基于植入式神经接口的运动感觉功能修复研究
发布时间：2020-09-09 14:55
肢体残障人士因肢体运动感觉功能受损往往生活质量较低,给家庭和社会造成很大负担,而传统的药物治疗及康复辅具治疗都无法起到很好治疗效果。近年来随着神经科学、制造科学及信息科学等多学科交叉融合的发展,新兴的神经接口技术在修复肢体残障人士运动感觉功能方面表现出了巨大潜力。植入式神经接口通过在神经系统植入神经微电极,提供了神经系统与假肢等外部设备直接交互的“窗口”,让使用者可以通过“意念”直接操控外部设备,从而实现对缺失运动功能的修复,同时通过神经微电极还能向神经系统施加各种类型的微刺激提供传感反馈,实现对缺失感觉功能的修复。基于植入式神经接口的运动感觉功能修复是目前交叉学科领域最前沿和热门的研究方向之一。植入式神经接口包含植入式脑机接口与植入式外周神经接口,植入式脑机接口修复运动感觉功能的能力更强但侵入性更大,相比之下植入式外周神经接口的适用对象更局限,不过其侵入性小有着更强的临床应用前景。本文分别面向这两种神经接口开展工作构建各自的研究平台,设计了基于猕猴的运动感觉行为范式与在体神经信号采集实验,分别考察了大脑皮层神经信号以及外周神经信号在上肢伸展抓握运动中的活动模式,分别研究了基于脑机接口和基于外周神经接口在解码运动意图和电刺激感觉重建中的方法和效果。本文首先构建了植入式运动脑机接口平台,设计了独特的猕猴上肢伸展抓握运动实验范式,在猕猴多个脑区成功植入神经微电极阵列,获取了不同脑区与猕猴伸展抓握运动直接相关的高质量神经信号,利用多脑区神经信号联合解码实现了高准确率的运动意图识别。在植入式运动脑机接口平台的基础上构建了植入式感觉脑机接口平台,设计了独特的猕猴感觉解析与重建实验范式,解析了猕猴大脑皮层感觉相关脑区的神经信号活动机制,制定了皮层微刺激感觉重建研究思路。在神经信号解码方面,针对记录的动作电位信号的非平稳性以及有效时间较短的局限性,进行了基于场电位信号的运动意图识别。与之前研究不同的是,本文使用高频场电位信号进行解码研究而不是使用低频场电位信号,设计了基于小波包变换的特征提取算法,联合多脑区高频场电位信号实现了对不同伸手方向和抓握手型运动意图的识别并获得了较高的分类准确率,证明了高频场电位信号可以用于运动意图的准确识别以及多脑区高频场电位信号联合解码的效果要好于单个脑区单独解码的效果。在完成神经信号解码的基础上,针对植入式脑机接口解码器使用前需要新数据进行校正的问题,将迁移学习的理念首次引入植入式脑机接口解码器校正问题,设计了一种基于迁移学习的解码器校正新方法,该方法只需要超小当前样本集数据就能完成解码器校正且获得良好的校正效果,相比于目前流行的其他几种解码器校正方法,该方法既减少了对于当前样本集数据的依赖又获得了更好的解码器校正效果,增强了植入式脑机接口的实用性。针对目前植入式脑机接口存在的不足,进行了植入式外周神经接口研究,在国内首次构建了基于猕猴的长期植入式外周神经接口,实现了外周神经信号和皮层神经信号的同步采集和解析。基于猕猴外周神经接口,首次综合使用束外神经电极和束内神经电极联合进行外周神经微电刺激并成功重建猕猴上肢抓握运动。此外,还设计了面向猕猴的基于外周神经电刺激的感觉重建实验,完成了猕猴训练,实现了猕猴对于所受感觉刺激的分辨与表达,证明了以猕猴为研究对象进行感觉重建实验的可行性。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R318;TN911.7
【部分图文】：
图 1- 1 神经接口基本结构示意图完整的神经接口是一个双向闭环系统，包含传出神经接口（efferent neural interf传入神经接口（afferent neural interface）两部分[5]。传出神经接口的核心是“解码破解神经信号所含信息，可以分为神经信息获取、神经信息解析与外部设备控制分。神经信息获取是通过神经电极捕获神经系统信息并传递给神经信号采集系同电极能够获取不同层次的神经信息，如头皮脑电电极获取的是头皮脑电信lectroencephalograph, EEG)，皮层植入式电极获取的是神经元场电位(Local Fotential，LFP)与动作电位信号(Action Potential, Spike)。神经信息获取完成后进行信息解析，对采集的神经信号进行预处理、特征提取以及模式识别等处理，从而神经信息所含指令并实现外部设备控制，如控制智能假肢等。传入神经接口的核“反馈”，即将外界环境或自身状态信息反向传递给神经系统，可分为信息获取、编码与刺激反馈三部分。信息获取是通过外部设备的多类型传感器获取设备操控
境信息以及抓握力大小和假肢关节角度等自身状态信息。对于传感器获取的信息需进行不同模式编码以使其能够被神经系统识别，然后将编码的信息通磁刺激等手段反馈给神经系统提供感觉反馈，实现对外部设备的闭环控制，然更流畅的控制效果。2 神经接口的分类及比较根据神经信息获取方式的侵入性程度，神经接口可以分为非植入式神经接口神经接口。顾名思义，非植入式神经接口是无需侵入生物体内、可以无损伤体神经信息的方式，相反，植入式神经接口需要通过手术将神经电极植入生行神经信息获取。图 1-2 展示了不同侵入性程度的电极及采集的对应大脑神其中位于头皮表面的电极采集的是头皮脑电信号 EEG，硬脑膜表面电极以及电极采集的都是皮层脑电信号（electrocorticography，ECoG），植入皮层内的的是单个神经元动作电位信号 Spike 及局部场电位信号 LFP。往往侵入性程电极采集的神经信号质量和精度越好。
图 1- 3 大脑及大脑皮层细胞图示[18]大脑皮层有着独特的细胞层状排列结构，但是大脑皮层不同区域的细胞形态结在区别，据此德国神经解剖学家 Korbinian Brodmann 构建了皮层细胞构筑图，如-4 所示，将大脑皮层分为 52 个分区，称为 Brodmann 分区。不同的分区有着不同能，好比 4 区是运动皮层，主要与肢体运动相关，而 1,2,3 区为躯体感觉皮层，与躯体的触觉及本体感觉相关。
本文编号：2815114
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R318;TN911.7
【部分图文】：
图 1- 1 神经接口基本结构示意图完整的神经接口是一个双向闭环系统，包含传出神经接口（efferent neural interf传入神经接口（afferent neural interface）两部分[5]。传出神经接口的核心是“解码破解神经信号所含信息，可以分为神经信息获取、神经信息解析与外部设备控制分。神经信息获取是通过神经电极捕获神经系统信息并传递给神经信号采集系同电极能够获取不同层次的神经信息，如头皮脑电电极获取的是头皮脑电信lectroencephalograph, EEG)，皮层植入式电极获取的是神经元场电位(Local Fotential，LFP)与动作电位信号(Action Potential, Spike)。神经信息获取完成后进行信息解析，对采集的神经信号进行预处理、特征提取以及模式识别等处理，从而神经信息所含指令并实现外部设备控制，如控制智能假肢等。传入神经接口的核“反馈”，即将外界环境或自身状态信息反向传递给神经系统，可分为信息获取、编码与刺激反馈三部分。信息获取是通过外部设备的多类型传感器获取设备操控
境信息以及抓握力大小和假肢关节角度等自身状态信息。对于传感器获取的信息需进行不同模式编码以使其能够被神经系统识别，然后将编码的信息通磁刺激等手段反馈给神经系统提供感觉反馈，实现对外部设备的闭环控制，然更流畅的控制效果。2 神经接口的分类及比较根据神经信息获取方式的侵入性程度，神经接口可以分为非植入式神经接口神经接口。顾名思义，非植入式神经接口是无需侵入生物体内、可以无损伤体神经信息的方式，相反，植入式神经接口需要通过手术将神经电极植入生行神经信息获取。图 1-2 展示了不同侵入性程度的电极及采集的对应大脑神其中位于头皮表面的电极采集的是头皮脑电信号 EEG，硬脑膜表面电极以及电极采集的都是皮层脑电信号（electrocorticography，ECoG），植入皮层内的的是单个神经元动作电位信号 Spike 及局部场电位信号 LFP。往往侵入性程电极采集的神经信号质量和精度越好。
图 1- 3 大脑及大脑皮层细胞图示[18]大脑皮层有着独特的细胞层状排列结构，但是大脑皮层不同区域的细胞形态结在区别，据此德国神经解剖学家 Korbinian Brodmann 构建了皮层细胞构筑图，如-4 所示，将大脑皮层分为 52 个分区，称为 Brodmann 分区。不同的分区有着不同能，好比 4 区是运动皮层，主要与肢体运动相关，而 1,2,3 区为躯体感觉皮层，与躯体的触觉及本体感觉相关。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 贾晓枫,陈统一,陈中伟,张键,张晓文,斯扬,胡天培,高忠华,杨煜普;中国首例人体残肢神经信息控制电子假肢实验研究快报[J];中华物理医学与康复杂志;2004年01期
本文编号：2815114
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