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结合运动想象的手部康复系统设计

丁建清  
【摘要】:脑卒中以其高发病率和高致残率成为当今严重威胁人类健康的一类疾病。绝大多数的脑卒中患者有手部运动功能障碍,脑卒中患者的康复治疗需要医护人员和家属的协同合作,给患者和家人造成了极大的负担。患者的手部康复需要手部肌肉与运功神经功能的共同恢复,若能激发患者的主动运动意图,促进受损运动神经修复,使未受损区域的休眠神经元苏醒过来重新构建神经通路,就能够加速其自身的康复过程,提升康复效果。基于运动想象(Motor imagery,MI)的脑机接口(Brain-computer interface,BCI)系统应用于脑卒中患者的康复治疗中,能够将患者的运动意图转换为对外部设备的控制命令,激发患者的主动运动意图。功能性电刺激通过产生电刺激作用于神经细胞传递人工控制信号,通过外电流的作用使肌肉纤维产生收缩,获得运动的效果,能够促进受损运动神经修复。面向脑卒中病人的手部康复训练,本论文将二者相结合,设计了一款基于运动想象脑电控制的脑卒中手部康复系统。为了适应不同程度的脑卒中患者,系统采用的信号为三种力度的运动想象脑电信号,为了能够为脑卒中患者提供更加适合其自身的康复方案,本文提出了一种控制策略,该控制策略包含四种控制方法,能够供不同类型的患者进行选择。该系统包含功能性电刺激装置和康复系统软件两大核心部分:(1)根据电刺激的原理,设计了带有液晶显示功能的功能性电刺激设备,功能性电刺激装置能够实现多通道独立输出,既可脱机使用,也可通过串口接收控制命令联机使用。通过实时检测患者的脑电信号,识别出患者的运动倾向,进而控制功能性电刺激设备激刺患者手部肌肉,达到主动康复的目的。(2)设计了手部康复系统软件,手部康复系统软件主要在康复训练过程中进行统筹管理,包括康复流程管理,电刺激装置控制,算法实现等功能。设计了三种力度的运动想象离线实验,采集了离线实验时的脑电和肌电信号,肌电信号验证了实验设计的正确性,三种力度运动想象脑电信号分类正确率为72.4%,表明三种力度运动想象脑电信号具有可分性。在离线实验的基础上进行了在线实验研究,结果表明控制策略下的四种控制方法均能够达到预期目标。本文研究在基于运动想象的康复系统设计方面具有积极意义,特别是对提高运动想象脑机接口系统的适应性和鲁棒性做出了一些探索,证明了运动想象脑机接口系统在脑卒中患者康复训练中的可行性,为未来临床应用起到探索的作用。


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