下肢功能性电刺激诱发多模态生理信息解析与响应机制研究

摘要

功能性电刺激（Functional electrical stimulation,FES）是利用预先设定强度和时序的低频脉冲电流来刺激一组或多组肌肉以诱发其产生模拟正常自主肢体的协调动作，达到改善或恢复该组肌群运动功能目的。当前FES技术已公认为脊髓损伤（Spinal cord injury,SCI）和中风病人运动功能康复的有效工具，其临床应用主要是功能重建为主的中风康复和功能替代为主的脊髓损伤康复。但从研究与应用现状来看，FES作用下人体功能状态响应检测仅以运动学参数分析为主，少有相关生理信息解析与响应机制研究，检测手段和评价指标也很有限，长久以来制约着FES调控技术的发展和应用。
　　本文针对FES康复临床应用现实中生理信息缺失与调控技术瓶颈，以下肢运动功能康复为例开展了相关基础研究：
　　1）针对中风患者在FES康复训练中缺乏神经可塑性量化评价手段，分别对比了主动运动、被动运动和刺激诱发运动，以及不同刺激等级诱发下的运动，寻求有效的评价参数，且探究了FES诱发运动引起的皮质层激活差异。
　　2）针对肌电信号常混杂FES刺激伪迹的生理信息解析难点，设计了一种新型滤波算法以有效改进肌电信息的提取，对比了刺激肢体在FES主动和从动助行中的肌电特征参数表现。
　　3）针对检测手段不足，尝试通过超声影像信号检测FES作用下肌肉形态学变化，为相关生理信息解析提供了新方法。
　　4）针对FES刺激易引起过早肌疲劳的临床应用局限，分析比较了SCI患者和健康人在不同刺激频率与模式条件下的疲劳效应以优选FES参数（频率和模式）。
　　研究结果表明：
　　1）证实FES刺激诱发健康人和中风患者肢体运动皆能引起大脑中央区事件相关去同步（Event-related desynchronization,ERD）现象，首次利用量化分析方法确认FES刺激肢体运动所产生脑电模式比被动强制肢体运动更接近于主动肢体运动的诱发效果且通过量化其ERD模式可以有效评估FES诱发运动的大脑响应；并经不同FES强度刺激下肢运动所诱发脑电源定位成像分析发现即使无关节运动，当FES电流强度达到特定值即能激活相应大脑运动功能区，这为探索大脑响应机制开拓了新思路，也为FES康复训练提供了理论依据。
　　2）提出基于遗传算法的自适应匹配滤波方案并首次用于FES刺激诱发下肢股四头肌运动的肌电信息提取及邻近肌电干扰滤波处理，能够有效去除FES刺激伪迹、提取高质量有用肌电信号，可为FES康复系统提供有效的肌电响应监测手段和关键肌电反馈控制 FES技术支持。
　　3）首次通过超声图像提取了FES刺激下肌肉厚度和纹理特征并用于刺激诱发运动的肌肉状态监测中，采用统计方法对比分析了刺激诱发运动与自主运动的肌肉结构学差异，验证了利用超声影像参数评估FES作用肌肉生理状态的可行性。
　　4）首次发现FES刺激脉冲采用倍频序列（Double-frequency trains,DFT）模式可比传统恒频序列（Constant-frequency trains,CFT）模式更好地避免SCI患者过早出现肌疲劳，低频脉冲刺激也优于高频，并观察到健康人对不同FES刺激模式的疲劳响应规律与SCI患者相反，这些结果可用于指导优选FES康复训练参数。
　　总之，本文从脑电、肌电和运动力学与超声影像信号等多角度探讨了下肢功能性电刺激诱发的多种模式生理状态信息解析及其响应机制，为FES系统提供了新的检测手段与康复评价参数和模式参数优化策略。今后拟进一步开展FES作用下多模态生理信息检测与解析，更深入地揭示其响应机制，为提高FES临床康复疗效、研究开发新型FES系统提供更好的基础理论与关键技术支持。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究思路

1.3 主要研究内容和文章安排

第2章 功能性电刺激诱发下肢运动的脑电响应的处理和分析

2.1 实验设计与材料方法

2.2 数据处理

2.3 结果

2.4 讨论

第3章 功能性电刺激诱发下膝关节角度运动的肌电信息滤波处理技术研究

3.1 实验流程与数据采集

3.2 数据处理

3.3 结果

3.4 讨论

第4章 功能性电刺激诱发下肌肉超声图像的处理和分析

4.1 实验流程与数据采集

4.2 数据处理

4.3 结果

4.4 讨论

第5章 基于力学信号对刺激参数疲劳效应的比较研究

5.1 基于功能性电刺激的皮划艇运动针对脊髓损伤病人的有氧训练简介

5.2 实验流程与数据采集

5.3 结果

5.4 讨论

第6章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢