神经康复工程专题
编者按
神经康复工程 (Neurorehabilitation Engineering) 利用神经科学与工程、生物医学工程、智能控制工程及神经信号处理与分析等学科的最新理论和方法,探讨神经系统损伤或丧失后神经功能恢复和重建的基础科学问题,进而研发先进的神经功能康复技术与系统,恢复或改善神经功能障碍患者及神经功能缺失患者的机体,提高他们的生活和工作质量。目前，神经康复工程是国际神经科学、生物医学工程以及康复工程领域的学术研究热点之一。本专题收录的文章从运动神经功能重建、神经信息解码及多功能肌电假肢控制等方面报道了近期研究进展；从基于神经机器接口技术的运动功能康复机器人、患者与康复环境的互动、基于功能电刺激的运动功能康复技术及吞咽功能肌电信息评估等方面报道了相关研究进展与成果；报道了听力功能检测和语音发音等方面的研究进展和成果。
本期客座编辑
李光林 研究员
中国科学院人机智能协同系统重点实验室主任，粤港澳人机智能协同系统联合实验室主任，中国科学院深圳先进技术研究院二级研究员
主要研究方向为神经康复工程、医疗器械及智能康复机器人、人机智能增强与交互等。
文章列表
2013, 2(4):3-7.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307001
摘要:
目标肌肉神经分布重建技术(Targeted Muscle Reinnervation，TMR)通过对假肢的实时直觉控制提高截肢者的运动 功能。然而对于 TMR 技术是否能减轻幻肢痛、移植神经在肌肉内如何分布等问题，目前知之甚少。本文旨在探讨 TMR 手术对大鼠幻肢痛的影响和术后目标肌肉内神经的再分布情况。我们利用坐骨神经横断组(SNT)作为大鼠的疼痛模型， 将神经近端移植到目标肌肉中作为 TMR 模型，并通过大鼠行为学来评价疼痛程度。实验发现，对照组大鼠不出现自残行 为，而 SNT 组和 TMR 组从手术后第二天开始出现自残行为并逐渐加重，但 TMR 组的自残情况明显轻于 SNT 组。利用 Sihler’s 肌内神经染色法可以在目标肌肉内观察到移植神经末端再生的细小分支。实验结果初步证明 TMR 技术对幻肢痛 有一定的缓解作用，并且术后的神经可以在目标肌肉内重新分支分布。
目标肌肉神经分布重建技术(Targeted Muscle Reinnervation，TMR)通过对假肢的实时直觉控制提高截肢者的运动 功能。然而对于 TMR 技术是否能减轻幻肢痛、移植神经在肌肉内如何分布等问题，目前知之甚少。本文旨在探讨 TMR 手术对大鼠幻肢痛的影响和术后目标肌肉内神经的再分布情况。我们利用坐骨神经横断组(SNT)作为大鼠的疼痛模型， 将神经近端移植到目标肌肉中作为 TMR 模型，并通过大鼠行为学来评价疼痛程度。实验发现，对照组大鼠不出现自残行 为，而 SNT 组和 TMR 组从手术后第二天开始出现自残行为并逐渐加重，但 TMR 组的自残情况明显轻于 SNT 组。利用 Sihler’s 肌内神经染色法可以在目标肌肉内观察到移植神经末端再生的细小分支。实验结果初步证明 TMR 技术对幻肢痛 有一定的缓解作用，并且术后的神经可以在目标肌肉内重新分支分布。
2013, 2(4):8-13.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307002
摘要:
本文构建了一种用于非人灵长类动物的上肢运动信号采集系统。该系统包括上肢行为训练单元和肌电信号采集单 元。通过对上肢行为训练单元的设计、加工制作并与肌电信号采集单元相结合，构建可操作性较强的非人灵长类动物上 肢运动信号采集系统。该系统采用取食和饮水这两种日常行为动作来激励动物的上肢运动，为动物行为训练与运动信号 采集提供了方便，并通过实验初步验证了该系统的有效性。与其他类似系统相比较，该系统在动物上肢肌电信号采集方 面实用性更强，且适用于不同体积大小的非人灵长类动物。
本文构建了一种用于非人灵长类动物的上肢运动信号采集系统。该系统包括上肢行为训练单元和肌电信号采集单 元。通过对上肢行为训练单元的设计、加工制作并与肌电信号采集单元相结合，构建可操作性较强的非人灵长类动物上 肢运动信号采集系统。该系统采用取食和饮水这两种日常行为动作来激励动物的上肢运动，为动物行为训练与运动信号 采集提供了方便，并通过实验初步验证了该系统的有效性。与其他类似系统相比较，该系统在动物上肢肌电信号采集方 面实用性更强，且适用于不同体积大小的非人灵长类动物。
2013, 2(4):14-19.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307003
摘要:
目前的商业化肌电假肢存在使用困难、训练过程长、控制不自然等问题。本文设计并实现了一种肌电假肢控制系 统，该系统包括基于微处理器的肌电假肢控制器与基于计算机的多功能假肢临床训练软件，并使用模式识别分类算法判 断动作类型。假肢控制器可佩带在使用者身上，有望实现多自由度肌电假肢的灵活控制。
目前的商业化肌电假肢存在使用困难、训练过程长、控制不自然等问题。本文设计并实现了一种肌电假肢控制系 统，该系统包括基于微处理器的肌电假肢控制器与基于计算机的多功能假肢临床训练软件，并使用模式识别分类算法判 断动作类型。假肢控制器可佩带在使用者身上，有望实现多自由度肌电假肢的灵活控制。
2013, 2(4):20-26.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307004
摘要:
体表肌电信号会随着外部或人体内部环境变化而发生改变，这种时变特征使得固定参数肌电模式分类器的分类精 度会随着时间的延长而下降。为了获得具有稳定性能的肌电假肢控制系统，在肌电模式分类器中加入自适应机制是很有 必要的。本文以传统线性判别分析(Linear Discriminant Analysis，LDA)为基础，尝试在肌电模式分类器中引入三种自适应 方案，并探讨了这三种方案在肌电模式分类应用中的优缺点。初步研究表明：自增强线性判别分析(Self-enhancing LDA， SELDA)分类器和循环训练集线性判别(Cycle Substitution LDA，CSLDA)分类器都能够将识别准确率提升 5% 左右。其 中，SELDA 是一种有效的自适应方案，而 CSLDA 可以得到更高的识别率提升和更好的稳定性，但是计算量较大，需要 更大的代价。卡尔曼自适应线性判别(Kalman Adaptive LDA，KALDA)分类器单独使用效果不明显，需要进一步改进或结 合其他方法使用。
体表肌电信号会随着外部或人体内部环境变化而发生改变，这种时变特征使得固定参数肌电模式分类器的分类精 度会随着时间的延长而下降。为了获得具有稳定性能的肌电假肢控制系统，在肌电模式分类器中加入自适应机制是很有 必要的。本文以传统线性判别分析(Linear Discriminant Analysis，LDA)为基础，尝试在肌电模式分类器中引入三种自适应 方案，并探讨了这三种方案在肌电模式分类应用中的优缺点。初步研究表明：自增强线性判别分析(Self-enhancing LDA， SELDA)分类器和循环训练集线性判别(Cycle Substitution LDA，CSLDA)分类器都能够将识别准确率提升 5% 左右。其 中，SELDA 是一种有效的自适应方案，而 CSLDA 可以得到更高的识别率提升和更好的稳定性，但是计算量较大，需要 更大的代价。卡尔曼自适应线性判别(Kalman Adaptive LDA，KALDA)分类器单独使用效果不明显，需要进一步改进或结 合其他方法使用。
2013, 2(4):27-31.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307005
摘要:
近年来，康复机器人辅助中风病人的康复治疗吸引了越来越多的关注。相对于传统的由康复师进行的中风治疗， 康复机器人进行的治疗更为精确，且不受康复师主观因素的影响，能够显著提高康复治疗的效果。本文介绍了一个拥有 5 自由度上肢与 4 自由度下肢的可穿戴便携式康复外骨骼机器人。机器人的所有自由度都由患者的肌电信号驱动，帮助患 者进行失能肢体的康复训练。该机器人可穿戴和便携的特性为患者行走功能的康复提供了新的手段。康复过程中，患者 的所有康复运动数据(包括患者的表面肌电信号数据和每个关节的运动数据)都可以被采集，便于在线分析和离线记录。
近年来，康复机器人辅助中风病人的康复治疗吸引了越来越多的关注。相对于传统的由康复师进行的中风治疗， 康复机器人进行的治疗更为精确，且不受康复师主观因素的影响，能够显著提高康复治疗的效果。本文介绍了一个拥有 5 自由度上肢与 4 自由度下肢的可穿戴便携式康复外骨骼机器人。机器人的所有自由度都由患者的肌电信号驱动，帮助患 者进行失能肢体的康复训练。该机器人可穿戴和便携的特性为患者行走功能的康复提供了新的手段。康复过程中，患者 的所有康复运动数据(包括患者的表面肌电信号数据和每个关节的运动数据)都可以被采集，便于在线分析和离线记录。
2013, 2(4):32-38.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307006
摘要:
将虚拟现实技术应用到康复医学领域，可有效克服传统康复训练方法的局限性，实现安全、舒适和主动的康复训 练。本文设计并实现了一套虚拟现实手部康复训练系统，系统由交互设备、人机交互软件和虚拟环境三部分组成。交互 设备采用 5DT 公司生产的 5DT Data Glove 14 Ultra 数据手套，而人机交互软件运用 Visual Studio 2012 作为开发工具，基于 MFC 编写，实现了用户管理、数据采集、手势信号分类、实时手势识别测试等功能。构建的虚拟场景使用 Flash 游戏， 通过 MFC 和 Flash 游戏之间通讯使用者能使用手势信号实现游戏操控。本文的实验结果表明：虚拟现实手部康复训练系 统能够指导使用者进行有效的手部康复训练，Flash 康复训练游戏能有效提高使用者进行康复训练的积极性和主动性。
将虚拟现实技术应用到康复医学领域，可有效克服传统康复训练方法的局限性，实现安全、舒适和主动的康复训 练。本文设计并实现了一套虚拟现实手部康复训练系统，系统由交互设备、人机交互软件和虚拟环境三部分组成。交互 设备采用 5DT 公司生产的 5DT Data Glove 14 Ultra 数据手套，而人机交互软件运用 Visual Studio 2012 作为开发工具，基于 MFC 编写，实现了用户管理、数据采集、手势信号分类、实时手势识别测试等功能。构建的虚拟场景使用 Flash 游戏， 通过 MFC 和 Flash 游戏之间通讯使用者能使用手势信号实现游戏操控。本文的实验结果表明：虚拟现实手部康复训练系 统能够指导使用者进行有效的手部康复训练，Flash 康复训练游戏能有效提高使用者进行康复训练的积极性和主动性。
2013, 2(4):39-43.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307007
摘要:
从体表采集吞咽肌群的肌电信号可以为吞咽功能评估、吞咽障碍诊断及其康复治疗提供重要的电生理信息。目前 利用体表肌电信号针对吞咽生理的临床研究通常只采用了少量电极(2～4 个)，难以从空间分布角度进行分析。为此，本 文提出一种高密度肌电技术，通过颈前区域覆盖的电极阵列，同步采集 96 通道肌电信号进行分析。通过分析连续时间窗 口内 96 通道的均方根值，建立一系列动态二维肌电电势图，实现了吞咽肌电信息的可视化。本研究招募了 5 名正常受试 者参与实验，研究结果表明：正常受试者的动态肌电电势图模型可以反映正常吞咽过程中相关肌群的电生理活动的分布。 这些初步结果验证了本方法可以为吞咽肌群活动提供可靠的动态描述信息，也可以作为吞咽障碍临床评估的辅助手段。
从体表采集吞咽肌群的肌电信号可以为吞咽功能评估、吞咽障碍诊断及其康复治疗提供重要的电生理信息。目前 利用体表肌电信号针对吞咽生理的临床研究通常只采用了少量电极(2～4 个)，难以从空间分布角度进行分析。为此，本 文提出一种高密度肌电技术，通过颈前区域覆盖的电极阵列，同步采集 96 通道肌电信号进行分析。通过分析连续时间窗 口内 96 通道的均方根值，建立一系列动态二维肌电电势图，实现了吞咽肌电信息的可视化。本研究招募了 5 名正常受试 者参与实验，研究结果表明：正常受试者的动态肌电电势图模型可以反映正常吞咽过程中相关肌群的电生理活动的分布。 这些初步结果验证了本方法可以为吞咽肌群活动提供可靠的动态描述信息，也可以作为吞咽障碍临床评估的辅助手段。
2013, 2(4):44-48.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307008
摘要:
目的：观察低频电刺激(Low-frequency Electrical Stimulation，LES)对健康成年人体感诱发电位(Somatosensory Evoked Potential，SEP)及运动诱发电位(Motor Evoked Potential，MEP)的影响。方法：入选 25 例健康成年人(男 13 例， 女 12 例，平均年龄 42.95.7 岁)，采用经颅磁刺激仪(TMS)及肌电图仪，分别测量 LES 刺激前后 SEP 值及 MEP 值。结 果：健康成年人 LES 刺激后 SEP 及 MEP 值的潜伏期缩短、波幅增高，与刺激前比较，差异有统计学意义(P<0.05)；非刺 激侧无明显变化。结论：健康成年人 LES 刺激前后 SEP 及 MEP 参数值均有显著性变化，尤以波幅明显，提示电刺激对中 枢神经系统存在作用。
目的：观察低频电刺激(Low-frequency Electrical Stimulation，LES)对健康成年人体感诱发电位(Somatosensory Evoked Potential，SEP)及运动诱发电位(Motor Evoked Potential，MEP)的影响。方法：入选 25 例健康成年人(男 13 例， 女 12 例，平均年龄 42.95.7 岁)，采用经颅磁刺激仪(TMS)及肌电图仪，分别测量 LES 刺激前后 SEP 值及 MEP 值。结 果：健康成年人 LES 刺激后 SEP 及 MEP 值的潜伏期缩短、波幅增高，与刺激前比较，差异有统计学意义(P<0.05)；非刺 激侧无明显变化。结论：健康成年人 LES 刺激前后 SEP 及 MEP 参数值均有显著性变化，尤以波幅明显，提示电刺激对中 枢神经系统存在作用。
2013, 2(4):49-55.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307009
摘要:
本文首先简要介绍了经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)的技术原理与应用，其次重点比较了几 种常见的经颅磁刺激线圈定位方法，总结了 TMS 线圈定位面临的问题，然后提出了一种充分整合被试者大脑头皮外形、 脑解剖结构、脑功能区域定位三方面定量信息的改进的经颅磁刺激线圈定位方法，最后展望了经颅磁刺激线圈定位方法 的应用前景。
本文首先简要介绍了经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)的技术原理与应用，其次重点比较了几 种常见的经颅磁刺激线圈定位方法，总结了 TMS 线圈定位面临的问题，然后提出了一种充分整合被试者大脑头皮外形、 脑解剖结构、脑功能区域定位三方面定量信息的改进的经颅磁刺激线圈定位方法，最后展望了经颅磁刺激线圈定位方法 的应用前景。
2013, 2(4):56-60.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307010
摘要:
足下垂是由腓总神经功能障碍引起踝关节无法背屈、行走时足趾拖地的症状。它不仅影响患者日常行走，还会使 其产生自卑心理。表面垂足刺激器将刺激电极贴附在腓总神经或者胫骨前肌上，使用传感器来侦测脚步动作，通过电刺 激使脚踝产生背曲屈及翻转动作，改善步行摆动期所发生的足下垂现象。本文阐述了表面垂足刺激器的工作原理及研究 进展，并对基于生物信号反馈的闭环足下垂刺激器的研究趋势进行了介绍。
足下垂是由腓总神经功能障碍引起踝关节无法背屈、行走时足趾拖地的症状。它不仅影响患者日常行走，还会使 其产生自卑心理。表面垂足刺激器将刺激电极贴附在腓总神经或者胫骨前肌上，使用传感器来侦测脚步动作，通过电刺 激使脚踝产生背曲屈及翻转动作，改善步行摆动期所发生的足下垂现象。本文阐述了表面垂足刺激器的工作原理及研究 进展，并对基于生物信号反馈的闭环足下垂刺激器的研究趋势进行了介绍。
2013, 2(4):61-67.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307011
摘要:
畸变产物耳声发射(Distortion Product Otoacoustic Emission，DPOAE)是在两个固定频率的纯音刺激下，由健康人 耳主动向外发射的声音能量。DPOAE 耳声发射信号的存在与人耳的健康状况密切相关，因而它的检测被广泛用于新生儿 听力筛查和成人听力检测。然而，目前的 DPOAE 检测技术存在操作复杂、分辨率低、测试时间长等不足。本文提出用频 率随时间线性增加的扫频信号替代纯音作为刺激声诱发 DPOAE 耳声发射，以克服当前方法的不足。该扫频方法采用“三 段式”播放组合消除刺激声的干扰，并用动态跟踪滤波器从记录到的信号中提取高信噪比的扫频 DPOAE 信号。实验结果 表明，扫频 DPOAE 检测方法可以大大缩短 DPOAE 的测量时间，提高检测结果的分辨率，并能灵敏反映受试者听力损失 的频率范围。扫频 DPOAE 检测方法的提出，有利于研制一种快速高效的新型耳声发射检测仪，在临床上协助医生进行准 确的听力诊断和治疗。
畸变产物耳声发射(Distortion Product Otoacoustic Emission，DPOAE)是在两个固定频率的纯音刺激下，由健康人 耳主动向外发射的声音能量。DPOAE 耳声发射信号的存在与人耳的健康状况密切相关，因而它的检测被广泛用于新生儿 听力筛查和成人听力检测。然而，目前的 DPOAE 检测技术存在操作复杂、分辨率低、测试时间长等不足。本文提出用频 率随时间线性增加的扫频信号替代纯音作为刺激声诱发 DPOAE 耳声发射，以克服当前方法的不足。该扫频方法采用“三 段式”播放组合消除刺激声的干扰，并用动态跟踪滤波器从记录到的信号中提取高信噪比的扫频 DPOAE 信号。实验结果 表明，扫频 DPOAE 检测方法可以大大缩短 DPOAE 的测量时间，提高检测结果的分辨率，并能灵敏反映受试者听力损失 的频率范围。扫频 DPOAE 检测方法的提出，有利于研制一种快速高效的新型耳声发射检测仪，在临床上协助医生进行准 确的听力诊断和治疗。
2013, 2(4):68-73.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307012
摘要:
本文介绍了一种新型的包含虚拟发音人头像的语言训练系统并对该系统在听障儿童语言康复训练中的实用性进 行了研究。该系统以虚拟三维发音人头像的形式再现了汉语中常见的 20 个单音节字的发音动作，并将之用于语言康复 训练。系统运用 EMA(三维电磁发音仪)设备采集内部及外部发音器官运动轨迹作为驱动数据，有效模拟了汉语发音。此 外，系统还包括一个听力训练模块和一个朗读训练模块，用于辅助聋儿的发音康复训练。文章对系统发音模拟功能的准 确性进行了人工评估，并应用系统对两名 4 至 5 岁之间的聋儿进行了初步的康复训练。初步评估及训练的结果表明：系 统的发音模拟功能可有效模拟发音器官的动作，有助于提高听障儿童的语言能力；同时，系统的设计风格较易获得幼儿 认同。研究证明，本系统在听障儿童发音训练方面是有效的，具有较高的应用价值。
本文介绍了一种新型的包含虚拟发音人头像的语言训练系统并对该系统在听障儿童语言康复训练中的实用性进 行了研究。该系统以虚拟三维发音人头像的形式再现了汉语中常见的 20 个单音节字的发音动作，并将之用于语言康复 训练。系统运用 EMA(三维电磁发音仪)设备采集内部及外部发音器官运动轨迹作为驱动数据，有效模拟了汉语发音。此 外，系统还包括一个听力训练模块和一个朗读训练模块，用于辅助聋儿的发音康复训练。文章对系统发音模拟功能的准 确性进行了人工评估，并应用系统对两名 4 至 5 岁之间的聋儿进行了初步的康复训练。初步评估及训练的结果表明：系 统的发音模拟功能可有效模拟发音器官的动作，有助于提高听障儿童的语言能力；同时，系统的设计风格较易获得幼儿 认同。研究证明，本系统在听障儿童发音训练方面是有效的，具有较高的应用价值。
2013, 2(4):74-78.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307013
摘要:
随着康复医学与现代化科技的发展，康复设备的创新与发展也是日新月异。本文作者基于在康复设备研发方面 的经验，结合康复评定、治疗、护理、管理四个方面的理论基础和国家针对康复方面的政策，从集成化、精细化、人性 化、信息化四个方面对国内康复医学设备的发展方向进行了讨论和展望。
随着康复医学与现代化科技的发展，康复设备的创新与发展也是日新月异。本文作者基于在康复设备研发方面 的经验，结合康复评定、治疗、护理、管理四个方面的理论基础和国家针对康复方面的政策，从集成化、精细化、人性 化、信息化四个方面对国内康复医学设备的发展方向进行了讨论和展望。
2013, 2(4):79-82.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201307014
摘要:
移动通信、智能计算等技术的飞速发展和智能终端的日益普及为移动医疗的实施和广泛应用提供了机遇。本文设 计并实现一种基于 Android 手机的人体生理参数监护终端。生理信号采集传感器与手机终端之间利用蓝牙无线通讯技术组 成躯域传感器网络，实际应用表明该终端可实现对患者的监护、诊断和健康管理。
移动通信、智能计算等技术的飞速发展和智能终端的日益普及为移动医疗的实施和广泛应用提供了机遇。本文设 计并实现一种基于 Android 手机的人体生理参数监护终端。生理信号采集传感器与手机终端之间利用蓝牙无线通讯技术组 成躯域传感器网络，实际应用表明该终端可实现对患者的监护、诊断和健康管理。
