專利名稱：基于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的經(jīng)顱磁刺激自動(dòng)調(diào)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于康復(fù)器械、神經(jīng)研究領(lǐng)域，具體是涉及基于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的經(jīng)顱磁刺激自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
TMS是一種非侵入性無(wú)痛性的神經(jīng)系統(tǒng)檢測(cè)和治療技術(shù)，是Barker等于1985年首先創(chuàng)立的一種皮層刺激方法，具有無(wú)痛、無(wú)損傷、操作簡(jiǎn)便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，并且很快得到臨床應(yīng)用。Barker研究小組于1985年成立了英國(guó)Magstim公司生產(chǎn)出世界首臺(tái)經(jīng)顱磁刺激器。國(guó)內(nèi)外TMS相關(guān)的研究領(lǐng)域主要有TMS與情緒、疲勞、麻醉藥物、認(rèn)知研究、軀體感覺(jué)皮層、毒品等，TMS還可以與神經(jīng)病學(xué)、精神病學(xué)和藥理學(xué)研究相結(jié)合。TMS應(yīng)用的治療領(lǐng)域主要是神經(jīng)科、精神科和康復(fù)理療科等，在脊髓損傷、帕金森病(PD)、癲癇、缺血性卒中、 精神分裂癥(陰性癥狀)、抑郁癥、強(qiáng)迫癥、躁狂癥、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD)、顱外上后康復(fù)、 卒中后康復(fù)、外周神經(jīng)康復(fù)等也有不錯(cuò)的效果，是無(wú)創(chuàng)傷治療和康復(fù)領(lǐng)域的少有的設(shè)備。與電刺激相比，磁刺激有無(wú)痛，刺激線圈不必接觸皮膚，穿過(guò)顱骨時(shí)刺激強(qiáng)度不衰減，安全有效且易于操作等明顯優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和臨床工作。大腦皮層控制軀體運(yùn)動(dòng)的部位稱為皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)，主要位于中央前回。運(yùn)動(dòng)區(qū)也有一些與大腦皮層體表感覺(jué)區(qū)相似的特點(diǎn)①對(duì)軀體運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)支配具有交叉的性質(zhì)，即一側(cè)皮層主要支配對(duì)側(cè)軀體的肌肉。但這種交叉性質(zhì)不是絕對(duì)的，例如頭面部肌肉的支配多數(shù)是雙側(cè)性的。②具有精細(xì)的功能定位，即一定部位皮層的刺激引起一定肌肉的收縮。功能代表區(qū)的大小與運(yùn)動(dòng)的精細(xì)復(fù)雜程度有關(guān)；運(yùn)動(dòng)越為精細(xì)而復(fù)雜的肌肉，其代表區(qū)也愈大。③從運(yùn)動(dòng)區(qū)的上下分布來(lái)看，其定位安排呈身體的倒影；下肢代表區(qū)在頂部(膝關(guān)節(jié)以下肌肉代表區(qū)在皮層內(nèi)側(cè)面)，上肢代表區(qū)在中間部，頭而部肌肉代表區(qū)在底部(頭面部代表區(qū)內(nèi)部的安排仍為正立而不倒置)。從運(yùn)動(dòng)區(qū)的前后分布來(lái)看，軀干和肢體近端肌肉的代表區(qū)在前部，肢體遠(yuǎn)端肌肉的代表區(qū)在后部，手指、足趾、唇和舌的肌肉代表區(qū)在中央溝前緣。根據(jù)皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)的這幾個(gè)特點(diǎn)，可以根據(jù)使用者所要執(zhí)行的目標(biāo)動(dòng)作，用TMS設(shè)備刺激大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)的相關(guān)位置。TMS運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位技術(shù)是一項(xiàng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)通路功能的神經(jīng)電生理技術(shù)，它的基本原理是TMS效應(yīng)刺激皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)產(chǎn)生的興奮通過(guò)下行傳導(dǎo)徑路，使脊髓前角細(xì)胞或周圍神經(jīng)運(yùn)動(dòng)纖維去極化，在相應(yīng)肌肉或神經(jīng)表面記錄到MEP，還可以在靶肌群上記錄到復(fù)合型肌動(dòng)作電位(Compound Muscle Action Potential，CMAP)。MEP的潛伏期、幅度、均方根值、 積分肌電值都可以用來(lái)檢查TMS對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層造成的興奮性效應(yīng)。人體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)是環(huán)節(jié)圍繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此對(duì)人體關(guān)節(jié)角的概念和計(jì)算方法進(jìn)行定義與規(guī)范是準(zhǔn)確描述人體運(yùn)動(dòng)的保證。解剖學(xué)對(duì)人體關(guān)節(jié)角度的定義是基于環(huán)節(jié)繞不同基本軸(矢狀軸、額狀軸、垂直軸)在不同基本切面(矢狀面、額狀面、水平面)上的位置所確定的。關(guān)節(jié)角度可以作為運(yùn)動(dòng)狀況的表征。由于各使用者所需的刺激強(qiáng)度和關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系不同，所以需要為每位使用者建立連續(xù)控制模型。應(yīng)用時(shí)，向系統(tǒng)輸入一組多維關(guān)節(jié)角度序列，利用控制器實(shí)時(shí)反饋控制調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度，對(duì)使用者進(jìn)行刺激。目前未見(jiàn)上述技術(shù)的成熟技術(shù)方案報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供基于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的經(jīng)顱磁刺激自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地鑒別其運(yùn)動(dòng)軌跡訴求，利用控制器實(shí)時(shí)反饋控制調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度，在對(duì)使用者進(jìn)行TMS刺激時(shí)，能夠取得良好的刺激效果，為達(dá)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，以關(guān)節(jié)角度為表征的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，自動(dòng)控制TMS的輸出強(qiáng)度的方法，即基于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的經(jīng)顱磁刺激自動(dòng)調(diào)控方法，包括下列步驟初始化，預(yù)建立控制模型；以關(guān)節(jié)角度表征運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，引入閉環(huán)反饋系統(tǒng)，利用關(guān)節(jié)角度作為反饋信號(hào)，對(duì)最優(yōu)小區(qū)進(jìn)行刺激，依控制模型實(shí)時(shí)控制TMS刺激強(qiáng)度。初始化，預(yù)建立控制模型具體包括以下步驟(1)根據(jù)使用者所要執(zhí)行的目標(biāo)動(dòng)作，找到對(duì)應(yīng)的大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)映射位置；(2) TMS刺激相應(yīng)區(qū)域；(3)通過(guò)基于MEP的自動(dòng)定位技術(shù)，確定最佳刺激點(diǎn)；(4)在最佳刺激點(diǎn)，施加不同的刺激強(qiáng)度；(5)根據(jù)刺激強(qiáng)度和關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系，建立連續(xù)控制模型。依控制模型實(shí)時(shí)控制TMS刺激強(qiáng)度具體包括以下步驟(1)根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡，輸入一組用于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的多維關(guān)節(jié)角度序列；(2)控制TMS刺激大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)響應(yīng)位置；(3)通過(guò)量角器探測(cè)器探測(cè)關(guān)節(jié)角度；(4)經(jīng)由角度傳感器反饋回關(guān)節(jié)角度信號(hào)；(5)根據(jù)關(guān)節(jié)角度，利用反饋控制實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度。MEP的自動(dòng)定位技術(shù)具體為TMS刺激目標(biāo)大區(qū)域精準(zhǔn)劃分的小區(qū)間產(chǎn)生的MEP信號(hào)作為特征信號(hào)，由于MEP的幅值與興奮性效應(yīng)成正比且方便測(cè)量，所以選用MEP幅度信息作為特征值進(jìn)行反饋，在多次循環(huán)后，根據(jù)特征值自動(dòng)選取目標(biāo)大區(qū)域間定位最優(yōu)小區(qū)。本發(fā)明具有以下技術(shù)效果本發(fā)明首先定位到最佳刺激點(diǎn)，再根據(jù)刺激強(qiáng)度和關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系，建立連續(xù)控制模型。應(yīng)用時(shí)，向系統(tǒng)輸入一組多維關(guān)節(jié)角度序列，利用控制器實(shí)時(shí)反饋控制調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度，不斷調(diào)整刺激強(qiáng)度，因而能獲得理想的刺激效果。本發(fā)明以關(guān)節(jié)角度為表征的經(jīng)顱磁刺激自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地鑒別其運(yùn)動(dòng)軌跡訴求，利用控制器實(shí)時(shí)反饋控制調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度；本發(fā)明可為TMS的有效使用指導(dǎo)提供幫助，可在康復(fù)、學(xué)術(shù)研究等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。


圖1經(jīng)顱磁刺激裝置。圖2大腦皮層軀體運(yùn)動(dòng)代表區(qū)功能示意圖。圖3為TMS自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)框圖根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡。圖4TMS自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)反饋控制結(jié)構(gòu)框圖。
圖5為TMS自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)中的連續(xù)控制模型結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用以關(guān)節(jié)角度為表征的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，自動(dòng)控制TMS的輸出強(qiáng)度。根據(jù)使用者所要執(zhí)行的目標(biāo)動(dòng)作，用TMS設(shè)備刺激大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)的相關(guān)位置。通過(guò)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位確定最佳刺激點(diǎn)。在該點(diǎn)處，根據(jù)刺激強(qiáng)度和關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系，建立連續(xù)控制模型。應(yīng)用時(shí)，向系統(tǒng)輸入一組多維關(guān)節(jié)角度序列，利用控制器實(shí)時(shí)反饋控制調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度，對(duì)使用者進(jìn)行刺激。本發(fā)明作為一種全新的TMS自動(dòng)控制系統(tǒng)，可在康復(fù)、學(xué)術(shù)研究等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。進(jìn)一步研究可以得到完善的經(jīng)顱磁刺激自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，有望獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，以關(guān)節(jié)角度為表征的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，自動(dòng)控制TMS的輸出強(qiáng)度的方法，包括下列步驟一、系統(tǒng)初始化，預(yù)建立控制模型1.根據(jù)使用者所要執(zhí)行的目標(biāo)動(dòng)作，找到對(duì)應(yīng)的大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)映射位置。2.用TMS設(shè)備刺激相應(yīng)區(qū)域。3.通過(guò)本設(shè)計(jì)提出的一種全新的基于MEP的自動(dòng)定位技術(shù)，確定最佳刺激點(diǎn)。4.在該點(diǎn)處，施加不同的刺激強(qiáng)度。5.根據(jù)刺激強(qiáng)度和關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系，建立連續(xù)控制模型。二、應(yīng)用過(guò)程中，TMS自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟1.根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡，向控制系統(tǒng)輸入一組用于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的多維關(guān)節(jié)角度序列。2.控制TMS刺激大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)響應(yīng)位置。3.通過(guò)量角器探測(cè)器探測(cè)關(guān)節(jié)角度。4.經(jīng)由角度傳感器反饋于控制系統(tǒng)。5.根據(jù)關(guān)節(jié)角度，利用反饋控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度。圖3為TMS自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)框圖根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡，向控制系統(tǒng)輸入一組多維關(guān)節(jié)角度序列，控制TMS刺激大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)響應(yīng)位置，通過(guò)量角器探測(cè)器探測(cè)關(guān)節(jié)角度，經(jīng)由角度傳感器反饋于控制系統(tǒng)。根據(jù)關(guān)節(jié)角度，利用反饋控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性和可靠性。1. ITMS自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)控制器圖4為TMS自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)反饋控制結(jié)構(gòu)框圖。人體肌肉具有非線性，易變性，環(huán)境比較復(fù)雜等特點(diǎn)，致使控制比較困難。本發(fā)明從人體運(yùn)動(dòng)學(xué)信息出發(fā)，以關(guān)節(jié)角度表征運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，引入閉環(huán)反饋系統(tǒng)。利用關(guān)節(jié)角度作為反饋信號(hào)，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制TMS刺激強(qiáng)度，以期獲得理想的刺激效果?？刂葡到y(tǒng)中很重要的一部分時(shí)控制器。許多控制策略將被提出，主要可分為一下幾類開(kāi)環(huán)控制，閉環(huán)控制，混合控制，規(guī)則庫(kù)控制，離散映射，數(shù)學(xué)模型，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，PID控制器以及模糊控制等，這些控制器既有固定參數(shù)的，也有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的。圖5為TMS自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)中的連續(xù)控制模型結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)使用者所要執(zhí)行的目標(biāo)動(dòng)作，找到對(duì)應(yīng)的大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)映射位置。用TMS設(shè)備刺激相應(yīng)區(qū)域。通過(guò)TMS已知的兩種定位技術(shù)以及本設(shè)計(jì)提出的一種全新的基于MEP的自動(dòng)定位技術(shù)，確定最佳刺激點(diǎn)。在該點(diǎn)處，調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度。根據(jù)刺激強(qiáng)度和關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系，建立連續(xù)控制模型。1. 2基于MEP的TMS自動(dòng)定位技術(shù)在TMS技術(shù)中，直接決定刺激準(zhǔn)確度的很重要的一個(gè)步驟是如何確定所要刺激的部位。確定需要刺激神經(jīng)系統(tǒng)的哪個(gè)大區(qū)域，只是第一步。更重要的是要在實(shí)際操作中如何精確的定位所要刺激的小區(qū)間。目前TMS定位主要有兩種第一種是利用EEG10-20系統(tǒng)位點(diǎn)定位。使用方法讓被試帶上EEG10-20模的沒(méi)有電極的帽子，找到相應(yīng)的位置。第二種利用核磁共振圖像結(jié)合無(wú)框架紅外定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位。但兩種定位方法都需要手動(dòng)定位，不能自動(dòng)最優(yōu)地實(shí)現(xiàn)小區(qū)間的定位。本設(shè)計(jì)提出的一種全新的基于MEP的自動(dòng)定位技術(shù)，選用了 TMS控制機(jī)械臂刺激目標(biāo)大區(qū)域精準(zhǔn)劃分的小區(qū)間產(chǎn)生的MEP信號(hào)作為特征信號(hào)。由于MEP的幅值與興奮性效應(yīng)成正比且方便測(cè)量，所以選用MEP幅度信息作為特征值，反饋于控制系統(tǒng)操縱機(jī)械臂，在多次循環(huán)后，根據(jù)特征值自動(dòng)選取目標(biāo)大區(qū)域間定位最優(yōu)小區(qū)。相比于普通手動(dòng)定位，本系統(tǒng)可達(dá)到最優(yōu)小區(qū)的選擇，且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤找尋，便于重復(fù)定位。本發(fā)明可應(yīng)用于康復(fù)器械的設(shè)計(jì)制造，在創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，具有很好的社會(huì)效益。
權(quán)利要求
1.一種基于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的經(jīng)顱磁刺激自動(dòng)調(diào)控方法，其特征是，包括下列步驟初始化，預(yù)建立控制模型；以關(guān)節(jié)角度表征運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，引入閉環(huán)反饋系統(tǒng)，利用關(guān)節(jié)角度作為反饋信號(hào)，對(duì)最優(yōu)小區(qū)進(jìn)行刺激，依控制模型實(shí)時(shí)控制TMS刺激強(qiáng)度。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其特征是，初始化，預(yù)建立控制模型具體包括以下步驟(1)根據(jù)使用者所要執(zhí)行的目標(biāo)動(dòng)作，找到對(duì)應(yīng)的大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)映射位置；(2)TMS刺激相應(yīng)區(qū)域；(3)通過(guò)基于MEP的自動(dòng)定位技術(shù)，確定最佳刺激點(diǎn)；(4)在最佳刺激點(diǎn)，施加不同的刺激強(qiáng)度；(5)根據(jù)刺激強(qiáng)度和關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系，建立連續(xù)控制模型。
3.如權(quán)利要求1所述方法，其特征是，依控制模型實(shí)時(shí)控制TMS刺激強(qiáng)度具體包括以下步驟(1)根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡，輸入一組用于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的多維關(guān)節(jié)角度序列；(2)控制TMS刺激大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)響應(yīng)位置；(3)通過(guò)量角器探測(cè)器探測(cè)關(guān)節(jié)角度；(4)經(jīng)由角度傳感器反饋回關(guān)節(jié)角度信號(hào)；(5)根據(jù)關(guān)節(jié)角度，利用反饋控制實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度。
4.如權(quán)利要求1所述方法，其特征是，MEP的自動(dòng)定位技術(shù)具體為TMS刺激目標(biāo)大區(qū)域精準(zhǔn)劃分的小區(qū)間產(chǎn)生的MEP信號(hào)作為特征信號(hào)，由于MEP的幅值與興奮性效應(yīng)成正比且方便測(cè)量，所以選用MEP幅度信息作為特征值進(jìn)行反饋，在多次循環(huán)后，根據(jù)特征值自動(dòng)選取目標(biāo)大區(qū)域間定位最優(yōu)小區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明涉及康復(fù)器械、神經(jīng)研究領(lǐng)域。為提供能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地鑒別其運(yùn)動(dòng)軌跡訴求，利用控制器實(shí)時(shí)反饋控制調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度，在對(duì)使用者進(jìn)行TMS刺激時(shí)，能夠取得良好的刺激效果，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，以關(guān)節(jié)角度為表征的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，自動(dòng)控制TMS的輸出強(qiáng)度的方法，即基于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的經(jīng)顱磁刺激自動(dòng)調(diào)控方法，包括下列步驟初始化，預(yù)建立控制模型；以關(guān)節(jié)角度表征運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，引入閉環(huán)反饋系統(tǒng)，利用關(guān)節(jié)角度作為反饋信號(hào)，對(duì)最優(yōu)小區(qū)進(jìn)行刺激，依控制模型實(shí)時(shí)控制TMS刺激強(qiáng)度。本發(fā)明主要應(yīng)用于康復(fù)器械設(shè)計(jì)制造。
文檔編號(hào)A61N2/04GK102302823SQ20111013435
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
發(fā)明者萬(wàn)柏坤, 席友緣, 張力新, 明東, 綦宏志, 馬嵐 申請(qǐng)人:天津大學(xué)