實現(xiàn)了高準確率的運動意圖識別。在植入式運動腦機接口平臺的基礎上構建了植入式感覺腦機接口平臺,設計了獨特的獼猴感覺解析與重建實驗范式,解析了獼猴大腦皮層感覺相關腦區(qū)的神經信號活動機制,制定了皮層微刺激感覺重建研究思路。在神經信號解碼方面,針對記錄的動作電位信號的非平穩(wěn)性以及有效時間較短的局限性,進行了基于場電位信號的運動意圖識別。與之前研究不同的是,本文使用高頻場電位信號進行解碼研究而不是使用低頻場電位信號,設計了基于小波包變換的特征提取算法,聯(lián)合多腦區(qū)高頻場電位信號實現(xiàn)了對不同伸手方向和抓握手型運動意圖的識別并獲得了較高的分類準確率,證明了高頻場電位信號可以用于運動意圖的準確識別以及多腦區(qū)高頻場電位信號聯(lián)合解碼的效果要好于單個腦區(qū)單獨解碼的效果。在完成神經信號解碼的基礎上,針對植入式腦機接口解碼器使用前需要新數(shù)據進行校正的問題,將遷移學習的理念首次引入植入式腦機接口解碼器校正問題,設計了一種基于遷移學習的解碼器校正新方法,該方法只需要超小當前樣本集數(shù)據就能完成解碼器校正且獲得良好的校正效果,相比于目前流行的其他幾種解碼器校正方法,該方法既減少了對于當前樣本集數(shù)據的依賴又獲得了更好的解碼器校正效果,增強了植入式腦機接口的實用性。針對目前植入式腦機接口存在的不足,進行了植入式外周神經接口研究,在國內首次構建了基于獼猴的長期植入式外周神經接口,實現(xiàn)了外周神經信號和皮層神經信號的同步采集和解析�；讷J猴外周神經接口,首次綜合使用束外神經電極和束內神經電極聯(lián)合進行外周神經微電刺激并成功重建獼猴上肢抓握運動。此外,還設計了面向獼猴的基于外周神經電刺激的感覺重建實驗,完成了獼猴訓練,實現(xiàn)了獼猴對于所受感覺刺激的分辨與表達,證明了以獼猴為研究對象進行感覺重建實驗的可行性。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：R318;TN911.7
【部分圖文】：

圖 1- 1 神經接口基本結構示意圖完整的神經接口是一個雙向閉環(huán)系統(tǒng)，包含傳出神經接口（efferent neural interf傳入神經接口（afferent neural interface）兩部分[5]。傳出神經接口的核心是“解碼破解神經信號所含信息，可以分為神經信息獲取、神經信息解析與外部設備控制分。神經信息獲取是通過神經電極捕獲神經系統(tǒng)信息并傳遞給神經信號采集系同電極能夠獲取不同層次的神經信息，如頭皮腦電電極獲取的是頭皮腦電信lectroencephalograph, EEG)，皮層植入式電極獲取的是神經元場電位(Local Fotential，LFP)與動作電位信號(Action Potential, Spike)。神經信息獲取完成后進行信息解析，對采集的神經信號進行預處理、特征提取以及模式識別等處理，從而神經信息所含指令并實現(xiàn)外部設備控制，如控制智能假肢等。傳入神經接口的核“反饋”，即將外界環(huán)境或自身狀態(tài)信息反向傳遞給神經系統(tǒng)，可分為信息獲取、編碼與刺激反饋三部分。信息獲取是通過外部設備的多類型傳感器獲取設備操控

境信息以及抓握力大小和假肢關節(jié)角度等自身狀態(tài)信息。對于傳感器獲取的信息需進行不同模式編碼以使其能夠被神經系統(tǒng)識別，然后將編碼的信息通磁刺激等手段反饋給神經系統(tǒng)提供感覺反饋，實現(xiàn)對外部設備的閉環(huán)控制，然更流暢的控制效果。2 神經接口的分類及比較根據神經信息獲取方式的侵入性程度，神經接口可以分為非植入式神經接口神經接口。顧名思義，非植入式神經接口是無需侵入生物體內、可以無損傷體神經信息的方式，相反，植入式神經接口需要通過手術將神經電極植入生行神經信息獲取。圖 1-2 展示了不同侵入性程度的電極及采集的對應大腦神其中位于頭皮表面的電極采集的是頭皮腦電信號 EEG，硬腦膜表面電極以及電極采集的都是皮層腦電信號（electrocorticography，ECoG），植入皮層內的的是單個神經元動作電位信號 Spike 及局部場電位信號 LFP。往往侵入性程電極采集的神經信號質量和精度越好。

圖 1- 3 大腦及大腦皮層細胞圖示[18]大腦皮層有著獨特的細胞層狀排列結構，但是大腦皮層不同區(qū)域的細胞形態(tài)結在區(qū)別，據此德國神經解剖學家 Korbinian Brodmann 構建了皮層細胞構筑圖，如-4 所示，將大腦皮層分為 52 個分區(qū)，稱為 Brodmann 分區(qū)。不同的分區(qū)有著不同能，好比 4 區(qū)是運動皮層，主要與肢體運動相關，而 1,2,3 區(qū)為軀體感覺皮層，與軀體的觸覺及本體感覺相關。

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 賈曉楓,陳統(tǒng)一,陳中偉,張鍵,張曉文,斯揚,胡天培,高忠華,楊煜普;中國首例人體殘肢神經信息控制電子假肢實驗研究快報[J];中華物理醫(yī)學與康復雜志;2004年01期

本文編號：2815114