指力配合中的多指肌电生理活动模式及其神经调控机理研究

多指肌是控制手指活动的关键环节，其中的运动单元形成了相互独立的功能分区，并通过4个肌腱控制食指、中指、无名指、小指的协同动作，中枢神经是通过调控各运动单元功能分区的活动模式实现手指的协同动作和手指之间的力量配合，研究多指肌的活动模式对认识指力配合的神经调控机制有重要意义。课题将建立阵列表面肌电检测方法，并以此研究不同指力模式下多指肌中各手指对应的运动单元功能分区同步活动模式与指力模式的映射关系；通过检测和分析大脑皮层脑磁信号和多指肌表面肌电信号的相干性，研究完成恒定、递增、递减三种不同目标指力时皮层神经活动节律与多指肌表面肌电活动间的内在联系，以及食指和中指完成随意配合、特定配合指力对多指肌活动和皮层神经活动的影响。通过本课题的研究，初步建立多指肌对指力的调控模型、多指肌对指力调控指令的初步"解码"，以及中枢神经通过多指肌对手指活动进行调控的内在规律。

本项目主要开展了多通道表面肌电检测阵列电极及电路装置、肌电信号分析、脑磁信号分析、手指动作对神经-肌肉活动影响以及肌电假肢等研究工作。完成的主要研究工作包括：设计研制了基于聚酰亚胺材料的多通道表面肌电柔性电极阵列及具有悬浮结构的可粘贴电极阵列适配装置，测试结果表明电极阵列具有适合表面肌电信号频率特性的阻抗特性和低噪声特性；设计了适合多通道表面肌电信号检测的前置放大电路及其与电极阵列的集成化结构，建立了32通道的前臂多腱肌表面肌电检测系统。设计开发了基于峰值功率和总功率的表面肌电频域分析方法，并建立了与指力水平的关系模型；利用基于负熵的FastICA算法从表面肌电信号中分解出多种类型的运动单元动作电位（MUAP），并研究了手指动作模式对MUAP发放的影响；建立了基于谱参数和均方根参数的多腱肌肌电地形图，并分析研究了指力水平对肌电地形图质心等参数的影响。设计了基于时频功率谱和频域相干性的脑磁信号分析方法，实现了对手指活动时初级运动皮层神经活动时频域信息的有效提取。设计研制了与脑磁图检测兼容的指力传感器，建立了运动神经-肌肉-力量综合信息的指力神经调控实验研究方法。利用多通道表面肌电信号检测方法，研究了手指活动对多腱肌活动模式的影响，结果表明不同手指活动模式在多腱肌上存在差异化的肌电活动特性；进一步分别以敲击为任务研究食指、中指、无名指、小指活动时对前臂多腱肌肌电活动的影响，结果表明不同手指活动时在指浅屈肌、指总伸肌有不同的兴奋模式，初步验证了基于阵列表面肌电信号定位多腱肌功能分区的可能性。利用相干性分析方法量化初级运动皮层脑磁信号与不同指力任务模式下指浅屈肌表面肌电信号之间的同步活动模式，初步评价了初级运动皮层-前臂肌肉间的神经信息传播模式，实验结果显示，力量水平和手指配合模式对初级运动皮层神经兴奋的能量水平（功率谱）有显著影响，复杂手指配合模式引起了Low-gamma频段的同步活动，单个食指在完成指力跟踪任务时Beta频段的神经肌肉同步活动水平显著高于食指中指自然组合时的同步活动水平。基于前臂肌电信号检测及手指动作的研究结果，本项目还设计了基于DSP的表面肌电信号实时检测系统和手指动作关节状态的实时检测系统，并分别实现了对机械假肢手手指的力量控制和手指关节弯曲姿态的控制，为进一步开发肌电智能假肢奠定了基础。