[发明专利]下肢想象动作电位空间滤波方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种下肢想象动作电位滤波方法，属于生物医学工程及计算机领域。

背景技术

神经电生理技术的发展，为研究大脑认知活动过程提供了独特的方法和途径。其技术关键在于需从所检测的脑神经电活动数据中识别出大脑认知思维的意图，提取能反映其主观意识的特征参数。该领域的前驱Jonathan Wolpaw曾经指出：“在理论上，脑的感觉，运动及认知意识在自发脑电中应该是可辨识的”。所谓白发脑电(electroencephalography，EEG)即是由电极记录所得大脑皮层神经细胞群的自发电活动随时间和空间变化的序列波形。由于EEG信号非常微弱、自身也不稳定，极易受到眼电、肌电等其它电生理信号的干扰，心理状态和思维意识的波动都可以引起EEG信号的变化。所以要从EEG数据中获取大脑认知思维的特征参数遇到极大困难。经多年探索，人们将研究视线聚焦于与大脑运动皮层(motor cortex)神经活动密切相关的事件相关电位(event-related potentials，ERPs)。其概念于20世纪60年代由Sutton首先提出并通过叠加平均技术从头颅表面记录的大脑诱发电位(Evoked Potentials，EPs)得到。诱发电位(EPs)，也称诱发响应(Evoked Response)，是指给予神经系统(从感受器到大脑皮层)特定刺激，或使大脑对刺激信息进行加工，在该系统和脑皮层相应部位会产生与刺激有相对锁时关系和特定相位的生物电反应。临床上将诱发电位分为两大类：与感觉或运动功能有关的外源性刺激相关电位和与认知功能有关的内源性事件相关电位(ERPs)。ERPs是在注意的基础上，与识别、比较、判断、记忆、决断等心理活动有关，反映了认知过程的不同方面，是了解大脑认知功能活动的“窗口”。

研究表明：人在想象但未实施肢体或其他身体部位动作时，与该动作相关的大脑运动皮层区域也会发生与该动作实施时相似的电生理响应，如诱发电位(EP)或事件相关电位(ERPs)，又特称之为想象动作电位(motor imaginary potentials)。临床上已通过功能性磁共振成像(functional magnetic resonance image，fMRI)观察脑局部血液图的方法确认：想象和实施动作时所激发的大脑运动皮层区域相同。Jasper等人最早发现了想象动作电位现象，注意到受试者打算或想象其肢体运动时能够引起脑皮层运动中枢神经元群电活动状态变化，从而导致头皮脑电中某些特征频率成分的同步减弱或同步增强，此即所谓事件相关去同步(event-related desynchronization，ERD)和事件相关同步(event-relatedsynchronization，ERS)现象。其中，ERD对应于特征频段功率谱密度的下降，ERS则对应于特征频段功率谱密度的上升，而不同肢体部位动作引起ERD/ERS现象所发生的特征频段和皮层运动功能区域均不相同。Pfurtscheller和Aranibar也通过实验证实了上述现象，指出ERD/ERS现象主要集中在ERPs中α波段(8～13Hz)和β波段(14～26Hz)，并提出了相应的量化理论。

ERD/ERS现象的发现为观察大脑认知功能活动找到了具体的ERPs“窗口”。此后，针对上肢、手指、口舌等各类肢体动作所诱发想象动作电位的特征提取与模式识别研究及其应用相继开展起来，成为国内外神经工程领域关注的热点，如奥地利Graz大学成功地提取了受试者分别想象左、右手动作时的ERD/ERS信号特征并用来控制功能性电刺激(functional electrical stimulation，FES)装置以帮助瘫痪患者的肢体康复，取得了令人振奋的阶段性成果。上肢、手指部位想象动作电位的特征提取和模式识别甚至可精准到区分左、右手某个手指的程度！但与之相比，针对下肢部位想象动作电位(如站起、坐下、左右迈腿等)的信号特征却极难区分。其原因可由大脑皮层功能反射区与肢体运动部位关系找到。上肢左、右手(包括手指)、口舌部位对应的大脑皮层功能反射区分居在相隔空间距离较远的左、右脑半球区域，即其源信号的空间分布有较好的区分度优势；而下肢(包括大、小腿、脚趾)部位所映射的运动皮层功能区则仅局限于头顶部沟回内距离极为狭小的区域，其源信号空间结构的区分度十分有限。这是造成下肢部位想象动作电位信号特征提取与模式识别困难的最基本原因，加之头皮电极提取的ERPs信号存在很大弥散性和混叠性，更增加了思维脑电源信号获取和识别的难度。目前尚鲜见有关成功提取与识别下肢部位想象动作(如站起、坐下、左右迈腿等)电位特征的研究报道。