發(fā)布時(shí)間：2020-09-09 14:55

　　 肢體殘障人士因肢體運(yùn)動(dòng)感覺功能受損往往生活質(zhì)量較低,給家庭和社會(huì)造成很大負(fù)擔(dān),而傳統(tǒng)的藥物治療及康復(fù)輔具治療都無(wú)法起到很好治療效果。近年來隨著神經(jīng)科學(xué)、制造科學(xué)及信息科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的發(fā)展,新興的神經(jīng)接口技術(shù)在修復(fù)肢體殘障人士運(yùn)動(dòng)感覺功能方面表現(xiàn)出了巨大潛力。植入式神經(jīng)接口通過在神經(jīng)系統(tǒng)植入神經(jīng)微電極,提供了神經(jīng)系統(tǒng)與假肢等外部設(shè)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(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺失運(yùn)動(dòng)功能的修復(fù),同時(shí)通過神經(jīng)微電極還能向神經(jīng)系統(tǒng)施加各種類型的微刺激提供傳感反饋,實(shí)現(xiàn)對(duì)缺失感覺功能的修復(fù)�；谥踩胧缴窠�(jīng)接口的運(yùn)動(dòng)感覺功能修復(fù)是目前交叉學(xué)科領(lǐng)域最前沿和熱門的研究方向之一。植入式神經(jīng)接口包含植入式腦機(jī)接口與植入式外周神經(jīng)接口,植入式腦機(jī)接口修復(fù)運(yùn)動(dòng)感覺功能的能力更強(qiáng)但侵入性更大,相比之下植入式外周神經(jīng)接口的適用對(duì)象更局限,不過其侵入性小有著更強(qiáng)的臨床應(yīng)用前景。本文分別面向這兩種神經(jīng)接口開展工作構(gòu)建各自的研究平臺(tái),設(shè)計(jì)了基于獼猴的運(yùn)動(dòng)感覺行為范式與在體神經(jīng)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn),分別考察了大腦皮層神經(jīng)信號(hào)以及外周神經(jīng)信號(hào)在上肢伸展抓握運(yùn)動(dòng)中的活動(dòng)模式,分別研究了基于腦機(jī)接口和基于外周神經(jīng)接口在解碼運(yùn)動(dòng)意圖和電刺激感覺重建中的方法和效果。本文首先構(gòu)建了植入式運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口平臺(tái),設(shè)計(jì)了獨(dú)特的獼猴上肢伸展抓握運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)范式,在獼猴多個(gè)腦區(qū)成功植入神經(jīng)微電極陣列,獲取了不同腦區(qū)與獼猴伸展抓握運(yùn)動(dòng)直接相關(guān)的高質(zhì)量神經(jīng)信號(hào),利用多腦區(qū)神經(jīng)信號(hào)聯(lián)合解碼實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確率的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別。在植入式運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口平臺(tái)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了植入式感覺腦機(jī)接口平臺(tái),設(shè)計(jì)了獨(dú)特的獼猴感覺解析與重建實(shí)驗(yàn)范式,解析了獼猴大腦皮層感覺相關(guān)腦區(qū)的神經(jīng)信號(hào)活動(dòng)機(jī)制,制定了皮層微刺激感覺重建研究思路。在神經(jīng)信號(hào)解碼方面,針對(duì)記錄的動(dòng)作電位信號(hào)的非平穩(wěn)性以及有效時(shí)間較短的局限性,進(jìn)行了基于場(chǎng)電位信號(hào)的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別。與之前研究不同的是,本文使用高頻場(chǎng)電位信號(hào)進(jìn)行解碼研究而不是使用低頻場(chǎng)電位信號(hào),設(shè)計(jì)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(chǎng)電位信號(hào)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同伸手方向和抓握手型運(yùn)動(dòng)意圖的識(shí)別并獲得了較高的分類準(zhǔn)確率,證明了高頻場(chǎng)電位信號(hào)可以用于運(yùn)動(dòng)意圖的準(zhǔn)確識(shí)別以及多腦區(qū)高頻場(chǎng)電位信號(hào)聯(lián)合解碼的效果要好于單個(gè)腦區(qū)單獨(dú)解碼的效果。在完成神經(jīng)信號(hào)解碼的基礎(chǔ)上,針對(duì)植入式腦機(jī)接口解碼器使用前需要新數(shù)據(jù)進(jìn)行校正的問題,將遷移學(xué)習(xí)的理念首次引入植入式腦機(jī)接口解碼器校正問題,設(shè)計(jì)了一種基于遷移學(xué)習(xí)的解碼器校正新方法,該方法只需要超小當(dāng)前樣本集數(shù)據(jù)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(duì)于當(dāng)前樣本集數(shù)據(jù)的依賴又獲得了更好的解碼器校正效果,增強(qiáng)了植入式腦機(jī)接口的實(shí)用性。針對(duì)目前植入式腦機(jī)接口存在的不足,進(jìn)行了植入式外周神經(jīng)接口研究,在國(guó)內(nèi)首次構(gòu)建了基于獼猴的長(zhǎng)期植入式外周神經(jīng)接口,實(shí)現(xiàn)了外周神經(jīng)信號(hào)和皮層神經(jīng)信號(hào)的同步采集和解析�；讷J猴外周神經(jīng)接口,首次綜合使用束外神經(jīng)電極和束內(nèi)神經(jīng)電極聯(lián)合進(jìn)行外周神經(jīng)微電刺激并成功重建獼猴上肢抓握運(yùn)動(dòng)。此外,還設(shè)計(jì)了面向獼猴的基于外周神經(jīng)電刺激的感覺重建實(shí)驗(yàn),完成了獼猴訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)了獼猴對(duì)于所受感覺刺激的分辨與表達(dá),證明了以獼猴為研究對(duì)象進(jìn)行感覺重建實(shí)驗(yàn)的可行性。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R318;TN911.7
【部分圖文】：

圖 1- 1 神經(jīng)接口基本結(jié)構(gòu)示意圖完整的神經(jīng)接口是一個(gè)雙向閉環(huán)系統(tǒng)，包含傳出神經(jīng)接口（efferent neural interf傳入神經(jīng)接口（afferent neural interface）兩部分[5]。傳出神經(jīng)接口的核心是“解碼破解神經(jīng)信號(hào)所含信息，可以分為神經(jīng)信息獲取、神經(jīng)信息解析與外部設(shè)備控制分。神經(jīng)信息獲取是通過神經(jīng)電極捕獲神經(jīng)系統(tǒng)信息并傳遞給神經(jīng)信號(hào)采集系同電極能夠獲取不同層次的神經(jīng)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(jīng)元場(chǎng)電位(Local Fotential，LFP)與動(dòng)作電位信號(hào)(Action Potential, Spike)。神經(jīng)信息獲取完成后進(jìn)行信息解析，對(duì)采集的神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取以及模式識(shí)別等處理，從而神經(jīng)信息所含指令并實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備控制，如控制智能假肢等。傳入神經(jīng)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(jīng)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(shè)備的多類型傳感器獲取設(shè)備操控

境信息以及抓握力大小和假肢關(guān)節(jié)角度等自身狀態(tài)信息。對(duì)于傳感器獲取的信息需進(jìn)行不同模式編碼以使其能夠被神經(jīng)系統(tǒng)識(shí)別，然后將編碼的信息通磁刺激等手段反饋給神經(jīng)系統(tǒng)提供感覺反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的閉環(huán)控制，然更流暢的控制效果。2 神經(jīng)接口的分類及比較根據(jù)神經(jīng)信息獲取方式的侵入性程度，神經(jīng)接口可以分為非植入式神經(jīng)接口神經(jīng)接口。顧名思義，非植入式神經(jīng)接口是無(wú)需侵入生物體內(nèi)、可以無(wú)損傷體神經(jīng)信息的方式，相反，植入式神經(jīng)接口需要通過手術(shù)將神經(jīng)電極植入生行神經(jīng)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(duì)應(yīng)大腦神其中位于頭皮表面的電極采集的是頭皮腦電信號(hào) EEG，硬腦膜表面電極以及電極采集的都是皮層腦電信號(hào)（electrocorticography，ECoG），植入皮層內(nèi)的的是單個(gè)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢恍盘?hào) Spike 及局部場(chǎng)電位信號(hào) LFP。往往侵入性程電極采集的神經(jīng)信號(hào)質(zhì)量和精度越好。

圖 1- 3 大腦及大腦皮層細(xì)胞圖示[18]大腦皮層有著獨(dú)特的細(xì)胞層狀排列結(jié)構(gòu)，但是大腦皮層不同區(qū)域的細(xì)胞形態(tài)結(jié)在區(qū)別，據(jù)此德國(guó)神經(jīng)解剖學(xué)家 Korbinian Brodmann 構(gòu)建了皮層細(xì)胞構(gòu)筑圖，如-4 所示，將大腦皮層分為 52 個(gè)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(yùn)動(dòng)皮層，主要與肢體運(yùn)動(dòng)相關(guān)，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(guān)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)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(yáng),胡天培,高忠華,楊煜普;中國(guó)首例人體殘肢神經(jīng)信息控制電子假肢實(shí)驗(yàn)研究快報(bào)[J];中華物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)雜志;2004年01期

本文編號(hào)：2815114