基于bci-fes的肢体功能重建系统研究

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1、第一章绪论Zorowitz的统计性研究表明，由脑卒中导致的上肢功能丧失的患者中，高达80%的患者在中风六个月后仍然无法有效的自由使用上肢，给生活带来了极大的障碍[5]。1999年Broeks等人针对54名脑卒中患者手臂功能的恢复状况进行了研究统计，结果发现即使在脑卒中发病四年后，部分患者在经过为期16周的训练后运动机能仍然有一定的改善，这项研究显示了长期脑中风后遗症患者恢复部分运动机能的可能性[6]。20%-40%的脑卒中患者会不同程度出现僵直症状，这给患者本人、护理人员乃至社会增加了持久性的重担[7]。脑卒中

2、患者由于发病后有较长时间的感觉和运动机能缺失，导致患者对于患侧肢体的使用产生抗拒感，长时间弃用患侧肢体十分容易发生功能性动作遗忘（Functionalmotoramnesia）或者习惯性废用现象（learnednon-usephenomenon），增大了康复难度[8]。肢体运动障碍是脑卒中患者常见的后遗症，目前临床上的治疗手段也大多致力于恢复肢体功能。脑卒中肢体功能康复的主要手段包括Bobath康复治疗技术（BobathConceptRehabilitation）[9]、强制性使用制动疗法（Constraint

3、-inducedmovementtherapy,CIMT）[10]、本体感神经肌肉易化法（Proprioceptiveneuromuscularfacilitation,PNF）[11]以及电刺激法（Electricalstimulation）等。有大量的研究表明，主动的、具有重复性和目的性的康复手段对于脑卒中后遗症有较为理想的效果[12][13]。目前中国社会老龄化严重，脑卒中的发病率极高，大量的脑卒中后遗症患者对更为有效的康复疗法有着迫切的需求。1.1.2基于想象动作的脑-机接口人脑具有诸多功能，如控制人类

4、的认知能力、思维、肢体运动、语言中枢等。相较于其他器官，脑部功能的正常显得的尤为重要。人类对于脑部的研究也从未停止。早在1929年HansBerger等人首次记录到脑部的电生理活动，并命名为脑电波图（Electroencephalogram,EEG），可以用来观察人体脑组织活动所产生的头皮信号的电位变化[14]。脑电采集方式可以分为以下几种：介入式、半介入式与非介入式。随着EEG测量技术和信号处理方法的进步，人类通过脑电信号控制外周设备的想法也得以实现。脑-机接口（BrainComputerInterface,

5、BCI）技术是无需借助外部物理运动操作、直接受到人脑控制的辅助系统。脑-机接口所采用的脑电信号主要分为以下几种：慢皮层电位（SlowCorticalPotentials,SCPs）、诱发电位（EvokedPotential,EP）和μ节律与β波脑电变化。根据BCI的运作方式，又可以将脑-机接口分成同步BCI（SynchronousBCI）和异步BCI（AsynchronousBCI）：同步BCI会提供视觉或听觉提示给受试者，告知受试者在特定的时间内执行特定的任务；而在异步脑-机接口系统中，受试者可以自行决定意念

6、活动时2第一章绪论刻，不受系统时间制约。相比于同步BCI来说，异步BCI系统的实现难度更高。脑-机接口技术的出现给一些特定的神经受损病人创造了一种全新的康复训练途径和与其他人沟通的工具。脑-机接口技术最早形成于二十世纪70年代，UCLA的JacquesVidal设计出了第一个脑-机接口系统。该研究通过传统头皮电极采集视觉诱发电位（VisualEvokedPotential,VEP）并利用数字信号处理技术进行实时处理，从而使得受试者可以控制反馈界面上的光标移动（二维）[15]。在此之后的几十年内，脑-机接口技术得

7、到了极大的发展，伊利诺伊大学的Donchin等人于1988年通过P300-Speller系统完成了字符输入的系统设计[16]，给肌萎缩侧索硬化症等失去语言能力与运动能力的人群开发了一种新的交互方式。90年代，BCI技术达到了前所未有的研究高峰。BCI技术在随后开始逐渐走向应用，2007年奥地利的RobertLeeb等人利用虚拟现实（VisualReality,VR）技术实现了SCI病人通过异步BCI控制虚拟轮椅前进或停止[17]。在脑-机接口的研究中，运动想象动作（MotionImagery,MI）是近年来的研

8、究热点，是目前基于脑-机接口的体外神经假体最富成效的控制方式。基于想象动作的研究主要是以μ节律和β波为基础。1991年Wolpaw等人提出的基于脑-机接口鼠标控制系统是较为早期的以μ节律振幅变化为控制信号的脑-机接口[18]。从1991年起，Graz大学的G.Pfurtscheller小组通过研究一般人进行实际动作和想象动作时所产生的不同脑电信号，引入了事件相关同步/去同步现象（Eve