一种光电刺激脉冲生成方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了光电刺激脉冲生成方法和装置。其基本思想是，根据受损神经的近脑端的神经信号，当神经信号超过一定幅度阈值，且满足不应期条件时，生成光电刺激脉冲，刺激相应的远脑端的受损神经(目标神经)，从而诱发肌肉运动，实现受损神经的运动功能重塑。本发明专利技术通过使用光电组合刺激，在减轻组织损伤的同时提高刺激分辨率，实现精确的肌肉运动控制；同时，根据神经信号的变化控制光电刺激脉冲的频率，将神经信号的强度反映在刺激频率中，通过控制光电刺激脉冲的频率，控制目标神经的神经元的动作电位的爆发率，从而控制肌肉实现不同程度的运动。

【技术实现步骤摘要】
一种光电刺激脉冲生成方法和装置
本专利技术涉及神经信号处理分析与神经刺激领域，具体是一种光电刺激脉冲生成方法和装置。
技术介绍
神经损伤会导致神经下传冲动丢失或减小，使受损神经所支配的肌肉不能完成其原有的收缩功能，从而失去运动能力。而通过一些刺激脉冲对受损神经进行刺激，可以使肌肉产生一定程度的收缩，从而模拟正常的自主运动以达到增加肢体活动能力和恢复被刺激肌肉或肌群功能的目的，使得受损神经运动功能重塑成为可能。早期用于运动功能重塑的神经刺激多采用程序中预先设定的脉冲序列，刺激模式单一且无法根据神经信号来调整刺激强度，使得对肌肉的控制精度较低，且肌肉易产生疲劳。一般而言，可以通过调节刺激脉冲的强度(刺激宽度和幅度)以及刺激脉冲的频率来调节被刺激神经产生肌肉运动的强度，但大多数现有的刺激脉冲只通过调节刺激强度来控制肌肉运动而刺激频率固定不变，例如，采用神经信号的幅度包络或幅值相关特征如平均绝对值、均方根值等对刺激强度参数进行比例调控。有文献指出，相比于脉宽调制刺激，频率调制方式在抗疲劳方面显示出更好的性能。因而，本专利技术拟根据神经信号的特点设计神经刺激脉冲生成算法，根据神经信号的变化控制神经刺激脉冲的频率，实现刺激频率变化，对受损神经施加频率变化的刺激，从而使肌肉产生不同强度的收缩运动。注意到，现有的神经刺激多采用单一的电刺激或单一的激光刺激。单一的电刺激虽然易于控制和量化，但是空间分辨率低，容易导致靶神经细胞产生刺激伪迹；单一的激光刺激虽然空间分辨率高，但是能量难掌控，容易造成靶神经热损伤，有文献指出，在单一的激光刺激下，组织热消融阈值与激活阈值之比仅为2∶1，但是在光电组合刺激下，该比值可以提升到6∶1，大大提高了生物安全性。因而，本专利技术从神经元的动作电位的特性出发，根据神经信号中动作电位的阈值特性设计神经刺激脉冲生成算法和装置，根据神经信号的变化调节神经刺激脉冲的频率，实现刺激频率变化，对受损神经施加频率变化的刺激，从而控制肌肉实现不同程度的运动。同时，本专利技术采用电刺激和激光刺激的组合刺激方案，不仅可以提高电刺激的空间分辨率，实现对神经的选择性刺激，同时还可以降低所需的电刺激能量和激光刺激能量，减轻对神经的电损伤和热损伤。因而，具有更好的生物相容性，能够更精确的对神经进行刺激，实现更精细的运动功能重塑。
技术实现思路
本专利技术的目的是实现受损神经的运动功能重塑，提供了一种光电刺激脉冲生成方法和装置。其基本思想是，根据受损神经的近脑端的神经信号，当神经信号超过一定幅度阈值，且满足不应期条件时，在相应的远脑端的受损神经上(目标神经)使用类似的神经脉冲信号进行刺激，从而诱发肌肉运动，实现受损神经的运动功能重塑。本专利技术根据神经信号的幅值信息和动作电位的发放率信息来产生光电刺激脉冲，将光电刺激脉冲用于受损神经运动功能的重塑，通过使用光电组合刺激，在减轻组织损伤的同时提高刺激分辨率。同时，根据神经信号的变化控制光电刺激脉冲的频率，将神经信号的强度反映在刺激频率中。由于在肌肉自主收缩时，中枢神经系统可通过募集运动神经元的数量(募集编码)以及被募集运动神经元的动作电位爆发率(爆发率编码)两种方法来控制力量输出。本专利技术通过控制光电刺激脉冲的频率，控制目标神经的神经元的动作电位的爆发率，从而控制肌肉实现不同程度的运动。神经信号中动作电位是一种触发产生的、爆发性的“全或无”事件，即当作用在神经元上的刺激信号超过神经元激活阈值时，神经元就会产生动作电位。动作电位有明确的激活阈值，一旦发生，其幅度和持续时间将不受刺激的强度和持续时间的影响，更大的刺激强度并不能产生幅度更大的动作电位，更长的刺激持续时间也不会延长动作电位的持续时间。并且，当一个动作电位未完成时，对神经元再施加刺激，神经元不产生响应，这段时间称为不应期。本专利技术就是基于神经信号的这种特点设计了光电刺激脉冲生成算法。传统的电刺激脉冲生成算法的基本思路是先计算神经信号的噪声水平估计，常用的噪声水平估计方法有信号的标准差、均方根、绝对值中值等，之后一般取噪声水平估计的3～5倍作为幅度阈值，然后将采样数据点与幅度阈值进行比较，当采样数据大于幅度阈值时，生成电刺激脉冲。可以理解的，幅度阈值用于识别近脑端神经提供的神经信号是否有动作电位，而神经元的激活阈值是使神经元产生动作电位的输入信号的阈值。传统的电刺激脉冲生成算法的核心思想是通过幅度阈值检测神经信号中的动作电位，当检测到动作电位时，生成电刺激脉冲。传统的电刺激脉冲生成算法只考虑了神经信号的幅值特性，容易因神经信号本身的波动或噪声信号误触发刺激脉冲，且对于较密集的神经信号，会生成较密集的刺激脉冲来刺激神经，使得肌肉容易产生疲劳。传统的光刺激脉冲由程序预设生成，刺激参数由经验确定，没有利用神经信号的信息，因而只能实现固定的光刺激，目前多用在研究神经元在光刺激下的激活原理上或者作为简单的神经刺激手段。而本专利技术的光电刺激脉冲生成算法基于神经元的阈值特性和不应期特性设计，光电刺激脉冲生成算法的基本思想是对经过预处理的神经信号在不应期之外超过特定幅度阈值的采样点生成光电刺激脉冲。为此，需要满足不应期条件以及幅度阈值条件。光电刺激脉冲生成算法的不应期条件的表达式如下：CNT＞TR(1)其中，CNT为采样时间计数，TR为不应期。该式子表达的含义是当采样计数时间小于不应期时，神经信号的前一个动作电位尚未发放完毕，此时不生成光电刺激脉冲；当采样计数时间大于不应期时，再判断采样信号是否满足幅度阈值条件。光电刺激脉冲生成算法的幅度阈值条件的表达式如下：其中，x(i)为第i个采样信号，Thr为幅度阈值(一般取标准差估计的3～5倍)，σn为估计的噪声标准差，a为常数。该幅度阈值条件表达式的含义是，如果采样神经信号x(n)在第i时刻满足阈值要求(式子(2))，并且满足一阶导数的约束条件(式子(3))，则说明该处存在动作电位，因此，输出一个光电刺激脉冲刺激相应的神经。式子(3)表示的含义是，当神经信号噪声水平较低时，幅度阈值Thr较低，此时超过幅度阈值的信号上升趋势越强，越有可能是动作电位，因此，此时的一阶导数的阈值应较高；随着神经信号噪声水平的提高，幅度阈值Thr提高，对于超过幅度阈值的动作电位，上升趋势不会太强，因此，此时的一阶导数的阈值应较低。因此，一阶导数阈值应与噪声水平估计成反比例关系(即a为常数)。通过引入一阶导数(式子(3))，在一定程度上克服了传统的电刺激脉冲生成算法只考虑动作电位幅度而导致误触发、漏触发的缺点，能够产生更精细的光电刺激脉冲，得到更精确的运动响应。从上述光电刺激脉冲生成算法可以看出，该算法实现需要确定的参数有幅度阈值和不应期。不应期由神经元的特点决定，一般取2ms～20ms。幅度阈值的选择需要注意两点：首先，需要保证算法不会因为神经信号背景噪声产生错误的刺激信号；其次，由于神经信号幅值随着运动发力增大而增大，故幅度阈值的选择需要根据神经信号的幅值变化。在本专利技术中，根据神经信号的变化控制光电刺激脉冲的频率，从而可以反映不同发力程度下的动作电位爆发率特本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光电刺激脉冲生成方法，包括：/n获取第一采样神经的神经信号的多个采样数据；/n若第一采样神经的神经信号的多个采样数据满足不应期条件，且所述多个采样数据的第一采样数据(x(i))与第二采样数据(x(i-1))满足幅度阈值条件，则生成用于同时刺激第一刺激神经的光刺激脉冲与电刺激脉冲，其中所述光刺激脉冲的幅值小于第一刺激神经的光刺激阈值，所述电刺激脉冲的幅值小于第一刺激神经的电刺激阈值。/n

【技术特征摘要】
1.一种光电刺激脉冲生成方法，包括：
获取第一采样神经的神经信号的多个采样数据；
若第一采样神经的神经信号的多个采样数据满足不应期条件，且所述多个采样数据的第一采样数据(x(i))与第二采样数据(x(i-1))满足幅度阈值条件，则生成用于同时刺激第一刺激神经的光刺激脉冲与电刺激脉冲，其中所述光刺激脉冲的幅值小于第一刺激神经的光刺激阈值，所述电刺激脉冲的幅值小于第一刺激神经的电刺激阈值。


2.根据权利要求1所述的光电刺激脉冲生成方法，其中所述不应期条件的表达式为：
CNT＞TR
其中CNT为上次同时生成第一刺激神经的光刺激脉冲与电刺激脉冲后启动的计时器的值，以及TR为指定的不应期。


3.根据权利要求2所述的光电刺激脉冲生成方法，其中所述幅度阈值条件的表达式为：



其中，x(i)为所述多个采样数据的第一采样数据，x(i-1)为所述多个采样数据的第二采样数据，所述第一采样数据x(i)大于幅度阈值Thr，所述第二采样数据x(i-1)小于幅度阈值Thr，且所述第一采样数据x(i)与第二采样数据x(i-1)的一阶导数大于一阶导数阈值其中所述第一采样数据与所述第二采样数据分别是相邻地被采样的第i个采样数据与第i-1个采样数据，i为正整数，Thr为幅度阈值，σn为噪声标准差估计，a为常数。


4.根据权利要求3所述的光电刺激脉冲生成方法，其中所述幅度阈值Thr采用闭环反馈自适应动态阈值方法进行估计：
所述闭环反馈自适应动态阈值方法包括：将31.76％设置为目标值D(k)，将第k时刻对第一采样神经采样的神经信号数据点x(k)取绝对值后送入比较器，如果x(k)的绝对值小于上一时刻的噪声标准差估计σn(k-1)，则比较器输出1，否则输出0，计算有限长度滑动窗内比较器输出的“0-1”序列中“1”的比率，得到第k时刻的采样数据落在一倍噪声标准差估计之内的概率D′(k)，将D(k)与D′(k)做差，根据下式可得到估计误差值E(k)、更新的噪声标准差估计σn(k)以及更新的幅度阈值Thr：



其中，k为第k个采样时刻，G为积分器增益，T为信号采样周期，Kth为阈值增益比例系数。


5.一种光电刺激脉冲生成装置，包括神经信号采样模块以及神经刺激模块；神经信号采样模块通过检测电极从第一采样神经对神经信号进行采样，将采样的神经信号进行放大、滤波、模数转换后得到采样数据；神经信号采样模块还将采样数据提供给所述神经刺激模块；神经刺激模块根据神经信号采样模块提供的采样数据生成光电刺激脉冲，以控制对第一刺激神经施加的光电刺激。


6.根据权利要求5所述的光电刺激脉冲生成装置，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，梁锦威，刘洋，张建，石岩，张书源，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11