CN113209470A - 一种基于侵入式bci的脊柱受损运动神经控制方法、*** - Google Patents
一种基于侵入式bci的脊柱受损运动神经控制方法、*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法、***，该方法包括以下步骤：侵入式BCI设备采集受损脊柱的脊柱神经信号，发送到前端算法***；前端算法***解析脊柱神经信号，判别特定的运动控制模式信号，并将特定的运动控制模式信号转换为运动控制指令，发送给神经丛刺激设备；神经丛刺激设备将运动控制指令转化为特定的神经刺激信号，激发给相应的神经丛，使躯体肌肉按照相应指令产生运动。本发明可使脊柱损伤的截瘫患者快速恢复基本运动功能，并降低了手术的风险和成本。
Description
技术领域
本发明涉及脊柱受损治疗领域，特别是涉及一种基于侵入式BCI 的脊柱受损运动神经控制方法、***。
背景技术
通常会因外伤而导致脊柱全部或部分神经连接中断，从而造成脊柱受损。常见病理表现有脊柱骨折、合并脊髓和神经根损伤等，脊柱受损患者的临床表现为感觉障碍、运动障碍、***功能障碍等。
现有关于脊柱受损患者的医疗级解决方案主要是通过运动康复训练、促进神经功能恢复药物(三磷酸胞苷二钠、维生素B1、B6、 B12等)、脱水治疗以消除脊髓水肿、激素治疗、自由基清除剂治疗等方法，其特征是通过神经训练、营养、代谢控制等方式，让受损的神经自主连接重新恢复部分或全部功能；其特点是恢复周期长，效果差，对于严重受损的瘫痪患者，几乎无作用。现有技术瓶颈导致脊柱受损患者通常呈现终身截瘫，难以控制身体下部肌肉，丧失行走甚至躯体全部运动功能。
目前已有的方式还有，通过脑部大脑皮层运动信号的采集和解析，以控制机械手臂等，恢复脊柱受损患者的基本运动功能的方法。但该类方法相较于本发明方法有以下缺点：在大脑皮层植入侵入式 BCI设备，需要进行大型开颅手术，容易引起术后不良反应，感染甚至死亡等，其安全性和技术难度更大；该方法通过外接的机械臂恢复患者运动功能，其效果弱于通过神经丛刺激恢复的患者本身肌肉功能，且成本更高，完成度更低。
因此，如何降低风险和成本是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法、***，通过读取患者脊柱神经信号并实时控制神经丛刺激的发生，使脊柱损伤的截瘫患者快速恢复基本运动功能，并且手术无需开颅，降低了风险和成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法，包括：
侵入式BCI设备采集受损脊柱的脊柱神经信号，发送到前端算法***；
前端算法***解析脊柱神经信号，判别特定的运动控制模式信号，并将特定的运动控制模式信号转换为运动控制指令，发送给神经丛刺激设备；
神经丛刺激设备将运动控制指令转化为特定的神经刺激信号，激发给相应的神经丛，使躯体肌肉按照相应指令产生运动。
优选的，侵入式BCI设备接到开始指令后，采集开始，对皮质脊髓侧束内自发神经活动信号进行持续采集，得到脊柱神经信号。
优选的，所述前端算法***包括计算和处理设备，该设备实现了侵入式BCI设备发送信号的接收，处理、分析和后续指令传输功能。
优选的，所述解析脊柱神经信号通过算法实现，包括采用滤波算法对脊柱神经信号进行滤波，以及采用算法提取波形中与运动信号有关的特征值。
优选的，对所述特定的运动控制模式信号进行判定需要将波形中与运动信号有关的特征值送入算法模型中进行模式识别分类。
优选的，所述模式识别分类具体是指，跟据特征值大小，将特征值与模型阈值进行对比，判断脊柱神经信号中是否出现相应的运动控制指令。
优选的，所述神经丛刺激设备包括电刺激器、刺激针、刺激套管、导管、导引器、遥控器；引导器和遥控器收到运动控制指令后进行传输解码，发送进一步处理的指令到电刺激器，由电刺激器形成与神经刺激匹配的信号，通过数模转换组件，转换为实际刺激使用的模拟信号，并传输到刺激输出端，以激发躯体运动行为。
本发明还提供一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制***，用于实现上述方法，包括：
侵入式BCI设备，用于采集受损脊柱的脊柱神经信号，发送到前端算法***；
前端算法***，用于解析脊柱神经信号，判别特定的运动控制模式信号，并将特定的运动控制模式信号转换为运动控制指令，发送给神经丛刺激设备；
神经丛刺激设备，用于将运动控制指令转化为特定的神经刺激信号，激发给相应的神经丛，使躯体肌肉按照相应指令产生运动。
本发明所提供的一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法、***，基于侵入式BCI技术和神经丛刺激技术，通过读取患者脊柱神经信号并实时控制神经丛刺激的发生，达到了使脊柱损伤的截瘫患者快速恢复基本运动功能的有益效果，并且手术无需开颅，降低了治疗的风险和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法流程图；
图2为本发明所提供的侵入式BCI设备结构图；
图3为本发明所提供的计算和处理设备结构图；
图4为深度学习算法原理图；
图5为本发明所提供的神经丛刺激设备结构图；
图6为本发明所提供的一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制***原理图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法、***，以实现降低风险和成本。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法流程图。图2为本发明所提供的侵入式BCI设备结构图。基于本方法，具体实施流程如下：
1、通过特制的侵入式BCI设备，收集受损脊柱上游的运动控制信号，发送到实时计算的前端算法***；
其中，侵入式BCI设备结构包括了神经信号采集处理***、记录电极、材质铂-玻璃微电极、信号传输组件、电池***。对于神经信号采集处理***，其通道数为4，采样率为20kHz，信号精度为1uV，包含高低通滤波，前置放大器5000倍，ADC位数16。对于记录电极，其尖端直径10-30μm，阻抗550±40kΨ。侵入式BCI是指用过特定设备建立大脑、神经组织等于外部设备的直接连接通路，通过一定的计算方式直接从神经活动中提取人的意识相关信息的技术
本实施例中，该侵入式BCI设备的植入过程为：在脊柱T8节位置植入侵入式BCI***。确定T7-8脊髓，以T8棘突为中心作背部正中切口，长约2cm,依次切开皮肤、皮下组织，剥离椎旁肌肉，咬除 T8棘突和全椎板至椎弓根部，部分咬除T7和T9椎板扩大椎管，显露脊髓硬脊膜(长约lcm)。用显微镊沿正中线轻轻挑开硬脊膜，暴露脊髓，覆盖浸有生理盐水的纱布。在T8位置、皮质脊髓侧束***电极，深度680μm～800μm，微电极尖端位于脊髓后正中沟偏右180～200 μm的上方，在距将要***的电极约1cm处的肌肉内***参比电极。
脊柱神经信号采集方法为，侵入式BCI设备接到开始指令后开始采集，并可实时对皮质脊髓侧束内自发神经活动信号进行持续采集和发送。此处信号波宽度约为0.4-1.0ms，波幅绝对值约为500-3000uV。目标采集的神经信号可以为：平稳前进运动指令，停止平稳前进运动指令，站立静止运动指令，匀速转弯行走运动指令。
2、前端算法***通过深度学习算法解析脊柱神经信号，判别特定的运动控制模式信号，并将其转换为多分类的运动控制指令，发送给神经丛刺激设备；
其中，前端算法***包括计算和处理设备，如图3所示。计算和处理设备实现侵入式BCI发送信号的接收，处理、分析和后续指令传输功能。设备的具体形式可以是任一能合理搭载上述功能电路的形态，不限于腰带、手环、手持设备等，较优的，本发明采用手环设备形态。由传输模块将解析得到的运动指令信号发送到神经丛刺激设备。图4 为深度学习算法原理图。
对脊柱神经信号的处理计算是通过算法实现的，包括：
(1)采用滤波算法对原始数据进行滤波，过滤其中的高频、低频伪迹，以及工频干扰、眼电等噪音，得到纯净的神经电信号；
(2)采用算法提取波形中与运动信号有关的特征值；
(3)将特征送入算法模型中进行模式识别分类，检测实时的运动控制信号。
其中，采用的算法模型为常用的几种经典模型，包括但不限于： SVM、决策树、KNN、随机森林、朴素贝叶斯分类、最小二乘法、逻辑回归等。根据特征值大小，将其与模型阈值进行对比，可以判断神经信号中是否出现相应的运动控制指令。
3、神经丛刺激设备将上述步骤的运动控制指令转化为特定的神经刺激信号，激发给相应的神经丛，使躯体肌肉按照相应指令产生基本的运动功能，即激发给相应的神经丛，产生躯体自主运动，调节运动模式，使下肢肌肉按照相应指令产生基本的运动功能；
本实施例中，该神经丛刺激设备由电刺激器、刺激针(阻滞针)、刺激套管、导管、导引器、遥控器部件组成，如图5所示。神经丛刺激设备能够实现从接收运动指令信号、形成合适的刺激、发送刺激到神经丛的多种功能，其具体形态、形式不限。神经丛刺激技术是指：利用神经(丛)刺激器又称神经刺激仪或(外周)神经刺激器(PNS)，通过穿刺针的针尖释放一定强度和频率的电流，诱发神经支配肌群的运动反应。
神经丛刺激设备接收到运动指令信号，前端算法***解析的运动指令包括：平稳前进运动指令、停止平稳前进运动指令、站立静止运动指令、匀速转弯行走运动指令。引导器和遥控器模块搭载了信号无线传输组件，数据传输的方式可以是任何一种无线连接方式，不限于蓝牙、数据流量和WiFi，较优地，本发明采用蓝牙方式传输数据。引导器和遥控器收到运动指令信号，并传输解码，发送进一步的指令到电刺激器。
4、神经丛刺激设备形成合适的刺激，激发肌肉运动。
本实施例中，以由电刺激器形成与神经刺激匹配的信号，通过数模转换组件，转换为实际刺激使用的模拟信号，并传输到刺激针，进行神经丛刺激，激发运动行为。刺激信号的伏值为0.6～0.8V，形式为方波脉冲形式，每次刺激持续时间为1秒，波长为50ms。刺激发生后，如检测到运动指令在躯体肌肉上实际生效，则提前停止刺激。
本文中涉及对信号的传输和接收步骤中，其传输接收方式可以是任何一种无线连接方式，不限于蓝牙、数据流量和WiFi，较优地，本发明采用蓝牙方式传输数据。
本方法通过直接的神经信号读取、神经丛刺激组合，以恢复脊柱损伤患者部分基本运动功能。本发明基于侵入式BCI技术和神经丛刺激技术，将二者结合为一个***，通过读取患者脊柱神经信号并实时控制神经丛刺激的发生，使脊柱损伤的截瘫患者快速恢复基本运动功能，并且手术无需开颅，降低了治疗的风险和成本。
目前已有的旨在完成类似功能，及帮助脊柱损伤患者恢复运动功能的方法，主要是通过辅助手段，帮助神经组织自行恢复，如利用运动康复治疗、神经营养、神经生长环境调控等方式。上述已有方式相较于本发明方法的缺点在于，其效果缓慢而不明显，且针对重度损伤的患者，几乎没有作用，神经难以自行恢复。本发明克服重度损伤的脊柱神经无法治愈的难点，创新地通过侵入式BCI技术和神经丛刺激技术，将受损脊柱神经段，通过机器辅助的方式连接起来，实现了为脊柱受损患者快速恢复基本运动功能的目标，且无论脊柱损伤的严重程度，皆可适用。
目前已有的方式还有通过脑部大脑皮层运动信号的采集和解析，以控制机械手臂等，恢复脊柱受损患者的基本运动功能的方法。但该类方法相较于本发明方法有以下缺点：在大脑皮层植入侵入式BCI设备，需要进行大型开颅手术，容易引起术后不良反应，感染甚至死亡等，其安全性和技术难度更大。通过外接的机械臂恢复患者运动功能，其效果弱于本发明中通过神经丛刺激恢复的患者本身肌肉功能，且成本更高，完成度更低。
请参考图6，图6为本发明所提供的一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制***原理图，该***用于实现上述方法，包括：
侵入式BCI设备101，用于采集受损脊柱的脊柱神经信号，发送到前端算法***；
前端算法***102，用于解析脊柱神经信号，判别特定的运动控制模式信号，并将特定的运动控制模式信号转换为运动控制指令，发送给神经丛刺激设备；
神经丛刺激设备103，用于将运动控制指令转化为特定的神经刺激信号，激发给相应的神经丛，使躯体肌肉按照相应指令产生运动。
可见，本***基于侵入式BCI技术和神经丛刺激技术，通过读取患者脊柱神经信号并实时控制神经丛刺激的发生，达到了使脊柱损伤的截瘫患者快速恢复基本运动功能的有益效果，并且手术无需开颅，降低了治疗的风险和成本。
对于本发明提供的基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制***的介绍请参照前述的基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法的实施例，本发明实施例在此不再赘述。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程 ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法、***进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
侵入式BCI设备采集受损脊柱的脊柱神经信号，发送到前端算法***；
前端算法***解析脊柱神经信号，判别特定的运动控制模式信号，并将特定的运动控制模式信号转换为运动控制指令，发送给神经丛刺激设备；
神经丛刺激设备将运动控制指令转化为特定的神经刺激信号，激发给相应的神经丛，使躯体肌肉按照相应指令产生运动。
2.如权利要求1所述的基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法，其特征在于，侵入式BCI设备接到开始指令后，采集开始，对皮质脊髓侧束内自发神经活动信号进行持续采集，得到脊柱神经信号。
3.如权利要求1所述的基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法，其特征在于，所述前端算法***包括计算和处理设备，该设备实现了侵入式BCI设备发送信号的接收，处理、分析和后续指令传输功能。
4.如权利要求1所述的基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法，其特征在于，所述解析脊柱神经信号通过算法实现，包括采用滤波算法对脊柱神经信号进行滤波，以及采用算法提取波形中与运动信号有关的特征值。
5.如权利要求4所述的基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法，其特征在于，对所述特定的运动控制模式信号进行判定需要将波形中与运动信号有关的特征值送入算法模型中进行模式识别分类。
6.如权利要求5所述的基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法，其特征在于，所述模式识别分类具体是指，跟据特征值大小，将特征值与模型阈值进行对比，判断脊柱神经信号中是否出现相应的运动控制指令。
7.如权利要求1所述的基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制方法，其特征在于，所述神经丛刺激设备包括电刺激器、刺激针、刺激套管、导管、导引器、遥控器；引导器和遥控器收到运动控制指令后进行传输解码，发送进一步处理的指令到电刺激器，由电刺激器形成与神经刺激匹配的信号，通过数模转换组件，转换为实际刺激使用的模拟信号，并传输到刺激输出端，以激发躯体运动行为。
8.一种基于侵入式BCI的脊柱受损运动神经控制***，其特征在于，用于实现如权利要求1至7中任意一项所述的方法，包括：
侵入式BCI设备，用于采集受损脊柱的脊柱神经信号，发送到前端算法***；
前端算法***，用于解析脊柱神经信号，判别特定的运动控制模式信号，并将特定的运动控制模式信号转换为运动控制指令，发送给神经丛刺激设备；
神经丛刺激设备，用于将运动控制指令转化为特定的神经刺激信号，激发给相应的神经丛，使躯体肌肉按照相应指令产生运动。
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