從植入式神經(jīng)接口的多通道記錄信號(hào)解碼三維空間上肢動(dòng)作信息的研究.pdf

1、直接從中樞神經(jīng)系統(tǒng)提取有效而可靠的信號(hào)，旨在修復(fù)病人因各種原因造成的肢體癱瘓而喪失的運(yùn)動(dòng)功能（尤其是上肢運(yùn)動(dòng)功能）的神經(jīng)接口的研究，是目前神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)聚焦點(diǎn)。通過(guò)直接對(duì)大腦皮層各功能區(qū)的分析研究，提取出和肢體動(dòng)作有關(guān)的控制信號(hào)，神經(jīng)接口系統(tǒng)可以直接以體外通路替代受損的體內(nèi)神經(jīng)通路來(lái)實(shí)現(xiàn)原肢體功能的恢復(fù)。神經(jīng)接口的研究不僅有助于人們對(duì)自身中樞神經(jīng)系統(tǒng)在調(diào)控、編碼、協(xié)同等方面的進(jìn)一步了解，而且更重要的是能給全球每年大量增

2、加的癱瘓病人帶去福音，使他們能早日重新自主地進(jìn)行肢體動(dòng)作。
　　 植入式神經(jīng)接口以其高檢出幅值、高時(shí)空分辨率、短訓(xùn)練時(shí)間等等優(yōu)點(diǎn)相比顱外頭皮檢測(cè)EEG信號(hào)的目前國(guó)內(nèi)主要研究方式更滿足肢體動(dòng)作修復(fù)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)和復(fù)雜的應(yīng)用需求。以局部場(chǎng)電位作為信號(hào)源的植入式神經(jīng)接口則相比以單神經(jīng)元活動(dòng)為信號(hào)源的植入式神經(jīng)接口更具應(yīng)用潛力，它在手術(shù)技術(shù)成熟化和植入裝置微型化等安全性因素不斷提高的同時(shí)因其微電極不須植入腦組織而進(jìn)一步減小了神經(jīng)損傷和感染

3、風(fēng)險(xiǎn)。以局部場(chǎng)電位作為信號(hào)源的植入式神經(jīng)接口對(duì)記錄電極的微小位移也沒(méi)有單神經(jīng)元活動(dòng)神經(jīng)接口系統(tǒng)那么敏感從而保捋植入電極的長(zhǎng)期有效工作。
　　 本文首次對(duì)200-400 Hz頻率范圍內(nèi)的局部場(chǎng)電位信號(hào)進(jìn)行了研究，并對(duì)從0.3 Hz開(kāi)始的各頻率段（5段：0.3-5 Hz、0-a段：5-15Hz、β段：15-30 Hz、γ1段：30-50 Hz、γ2段：50-100 Hz、γ3段：100-200Hz和第一次詳細(xì)研究的寬帶高頻段：200

4、-400 Hz)進(jìn)行了全面的研究比較。運(yùn)用互信息分析對(duì)獼猴初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層手臂區(qū)域4x4 mm大小的(10xl0通道)植入電極陣列的局部場(chǎng)電位記錄信號(hào)進(jìn)行各頻段與手臂動(dòng)作信息之間的關(guān)聯(lián)分析，本文發(fā)現(xiàn)了高頻的局部場(chǎng)電位功率相比低頻段含有更多的肢體動(dòng)作信息，而其中以200-400Hz頻段為最多。
　　 本文首次對(duì)局部場(chǎng)電位中所蘊(yùn)含的三維空間的肢體動(dòng)作信息進(jìn)行了研究，突破了過(guò)去局部場(chǎng)電位的研究基于手臂在二維平面空間運(yùn)動(dòng)的局限。本文實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練

5、兩只獼猴在三維空間內(nèi)自由伸展和抓握物體，通過(guò)獼猴手臂上安放的反射標(biāo)記物由動(dòng)作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄并與植入神經(jīng)接口的局部場(chǎng)電位記錄達(dá)到時(shí)間點(diǎn)同步?；バ畔⒎治鲲@示了高頻段局部場(chǎng)電位與獼猴上肢動(dòng)作的三維空間各位置分量、各速度分量以及手掌握距的信息存在著高度關(guān)聯(lián)。本文進(jìn)一步通過(guò)線性狀態(tài)空間模型（卡爾曼濾波）對(duì)局部場(chǎng)電位中含有的三維空間上肢動(dòng)作信息進(jìn)行了評(píng)估。解碼重建的結(jié)果與互信息分析的結(jié)果一致，高頻段的上肢動(dòng)作解碼質(zhì)量高于低頻段的局部場(chǎng)電位，能

6、較好地重建出手腕節(jié)點(diǎn)的三維空間位置的動(dòng)態(tài)變化和手掌握距的動(dòng)態(tài)變化。在此之上，本文討論分析了功率譜計(jì)算過(guò)程中不同時(shí)間窗長(zhǎng)對(duì)解碼結(jié)果的影響，并詳細(xì)探討了電極通道的選擇對(duì)解碼結(jié)果的作用。
　　 本文還對(duì)高頻局部場(chǎng)電位中抓握動(dòng)作的三類(lèi)離散狀態(tài)（張開(kāi)、握閉和中間靜止?fàn)顟B(tài)）進(jìn)行了分類(lèi)辨識(shí)。在比較了多個(gè)不同分類(lèi)器（例如二次判別分析分類(lèi)器、支持向量機(jī)分類(lèi)器等等）的分類(lèi)性能的基礎(chǔ)上，本文提出了一個(gè)二步序貫分類(lèi)器，進(jìn)一步改善了三類(lèi)狀態(tài)的分類(lèi)結(jié)果。<

7、br>　　 此外，在電極植入腦組織中的以單神經(jīng)元活動(dòng)（即鋒電位）為信號(hào)源的神經(jīng)接口中，通過(guò)采用不同的帶通濾波可以同步記錄到局部場(chǎng)電位信號(hào)。因此可使兩者同時(shí)作為神經(jīng)接口的源信號(hào)使用，進(jìn)而擴(kuò)展了信號(hào)中的信息。本文基于此應(yīng)用前景，也對(duì)鋒電位的分類(lèi)進(jìn)行了研究，以為之后的鋒電位與局部場(chǎng)電位同時(shí)作為神經(jīng)接口的信號(hào)的研究奠定基礎(chǔ)。本文基于對(duì)人類(lèi)認(rèn)知過(guò)程的模擬，引入了模糊集理論中的模糊隸屬度，對(duì)鋒電位的形態(tài)特征進(jìn)行了分析，提出了一種基于模糊概念的認(rèn)知

8、分類(lèi)方法來(lái)進(jìn)行對(duì)神經(jīng)元鋒電位的分類(lèi)。在對(duì)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提取的噪聲和仿真設(shè)計(jì)的三類(lèi)鋒電位疊加形成的仿真數(shù)據(jù)的分類(lèi)中，相比同類(lèi)算法，該算法在提高分類(lèi)性能的同時(shí)也降低了復(fù)雜度。
　　 本文的結(jié)果顯示了局部場(chǎng)電位，尤其是高頻局部場(chǎng)電位，可以作為進(jìn)行三維空間伸展動(dòng)作和抓握動(dòng)作的神經(jīng)接口系統(tǒng)的有效的控制信號(hào)，能較好地重建出肢體動(dòng)作的三維空間運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)曲線和手掌握距動(dòng)態(tài)變化曲線，從而可以有望使癱瘓病人通過(guò)此神經(jīng)接口方案實(shí)現(xiàn)手部基本動(dòng)作的自如操控。在