專(zhuān)利名稱(chēng)：利用腦電波直接控制功能性電刺激器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于肢體殘疾人康復(fù)醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
腦外傷、腦血管意外、腦癱、脊髓損傷等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的四肢癱或偏癱等運(yùn)動(dòng)殘疾，目前在醫(yī)學(xué)上尚無(wú)有效的治療方法。據(jù)估計(jì)，在中國(guó)僅上肢運(yùn)動(dòng)障礙的患者就達(dá)1000萬(wàn)人以上。他們的工作與生活質(zhì)量都受到了巨大的限制。如何從技術(shù)上幫助他們提高生活的自理性，是康復(fù)研究的核心問(wèn)題。
功能電刺激(Functional Electrical Stimulation，F(xiàn)ES)是利用體表或皮下電極對(duì)肌肉施加電刺激從而恢復(fù)癱瘓病人神經(jīng)肌肉功能的一種通用技術(shù)。例如當(dāng)脊神經(jīng)前根與外周肌肉之間的神經(jīng)連接未被破壞時(shí)，可以用短暫的電流脈沖刺激并支配肌肉神經(jīng)纖維，引起肌肉收縮，帶動(dòng)肌體關(guān)節(jié)按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而完成伸臂，抓物，站立和行走等運(yùn)動(dòng)功能。除運(yùn)動(dòng)功能之外，功能電刺激還成功地應(yīng)用于恢復(fù)膀胱排尿功能，輔助呼吸功能等。
目前的FES系統(tǒng)的控制主要依賴(lài)于一系列手動(dòng)操作的開(kāi)關(guān)和一些外部傳感器。系統(tǒng)缺乏前饋控制所需要的信息，因此患者很難對(duì)肌肉進(jìn)行可靠的有效控制。如果能夠利用患者的高級(jí)皮層活動(dòng)作為控制信號(hào)，就有可能使得患者對(duì)FES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直接、靈活的控制。近年來(lái)新出現(xiàn)的“腦-機(jī)接口”技術(shù)(Brain-Computer Interface，簡(jiǎn)稱(chēng)BCI)為這一設(shè)想提供了可能。腦-機(jī)接口是指在大腦和外部環(huán)境之間建立一種直接的交流和控制通道。通過(guò)這個(gè)通道，可以讓外界信息(例如聲音或圖像)直接傳入大腦；也可以將大腦活動(dòng)的信息(例如與事件相關(guān)的誘發(fā)響應(yīng)，甚至自主的意識(shí)、情感等信息)直接傳出來(lái)，并由此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。
人在進(jìn)行不同的行為或心理活動(dòng)時(shí)，腦電特征會(huì)表現(xiàn)出微弱的變化。利用先進(jìn)的信號(hào)提取和處理方法，對(duì)這種微弱變化進(jìn)行識(shí)別，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號(hào)，就能夠?qū)ES系統(tǒng)進(jìn)行直接的控制。把腦-機(jī)接口和FES系統(tǒng)相結(jié)合，將提供一種全新的以人-機(jī)交互控制為基本策略的治療模式。這項(xiàng)研究一方面將發(fā)展腦-機(jī)接口技術(shù)，推動(dòng)腦-機(jī)接口技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段，另一方面則可以提高功能性電刺激的可靠性和可操作性，對(duì)康復(fù)治療的臨床實(shí)踐產(chǎn)生重要影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用腦電直接控制功能性電刺激器的方法。本發(fā)明的特征在于，其特征在于，所述方法依次含有以下步驟步驟1定義N組功能性刺激器的刺激配置方案，每一配置方案包含下述參數(shù)刺激強(qiáng)度A，刺激頻率f，刺激間隔T，形成刺激配置方案編號(hào)到刺激參數(shù)的查找表(附圖3中的查找表1)；步驟2定義N類(lèi)不同的思維活動(dòng)，以及它們與功能性電刺激器配置方案之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成思維活動(dòng)編號(hào)到刺激配置方案編號(hào)的查找表(附圖3中的查找表2)；步驟3受試者進(jìn)行預(yù)先定義好的N類(lèi)不同思維活動(dòng)中的一種，實(shí)時(shí)采集腦電波信號(hào)送入計(jì)算機(jī)；步驟4針對(duì)步驟3中的腦電信號(hào)，計(jì)算機(jī)采用現(xiàn)有腦電處理方法分析出當(dāng)前的腦電模式屬于步驟2中預(yù)定義的思維活動(dòng)的類(lèi)別；步驟5由步驟4得到的思維活動(dòng)類(lèi)別，根據(jù)思維活動(dòng)編號(hào)到刺激配置方案編號(hào)的查找表，得出對(duì)應(yīng)的功能性電刺激器的刺激配置方案編號(hào)；步驟6由步驟5得到的功能性電刺激器的刺激配置方案編號(hào)，根據(jù)刺激配置方案編號(hào)到刺激參數(shù)的查找表，得到一組包含刺激強(qiáng)度、刺激頻率、刺激間隔在內(nèi)的刺激參數(shù)；步驟7將這組刺激參數(shù)分別送入通用的功能性電刺激器的相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置端，得到希望的刺激脈沖序列，實(shí)施相應(yīng)刺激以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)肢體的運(yùn)動(dòng)功能。
附圖1是基本的系統(tǒng)構(gòu)成。將腦電信號(hào)的記錄電極安放在受試者的頭皮表面，與之相聯(lián)的腦電信號(hào)記錄器將實(shí)時(shí)記錄其腦電信號(hào)。當(dāng)受試者進(jìn)行規(guī)定好的思維活動(dòng)，如想象某種運(yùn)動(dòng)(如抬腳)時(shí)，其腦電信號(hào)將表現(xiàn)出某種特定的模式。已有的腦電信號(hào)處理方法可用于分析記錄到的腦電信號(hào)，并識(shí)別出相關(guān)的特征。由于不同的思維活動(dòng)所產(chǎn)生的不同的腦電信號(hào)的特征是不同的，我們就能由此通過(guò)預(yù)先定義的查找表，產(chǎn)生不同的刺激器功能選擇碼以及相應(yīng)的一組參數(shù)。本方法所產(chǎn)生的刺激參數(shù)被送到通用的功能電刺激器中，被轉(zhuǎn)換成不同的電脈沖刺激信號(hào)，將這些電脈沖刺激信號(hào)作用到人體不同的神經(jīng)/肌肉組織上，就會(huì)引起肌肉的收縮，從而產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，或產(chǎn)生不同的功能行為(如排尿等)。
本方法中功能性電刺激系統(tǒng)的控制參數(shù)選擇來(lái)自受試者大腦活動(dòng)的信息，而不是外部由人工產(chǎn)生的信號(hào)，從功能上替代了患者損傷的脊髓神經(jīng)等運(yùn)動(dòng)傳輸神經(jīng)通路。特定的大腦活動(dòng)信息可以是某種感觀(視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)或體感)刺激產(chǎn)生的誘發(fā)電位，也可以是完全由受試者自主產(chǎn)生的具有一定模式的腦電信號(hào)(例如，想象手動(dòng)和想象腳動(dòng)就能產(chǎn)生不同模式的腦電信號(hào))。刺激神經(jīng)/肌肉的方法可以采用植入肌肉的電極，也可以采用貼在皮膚表面的表面電極，由所采用的通用功能電刺激器決定。
本發(fā)明的效果體現(xiàn)在受試者可以用自己的自主意識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能性電刺激，從而恢復(fù)部分運(yùn)動(dòng)功能，而不需要其他人幫助。對(duì)于截癱C3/C4損傷的患者刺激與手掌握肌有關(guān)的肌肉，可以使之實(shí)現(xiàn)部分對(duì)捏動(dòng)作，幫助患者提高自理水平。對(duì)于下肢殘疾的患者刺激腿部與站立有關(guān)的肌肉，可以幫助其實(shí)現(xiàn)站立。


圖1本發(fā)明所述方法的系統(tǒng)框圖。
圖2通用功能性電刺激器典型脈沖序列的參數(shù)示例。
圖3本發(fā)明所述方法的計(jì)算機(jī)流程圖。
具體實(shí)施例方式
作為一個(gè)典型的應(yīng)用是，以附圖1所示框架幫助腳癱瘓的病人抬腿行走。對(duì)于象“抬腿”這樣的動(dòng)作，可以采用表面電極方案，即將表面電極貼在患者下肢相應(yīng)肌肉的皮膚表面，將電刺激脈沖施加到若干表面電極上，就可以實(shí)現(xiàn)“抬腿”動(dòng)作。首先根據(jù)醫(yī)生對(duì)患者肌體殘疾情況的診斷，設(shè)計(jì)好相應(yīng)的電脈沖刺激參數(shù)。然后分別形成并存儲(chǔ)以下兩個(gè)查找表刺激配置方案編號(hào)到刺激參數(shù)查找表格式示例如下

思維活動(dòng)編號(hào)到刺激配置方案編號(hào)查找表的示例格式如下

附圖1中的“腦電信號(hào)記錄器”可以是現(xiàn)有的商品化的腦電圖機(jī)，也可以是自制的腦電放大器(這是一種典型的電生理信號(hào)放大器)。圖中所示的“處理器”可以是一臺(tái)通用的計(jì)算機(jī)，也可以由專(zhuān)用的數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其任務(wù)是對(duì)記錄到的腦電信號(hào)做必要的處理和分析，找到與任務(wù)(如不同的想象運(yùn)動(dòng))相關(guān)的腦電特征模式，由此識(shí)別出受試者的主觀意愿，并通過(guò)前述的查表方法，得到一組適合抬腿動(dòng)作的刺激參數(shù)，送入通用的功能性電刺激器。刺激器根據(jù)這組參數(shù)產(chǎn)生特定的電脈沖刺激患者下肢的神經(jīng)和肌肉，實(shí)現(xiàn)抬腿動(dòng)作。
權(quán)利要求
1.利用腦電波直接控制功能性電刺激器的方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步驟步驟1定義N組功能性刺激器的刺激配置方案，每一配置方案包含下述參數(shù)刺激強(qiáng)度A，刺激頻率f，刺激間隔T，形成刺激配置方案編號(hào)到刺激參數(shù)的查找表；步驟2定義N類(lèi)不同的思維活動(dòng)，以及它們與功能性電刺激器配置方案之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成思維活動(dòng)編號(hào)到刺激配置方案編號(hào)的查找表；步驟3受試者進(jìn)行預(yù)先定義好的N類(lèi)不同思維活動(dòng)中的一種，實(shí)時(shí)采集腦電波信號(hào)送入計(jì)算機(jī)；步驟4針對(duì)步驟3中的腦電信號(hào)，計(jì)算機(jī)采用現(xiàn)有腦電處理方法分析出當(dāng)前的腦電模式屬于步驟2中預(yù)定義的思維活動(dòng)的類(lèi)別；步驟5由步驟4得到的思維活動(dòng)類(lèi)別，根據(jù)思維活動(dòng)編號(hào)到刺激配置方案編號(hào)的查找表，得出對(duì)應(yīng)的功能性電刺激器的刺激配置方案編號(hào)；步驟6由步驟5得到的功能性電刺激器的刺激配置方案編號(hào)，根據(jù)刺激配置方案編號(hào)到刺激參數(shù)的查找表，得到一組包含刺激強(qiáng)度、刺激頻率、刺激間隔在內(nèi)的刺激參數(shù)；步驟7將這組刺激參數(shù)分別送入通用的功能性電刺激器的相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置端，得到希望的刺激脈沖序列，實(shí)施相應(yīng)刺激以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)肢體的運(yùn)動(dòng)功能。
全文摘要
本發(fā)明屬于肢殘人康復(fù)醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于該方法依次含有以下步驟預(yù)先定義功能性刺激器的N種刺激配置方案，同時(shí)定義N類(lèi)不同的思維活動(dòng)，以及它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；受試者進(jìn)行N類(lèi)不同思維活動(dòng)中的一種，由計(jì)算機(jī)分析出當(dāng)前的思維活動(dòng)類(lèi)別碼；由定義好的對(duì)應(yīng)關(guān)系得出對(duì)應(yīng)的功能性電刺激器的功能選擇碼，及對(duì)應(yīng)配置方案中的一組刺激參數(shù)；將這組刺激參數(shù)分別送入通用的功能性電刺激器的相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置端，實(shí)施相應(yīng)刺激以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)肢體的運(yùn)動(dòng)功能，如抬手、邁腳等。與傳統(tǒng)功能性電刺激的控制方法相比，本發(fā)明可以幫助患者用自己的自主意識(shí)來(lái)控制功能性電刺激，從而恢復(fù)部分運(yùn)動(dòng)功能，而不需要其他人幫助。
文檔編號(hào)A61N1/36GK1803216SQ200510126360
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者高小榕, 高上凱, 張志廣, 洪波 申請(qǐng)人:清華大學(xué)