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【脑机接口】基于运动想象脑机接口的FES康复系统

手功能康复协作平台 2018-06-19 16:44:26



脑-机接口(BCI)是在人脑与计算机或其他设备之间建立起来的直接的交流和控制通道。借助这种通道,人们就可以直接用脑来操作设备,而不需要通过语言或肢体的动作。这是一种全新的控制和通讯方式,对于无法控制肢体活动或语言交流存在障碍的残疾人来说有着极其重要的意义。脑机接口的一个主要应用就是神经功能障碍残疾人的辅助支持与康复。随着我国老龄化社会的来临,中风等神经系统方面的疾病发病率或发病人数不断上升,并带来了巨大的社会问题和经济负担,而脑机接口技术可以康复其神经系统部分功能,减轻病人的痛苦,提高病人的独立生活能力。

图1  脑-机接口系统模块图

 

中风(Stroke)是脑卒中的俗称,是指由脑血管问题引发的、突然发作的局部性或全部性、发病时间或长或短的脑功能障碍,所以又称为脑血管疾病或者脑血管意外,分为缺血型和出血性两类。中风患者普遍存在一定程度上的运动功能障碍,如何增强其肢体肌肉力量一直是康复训练学科的重要问题。

近年来,对中风导致的行动功能障碍涌现出了多种多样的康复治疗手段,这些康复手段根据其原理可分为两类,一类是基于神经生理学基础的康复训练治疗,该类方法是根据运动发育控制原理,利用共同运动、协同作用和姿势反射等神经运动机制,此类的治疗手段包括:神经肌肉促进治疗、Bobath 治疗、Rood治疗、运动再学习等方法。另外一类是基于大脑的可塑性原理的康复治疗手段,此类主要的康复治疗方法有:主动或被动的康复训练、运动想象治疗、低频电刺激治疗等。其中低频电刺激的应用在临床实践中受到越来越多的科研工作者的重视,经实践证明,该方法能够有效地恢复患者的身体机能,低频电刺激的种类主要包括:肌电生物反馈疗法、N-M电刺激疗法、经皮神经电刺激疗法、功能性电刺激疗法(Functional-Electrical-Stimulation,FES)等,其中 FES 在中风康复中得到了广泛的研究和发展。美国卫生和人类服务部已证实,FES有良好的预防疾病和生理促进作用,在治疗偏瘫患者的运动功能方面具有非常好的应用和发展前景。

脑机接口(BCI)使得人类能够运用自己的思维来直接控制外部设备,而不需要肌肉、躯干的参与。因此,脑机接口可以被用于重建中风受损脑区,即利用运动想象与神经反馈增强运动控制网络重建的学习,恢复受损的运动控制功能。

综合 BCI 和 FES技术各自的特点,并将两者结合对中风偏瘫患者进行主动康复训练,对中风病人有着极其重要的意义。系统主要包括运动想象脑电信号的采集、脑电信号的处理和功能性电刺激系统三大部分,将人脑左手或右手运动想象时产生的ERS/ERD 信号换为控制命令输出,传至 FES 系统,对受损肢体进行相应的电刺激。该系统可以避开病人身体内部受损伤的通路,将其运动想象意愿直接传递给FES 系统,达到中风偏瘫患者可以直接控制受损肢体的目的。

图2 脑中风患者使用基于脑机接口的电刺激系统进行康复训练


处理脑电信号时最常用的方法即为公共空间模式(CSP)。CSP方法本质上是对 EEG 数据在空间域上的一个白化过程(whitening)即将脑电数据在空间域上的协方差矩阵正则化为单位矩阵。特征提取之后,再用分类算发将特征进行分类。

图3 脑机接口系统中运动想象脑电信号的分类过程


近年来,FES技术和运动想象已经广泛的应用于中风偏瘫患者的康复训练中,但是被动的接受电刺激会缺乏运动学习理论中最重要的因素——主动运动意愿。而基于运动想象的脑机接口(BCI)技术可以帮助患者主动想象肢体运动。FES与运动想象BCI的融合,在针对中风病人的康复治疗方面将有着广阔的应用前景。


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