基于BCI触发方式的功能性电刺激实现手抓握的研究

发布时间：2020-05-10 22:33

【摘要】：脑卒中后遗症作为致残率最高的疾病困扰着千万家庭,其影响时间长、病情严重、难以完全康复等特点成为人们急迫想要克服的病症。当前的主流康复方式是机械康复,但是其带给病患过多痛苦,康复范围较小等特点促使人们发掘其他有效方式。功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation,FES)作为一种新兴康复方法逐渐进入人们视野,它的安全可靠性和良好的康复效果激励人们研究更多的操作细节和内在机理。本次研究通过对正常志愿者的刺激参数规律和肌肉疲劳规律进行研究,制定适用于临床治疗的有效方法;利用BCI系统作为刺激触发方式不仅实现了远距离操作,也有效提升治疗效果。目的1.发现电刺激刺激位点规律及刺激参数相关规律;2.探究电刺激对肌肉疲劳的影响及规律;3.探究脑电信号作为电刺激系统触发方式的可能性。方法1.通过胫骨前突和桡骨前突作为坐标起始参考点制定贴合前臂的坐标系并定位四块肌肉共八个电极坐标,最后分别计算对应电极位置关于前臂长度或前臂最粗周长的比例关系,探查比例关系是否相对一致;2.定二调一为基本方法分别对刺激脉宽、刺激强度、刺激频率之间不同刺激参数进行相关性检测及探索最适宜电刺激参数的范围及组合方法;3.通过电刺激指浅屈肌、采集及电信号分析特征值、采集最大握力值共同研究电刺激致疲劳的特征值、疲劳阈值、最适宜刺激间隔;4.使用时频域方法及信号能量变化来分析判断运动想象发生时刻及探究手抓握及手伸展两种运动想象的区分方法。结果1.通过定位电极位置并进行处理后所有电极位置的最大误差为8%,被试者的前臂长度平均230 mm,因此最大电极位置误差为1.8 cm。本次实验使用电极直径为2 cm,因此可以判断电极误差足够小,有实际意义;2.刺激频率的适宜范围为25Hz-55Hz;电流强度的适宜范围为3.5mA-8.3mA;电流脉宽的范围为0.15ms-0.5ms;三个参数任意一个参数一定时,另外两个参数均为负相关;3.经过对比发现整流平均值(ARV)从0.018μs-0.067μs整体趋势呈随着疲劳加深而逐渐升高因此适合作为肌肉疲劳特征值;当特征值上升到0.035μs时出现最大握力值不再下降且动作出现变形,因此我们把它设置为疲劳阈值;利用疲劳阈值监测正常实验时的特征值发现每刺激一组后休息五分钟疲劳特征值稳定在0.001μs-0.013μs小于疲劳阈值,因此把休息时间设置为五分钟保证实验不受肌肉疲劳影响;4.当进行运动想象时,脑电信号的时频域分析显示10Hz频带能量由0.14±0.07提升至0.23±0.12(具有统计学差异,p0.05,n=50)因此可以作为想象运动发生时刻的判断依据。在想象抓握时C3通道β波段能量下降至0.14±0.03,在进行想象伸展时C3通道β波段能量上升至0.17±0.05(具有统计学差异,p0.05,n=6)可以作为区分两种不同运动想象的依据。结论1.刺激参数范围及刺激位点规律临床治疗康复中可以起到指导作用,证实了表面电极实现功能性电刺激的可行性;2.通过揭示本次实验中特定刺激参数环境下的电刺激致疲劳因素及规律,我们严格区分疲劳分界线,实验进程完全不会被肌肉疲劳因素影响;3.利用10Hz的频域变化及β波的能量变化有效区分不同运动想象任务,提出了一种脑电控制电刺激系统的可能性。
【图文】：

2 低频电刺激相关细节研究2.1 相关肌肉位置及功能简介现已对指伸肌、指浅屈肌、尺侧腕屈肌、桡侧腕屈肌、拇短屈肌这五块重要肌肉进行详细实验研究，，肌肉的作用一览表和相关结果如下：表 1 肌肉功能对照表肌肉名 功能指浅屈肌（二层） 屈近侧指骨间关节，屈掌指关节和屈腕指伸肌（浅层） 伸指，伸腕拇短屈肌（浅层） 屈拇指近节指骨旋前圆肌（浅层） 旋转前臂旋前圆肌

图 2.2 指伸肌电极放置方法较长时间的调整后确定了刺激位点，在这个刺激位点上，选用临床通频率 30Hz，脉宽 100μs，刺激强度 7mA）可以有效实现肌肉功能且这样的位置寻找过程非常麻烦，具体的刺激位点寻找方式也鲜有报道分布大致一样，个体差异主要体现在手臂长度及粗细程度所带来的刺没有一个合适的参考方式来说明刺激位置，基于以上设想，我们首先骨凸起作为起点，垂直于中指为 X 轴，中指所在直线为 Y 轴做直角坐有刺激位点放置于这个坐标轴中（坐标轴是贴合整个手臂的桶状，不。下图为设置坐标示意图）
【学位授予单位】：新乡医学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R743.3

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本文编号：2658000