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

1、直接從中樞神經(jīng)系統(tǒng)提取有效而可靠的信號，旨在修復病人因各種原因造成的肢體癱瘓而喪失的運動功能（尤其是上肢運動功能）的神經(jīng)接口的研究，是目前神經(jīng)科學和神經(jīng)工程學領域內(nèi)的一個聚焦點。通過直接對大腦皮層各功能區(qū)的分析研究，提取出和肢體動作有關(guān)的控制信號，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)通路來實現(xiàn)原肢體功能的恢復。神經(jīng)接口的研究不僅有助于人們對自身中樞神經(jīng)系統(tǒng)在調(diào)控、編碼、協(xié)同等方面的進一步了解，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行肢體動作。
　　 植入式神經(jīng)接口以其高檢出幅值、高時空分辨率、短訓練時間等等優(yōu)點相比顱外頭皮檢測EEG信號的目前國內(nèi)主要研究方式更滿足肢體動作修復的實時、精準和復雜的應用需求。以局部場電位作為信號源的植入式神經(jīng)接口則相比以單神經(jīng)元活動為信號源的植入式神經(jīng)接口更具應用潛力，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因其微電極不須植入腦組織而進一步減小了神經(jīng)損傷和感染

3、風險。以局部場電位作為信號源的植入式神經(jīng)接口對記錄電極的微小位移也沒有單神經(jīng)元活動神經(jīng)接口系統(tǒng)那么敏感從而保捋植入電極的長期有效工作。
　　 本文首次對200-400 Hz頻率范圍內(nèi)的局部場電位信號進行了研究，并對從0.3 Hz開始的各頻率段（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和第一次詳細研究的寬帶高頻段：200

4、-400 Hz)進行了全面的研究比較。運用互信息分析對獼猴初級運動皮層手臂區(qū)域4x4 mm大小的(10xl0通道)植入電極陣列的局部場電位記錄信號進行各頻段與手臂動作信息之間的關(guān)聯(lián)分析，本文發(fā)現(xiàn)了高頻的局部場電位功率相比低頻段含有更多的肢體動作信息，而其中以200-400Hz頻段為最多。
　　 本文首次對局部場電位中所蘊含的三維空間的肢體動作信息進行了研究，突破了過去局部場電位的研究基于手臂在二維平面空間運動的局限。本文實驗訓練

5、兩只獼猴在三維空間內(nèi)自由伸展和抓握物體，通過獼猴手臂上安放的反射標記物由動作捕捉系統(tǒng)進行實時記錄并與植入神經(jīng)接口的局部場電位記錄達到時間點同步?；バ畔⒎治鲲@示了高頻段局部場電位與獼猴上肢動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)。本文進一步通過線性狀態(tài)空間模型（卡爾曼濾波）對局部場電位中含有的三維空間上肢動作信息進行了評估。解碼重建的結(jié)果與互信息分析的結(jié)果一致，高頻段的上肢動作解碼質(zhì)量高于低頻段的局部場電位，能

6、較好地重建出手腕節(jié)點的三維空間位置的動態(tài)變化和手掌握距的動態(tài)變化。在此之上，本文討論分析了功率譜計算過程中不同時間窗長對解碼結(jié)果的影響，并詳細探討了電極通道的選擇對解碼結(jié)果的作用。
　　 本文還對高頻局部場電位中抓握動作的三類離散狀態(tài)（張開、握閉和中間靜止狀態(tài)）進行了分類辨識。在比較了多個不同分類器（例如二次判別分析分類器、支持向量機分類器等等）的分類性能的基礎上，本文提出了一個二步序貫分類器，進一步改善了三類狀態(tài)的分類結(jié)果。<

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

8、分類方法來進行對神經(jīng)元鋒電位的分類。在對由實驗數(shù)據(jù)提取的噪聲和仿真設計的三類鋒電位疊加形成的仿真數(shù)據(jù)的分類中，相比同類算法，該算法在提高分類性能的同時也降低了復雜度。
　　 本文的結(jié)果顯示了局部場電位，尤其是高頻局部場電位，可以作為進行三維空間伸展動作和抓握動作的神經(jīng)接口系統(tǒng)的有效的控制信號，能較好地重建出肢體動作的三維空間運動實時曲線和手掌握距動態(tài)變化曲線，從而可以有望使癱瘓病人通過此神經(jīng)接口方案實現(xiàn)手部基本動作的自如操控。在