基于脑肌电相干性的步行模式识别研究

The control and feedback relations between brain sensory motor cortex and muscles play a crucial role in the neural control of human movement.The relations are embodied in the EEG signal, EMG signal and the different levels of EEG-EMG synchronization. EEG-EMG synchrony can reflect the brain function control principle and functional relationship between muscles, provide theoretical basis to reveal the coordination of neural network in the process of motion control,bring new methods for real-time and intuitive control of the external skeletal rehabilitation devices.Experiment of using EEG-EMG coherency for hand grasping action recognition and evidence of EEG-EMG synchrony between the primary motor cortex and the tibialis anterior muscle indicating a cortical involvement in human gait function have been provided. The aim of the project is to study the synchrony between EEG and sEMG recorded from the lower extremity muscles during walking under different road conditions, establish the correlation model of cortical muscle coupling and walking motion mode,apply the results to identify locomotion modes, propose a method to connect EEG-EMG coherency with phase-dependent classification to improve recognition performance, realize the intuitive control of the lower limb rehabilitation device.

在人体运动的神经控制过程中，大脑感觉运动皮层与肌肉间的控制反馈联系发挥着至关重要的作用，分别体现在EEG信号 、EMG信号以及脑肌电信号间的不同层次同步现象上。脑肌电信号同步性可以反映大脑功能控制原理以及与肌肉间的功能联系，从系统的层面理解运动控制过程，为揭示运动控制过程中神经网络的协同工作方式提供理论依据，能够为外骨骼康复设备的实时准确控制提供新方法。前述研究利用EEG与手部肌肉的sEMG信号相干性来进行手抓握、屈伸的动作识别；在平地的步行运动过程中验证了EEG与下肢胫骨前肌的sEMG信号具有同步性。项目成员研究在不同步行模式下的皮层肌肉耦合，以期建立皮层肌肉耦合-步行运动模式的关联模型，研究基于脑肌电相干性的步行模式分类，探索EEG与EMG信号同步性在步行运动信息解码中的作用，提出将EEG与sEMG的相干性和步态相位相关机制相结合，提高识别性能，为人-机接口设备的实时准确控制奠定基础。

脑肌电信号相干性可以反映大脑功能控制原理以及与肌肉间的功能联系，从系统的层面理解运动控制过程，为揭示运动控制过程中神经网络的协同工作方式提供理论依据，为外骨骼康复设备的实时准确控制提供新方法。项目研究不同步行模式下的皮层肌肉相干，提出基于角速度的步态分析算法，在步行过程中，将传感器节点放置于受试者脚背获取运动数据，然后将运动数据通过算法解算为人体步行过程中腿部的姿态和位置参数，利用额状轴角速度曲线进行步态周期和相位划分，分析不同步行模式下的步态参数和特征，证明了不同步行模式下步态时间特征参数具有相似性，但是也存在差异性。受试者之间具有共性的同时也存在个体差异性。通过步态分析算法划分步态周期，分析步态周期内Cz通道EEG与左腿胫骨前肌EMG、与左腿内侧腓肠肌EMG的相干幅值和相位。结果显示步行运动时，小腿前后肌群既互相拮抗，又互为协调。胫骨前肌在踝背伸运动时其主要作用，而腓肠肌在屈膝和踝跖屈时作用，提供推动力。Cz-TA相干和Cz-MG相干在步态周期内随着步态的相位变化而发生改变，不同的地形表现出不同的相干特点，与肌肉功能相关联。在步态周期的某个时间间隔内检测到显著皮层肌肉耦合，表明颞叶运动皮层对人类步行的调节作用。项目的研究结果证明了在不同的地形环境下，皮层活动在步态周期的不同相位对步行运动的控制作用与肌肉的功能相关，为从运动皮层和肌肉的功能连接角度来解码下肢运动信息，以及运动功能重建提供了实验支持。