通信原理论文提纲

论文题目：基于通信原理与肌电信号控制的上肢运动功能重建系统设计与实验研究

摘要：瘫痪病人肢体运动功能的康复和重建是康复医学研究领域的重要组成部分。现有的瘫痪肢体运动功能重建方法主要包括生物医学和工程学两类。工程学方法中的神经肌肉电刺激（NMES）方法通过刺激电流作用于外周神经系统从而使得目标肌肉活化而产生动作。由于其使用方便、疗效显著而被广泛采用。然而现有的NMES系统普遍存在着控制方式缺乏灵活性,瘫痪病人的主动参与度低、刺激模式单一和容易引起肌肉疲劳等不足之处。本论文实现了一种基于通信原理、微电子技术与肌电信号控制的运动功能重建系统。该系统从健康肢体主动肌获取多通道体表肌电信号（sEMG）,通过动作模式识别算法完成探测通道到刺激通道的映射,转换为刺激信号后,在瘫痪肢体上与主动肌对应的运动点施加电刺激从而完成运动功能的康复或重建。该系统具有目标动作还原度高、患者可实时主动控制瘫痪肢体进行多种动作训练、电刺激疲劳程度低的显著优势。区别于传统肌电控制的NMES系统中通过对不同肌肉发力模式进行判定,从而输出不同预定模式刺激的方法,本文的方法在健康肢体和瘫痪肢体对应主动肌间建立了信息传递的”桥梁”,故我们称这种运动功能重建系统为”肌电桥”（Electromyographic Bridge, EMGB）。本论文的研究内容主要包括：1.根据体表肌电信号中可传播成分的幅度与信源肌纤维到肌电探测电极的距离成反比,而构成串扰的肌电信号不可传播成分的幅度具有距离不变性的重要特性,提出了采用阵列式单差分探测电极绘制肌电信号均方根值（RMS）热图来确定不同动作主动肌肌电信号探测位点的方法。2.采用中医骨度折量寸坐标原理,研究抓握、指伸、腕屈、腕伸四种上肢临床常用康复动作的最佳体表刺激位点分布。由于该方法具有个体间一致性,相比于针对个体的定位方法,更有利于临床的实际应用。3.研究了基于体表肌电信号动作模式识别的探测到刺激通道的映射算法,分析比较了时域、自回归参数、样本熵、双谱积分等sEMG特征及线性判别分析与人工神经网络两种分类器在采用传统探测电极定位方法和本文提出的RMS热图定位方法下的类别可分性、动作模式识别成功率、计算速度等指标。验证了采用RMS热图定位方法,使用时域特征和线性判别分析分类器可以达到分类成功率和计算复杂度的最优折中。4.进行了肌电桥刺激脉冲生成算法研究。首先采用连续小波奇异点分析方法,对课题组前期提出的基于肌电阈值和不应期的刺激信号生成算法的关键参数“不应期”进行了确定,并验证了采用获得的不应期可达到针对不同发力程度的线性刺激频率调控。然后,考虑到阈值不应期算法不能改变刺激强度,从而无法调节募集运动单元数量的局限性,提出了一种基于sEMG平均绝对值（MAV）和斜率变号次数（NSS）两种时域特征同时调控刺激脉宽与频率的刺激脉冲生成方法。实验结果表明,该方法可以较好地在受控肢体上实时重建出控制肢体的腕关节扭矩。同时,该方法相比于传统的肌电信号包络控制刺激强度的方法可显著减少刺激引发的肌肉疲劳。5.开发了肌电桥原型系统。首先针对系统核心电路进行了设计和改进,包括对课题组前期设计的肌电信号探测电路针对体表肌电信号的频率特性进行改进,并设计了通道隔离的多通道任意波形恒流刺激电路。然后基于核心电路和上述核心算法,设计研发了4种EMGB原型系统,分别为双通道EMGB系统、用于手指功能重建的EMGB系统、基于LabVIEW和DSP的多通道EMGB原型系统以及嵌入式多通道EMGB原型系统。并分别对上述系统进行了健康人体桥接实验和系统性能测试。测试结果表明,上述系统均能实现预定的运动功能重建目标。6.为了验证EMGB系统是否可以增强脑卒中偏瘫患者康复训练的自主参与和增强中枢神经可塑性从而达到长期的运动康复效果,我们对36名脑卒中急性、亚急性期（首次训练距脑卒中发生时间＜6个月）的偏瘫患者进行了单中心(东南大学附属中大医院康复科1的上肢运动功能康复临床随机对照实验。将患者随机分为EMGB实验组（n=18）和周期性NMES对照组（n=18）,在常规训练的基础上分别采用双通道EMGB系统和传统周期性NMES系统进行上下午各一次、每次时长20分钟、共20天的腕伸和指伸训练。实验结果表明,采用相同训练量,EMGB组患者的Fugl-Meyer上肢功能评分、运动状态量表（MSS）评分、主动肌表面自主肌电信号归一化均方根值,以及最大自主关节活动度均显著高于传统周期性NMES组患者,从而证明了EMGB进行双侧自主训练的优越性。

关键词：肌电桥;肌电信号分析;神经肌肉电刺激;神经假体;运动功能康复

学科专业：生物医学工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 瘫痪肢体运动功能重建的研究背景

1.1.1 肢体瘫痪的原因

1.1.2 肢体瘫痪的治疗方法

1.2 神经肌肉电刺激的生物学基础

1.2.1 骨骼肌

1.2.2 NMES激活神经肌肉的基本原理

1.2.3 刺激参数对神经肌肉活化的影响

1.3 上肢神经肌肉电刺激系统的研究现状

1.3.1 体外NMES系统

1.3.2 植入式NMES系统

1.4 “微电子神经桥”工作原理及研究情况

1.5 本论文的研究内容与创新点

1.6 本论文的章节结构

参考文献

第2章 基于通信原理与肌电信号控制的上肢运动功能重建系统设计

2.1 “肌电桥”的基本原理

2.2 “肌电桥”的核心技术问题分析

2.3 “肌电桥”的系统架构

2.4 本章小结

参考文献

第3章 肌电信号探测及刺激位点选择方法

3.1 表面肌电信号的产生及探测方法

3.1.1 肌电信号串扰(Crosstalk)对sEMG探测的影响

3.1.2 探测系统对sEMG信号探测的影响

3.2 基于sEMG均方根值图分析的探测位点选择方法

3.2.1 sEMG RMS图分析实验方法

3.2.2 RMS图实验结果分析

3.3 体表电刺激相关问题分析

3.3.1 皮肤电极接口特性对TES效果的影响

3.3.2 电极配置方法、刺激位点对TES效果的影响

3.4 基于经穴部位国家标准的刺激位点定位方法

3.4.1 四指屈和五指伸最佳刺激位点定位方法

3.4.2 四指屈最佳刺激位点定位实验结果分析

3.4.3 五指伸最佳刺激位点定位实验结果分析

3.5 本章小结

参考文献

第4章 基于体表肌电信号动作模式识别的探测到刺激的通道映射算法

4.1 基于多通道体表肌电信号的动作模式识别算法流程

4.2 四通道肌电信号采集方法

4.3 肌电信号特征提取方法

4.3.1 时域特征(Time Domain Feature,TD)

4.3.2 自回归模型参数特征

4.3.3 样本熵特征

4.3.4 基于双谱分析的高阶谱估计特征

4.4 基于线性判别分析的特征约简方法

4.5 动作模式分类器的选择

4.6 动作模式识别实验结果分析

4.7 本章小结

参考文献

第5章 基于肌电时域特征的刺激信号生成算法

5.1 现有基于EMG的刺激信号生成算法

5.2 腕关节扭矩测量系统设计

5.3 阈值不应期刺激脉冲生成算法

5.3.1 阈值不应期算法流程及阈值选择方法

5.3.2 基于连续小波变换奇异点检测的肌电信号解码不应期分析

5.3.3 阈值不应期刺激脉冲生成算法性能测试

5.4 基于sEMG时域特征的脉宽、频率双重调控算法

5.4.1 MNDC(MAV/NSS dual-coding)算法模型构建

5.4.2 对照算法

5.4.3 力矩重建性能测试实验

5.4.4 疲劳性能测试实验

5.4.5 统计学方法

5.4.6 实验结果及讨论

5.5 本章小结

参考文献

第6章 肌电桥原型系统设计

6.1 双通道肌电桥原型系统

6.1.1 系统整体介绍

6.1.2 sEMG探测电路改进

6.1.3 隔离刺激输出电路

6.1.4 双通道刺激脉冲生成算法简介

6.2 用于手指功能重建的肌电桥原型系统

6.2.1 手指屈曲功能重建的肌电桥原型系统设计

6.2.2 手指独立屈曲刺激位点初探

6.3 基于LabVIEW和DSP的多通道肌电桥原型系统

6.3.1 系统整体介绍

6.3.2 sEMG动作模式识别系统

6.3.3 DSP刺激脉冲生成系统

6.3.4 系统测试实验

6.4 嵌入式多通道肌电桥原型系统

6.4.1 系统功能简介

6.4.2 主控模块硬件系统设计

6.4.3 主控模块软件系统设计

6.4.4 系统测试实验

6.5 本章小结

参考文献

第7章 基于双通道肌电桥的卒中急性和亚急性期偏瘫上肢功能康复的随机对照实验

7.1 脑卒中上肢功能康复随机对照实验方法

7.1.1 受试者筛选

7.1.2 实验设计和治疗方法

7.1.3 康复效果评定方法

7.1.4 数据分析方法

7.2 随机对照实验结果

7.3 临床实验总结与讨论

7.4 本章小结

参考文献

第8章 总结与展望

获奖情况

致谢