癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)功能重建的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)功能的重建是極具挑戰(zhàn)的醫(yī)學(xué)難題。利用電子系統(tǒng)替代受損神經(jīng)組織，重建運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元通路，進(jìn)而重建運(yùn)動(dòng)功能的方法為該問(wèn)題的解決提供了新的思路。該方法被稱為“微電子神經(jīng)橋”。
　　基于項(xiàng)目組前期在“微電子神經(jīng)橋”領(lǐng)域所做研究，本文主要涉及用于脊髓神經(jīng)損傷后功能重建的“微電子神經(jīng)橋”以及用于腦卒中后偏癱患者肢體運(yùn)動(dòng)功能重建的“微電子肌電橋”，研究?jī)?nèi)容包括:
　　1)神經(jīng)元胞外探測(cè)仿真信號(hào)的生成算法。仿真信號(hào)生成是進(jìn)行相關(guān)神經(jīng)

2、信號(hào)處理算法的基礎(chǔ)。
　　2)胞外探測(cè)中神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏臋z測(cè)算法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)作電位識(shí)別的相關(guān)研究。動(dòng)作電位的檢測(cè)與識(shí)別是“微電子神經(jīng)橋”進(jìn)行選擇性激勵(lì)的基礎(chǔ)。
　　3)基于分立器件和集成電路，進(jìn)行了“微電子神經(jīng)橋”相關(guān)原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括神經(jīng)信號(hào)探測(cè)電路、功能性電刺激電路、無(wú)線/有線神經(jīng)信號(hào)采集電路、功能電刺激信號(hào)生成電路、小型微電子神經(jīng)橋?qū)嶒?yàn)箱、快速原型算法驗(yàn)證平臺(tái)，以及實(shí)時(shí)動(dòng)作電位檢測(cè)與識(shí)別電路。
　　4)

3、基于分立器件和集成電路，進(jìn)行了“微電子肌電橋”相關(guān)原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括雙通道微電子肌電橋原型系統(tǒng)以及用于手部運(yùn)動(dòng)功能重建的微電子肌電橋系統(tǒng)。其中，雙通道微電子肌電橋原型系統(tǒng)目前已經(jīng)通過(guò)相關(guān)檢測(cè)，處于臨床科學(xué)實(shí)驗(yàn)階段。
　　本文共分為7章，第1章緒論對(duì)造成肢體癱瘓的病因進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹脊髓損傷與腦卒中。之后對(duì)項(xiàng)目組前期的工作進(jìn)行了總結(jié)。第2章至第五章研究“微電子神經(jīng)橋”的相關(guān)電路與系統(tǒng)。其中，第2章介紹“微電子神經(jīng)橋”涉及的神經(jīng)生

4、物學(xué)基礎(chǔ)，綜述治療脊髓損傷的生物學(xué)方法，并介紹“微電子神經(jīng)橋”的原理。
　　第3章介紹“微電子神經(jīng)橋”所采用的神經(jīng)信號(hào)探測(cè)與激勵(lì)方法，以及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)與信號(hào)處理流程。
　　第4章主要介紹“微電子神經(jīng)橋”訓(xùn)練階段的信號(hào)處理核心技術(shù):動(dòng)作電位檢測(cè)與識(shí)別。首先研究胞外探測(cè)仿真神經(jīng)信號(hào)的生成方法。對(duì)于動(dòng)作電位檢測(cè)問(wèn)題，首先從傳統(tǒng)的幅度閾值法開(kāi)始研究，分析造成傳統(tǒng)幅度閾值法誤檢率高的原因。在此基礎(chǔ)上，提出基于幅度閾值與動(dòng)態(tài)一階前向差分閾

5、值的檢測(cè)算法。最終，結(jié)合時(shí)域特征篩選，使算法的平均靈敏度達(dá)到99.27％，平均特異度達(dá)到98.60％。對(duì)于動(dòng)作電位的識(shí)別問(wèn)題，首先研究基于時(shí)域信息、K-L變換和離散小波變換的三種特征提取方法。并通過(guò)基于正態(tài)性檢驗(yàn)(Lilliefors檢驗(yàn))和概率密度函數(shù)估計(jì)(Parzen窗估計(jì))的兩種特征提取方法，進(jìn)行特征屬性約減。通過(guò)可分性測(cè)度，確定以基于離散小波變換所獲得的特征作為識(shí)別依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，利用基于馬氏距離的K均值聚類(lèi)算法，獲得高達(dá)99

6、.29％的平均分類(lèi)正確率。并初步研究利用自組織映射進(jìn)行類(lèi)別數(shù)確定以及初始聚類(lèi)中心選取的問(wèn)題。
　　第5章主要涉及與“微電子神經(jīng)橋”相關(guān)的原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括神經(jīng)信號(hào)探測(cè)電路、功能性電刺激電路、無(wú)線/有線神經(jīng)信號(hào)采集電路、任意波形生成電路和小型微電子神經(jīng)橋?qū)嶒?yàn)箱。重點(diǎn)介紹基于ARM CortexA8+TMS320C64x+MSP430F5336硬件構(gòu)架的快速原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并將其應(yīng)用于“微電子神經(jīng)橋”橋接階段的實(shí)時(shí)處理算法的快速驗(yàn)證。利

7、用三倍交叉驗(yàn)證，橋接階段算法的平均靈敏度，特異度以及識(shí)別正確率分別達(dá)到99.43％，97.13％和92.58％。最終以Hercules安全微控制器為目標(biāo)硬件，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)過(guò)快速原型平臺(tái)驗(yàn)證的實(shí)時(shí)信號(hào)處理算法。
　　第6章初步涉及用于腦卒中后偏癱運(yùn)動(dòng)功能重建的“微電子肌電橋”相關(guān)原理以及原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括雙通道微電子肌電橋原型系統(tǒng)以及用于手部運(yùn)動(dòng)功能重建的微電子肌電橋系統(tǒng)。涉及肌電信號(hào)探測(cè)電路設(shè)計(jì)，高壓、隔離、任意波形功能性電刺激電路設(shè)

8、計(jì)，相關(guān)信號(hào)處理算法，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用于臨床時(shí)安全性方面的考慮。
　　文章的最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，并提出需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。
　　本文所涉及的創(chuàng)新點(diǎn):
　　1)設(shè)計(jì)一種基于幅度與動(dòng)態(tài)一階前向差分閾值的動(dòng)作電位檢測(cè)新算法，利用加州理工大學(xué)提供的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行測(cè)試，該算法的平均靈敏度與特異度分別達(dá)到99.45％與97.21％。
　　2)設(shè)計(jì)一種利用滑動(dòng)窗口與極差判別以及中值估計(jì)的神經(jīng)信號(hào)背景噪聲估計(jì)算法。相比于D

9、onoho與Johnstone等人所提出的算法，該算法在100Hz放電頻率下估計(jì)精度提高了3倍。
　　3)設(shè)計(jì)兩種離散小波變換后的特征選擇方法:(1)利用Lilliefors檢驗(yàn)以及層次化選擇的方法進(jìn)行特征系數(shù)選擇，(2)利用Parzen窗估計(jì)，即核密度估計(jì)的方法進(jìn)行特征系數(shù)選擇。在本文所用的可分性測(cè)度下，證明本文所提出的特征選擇方法優(yōu)于基于時(shí)域特征提取以及基于Karhunen-Loève變換的特征提取方法。
　　4)將自組