基于中枢模式发生器的功能性电刺激康复系统研究

本项目研究功能性电刺激系统的CPG（中枢模式发生器）控制器设计方法及相关的理论问题。主要思路是利用简化的工程CPG模型对生物脊髓中的CPG神经网络进行功能复制（或部分复制），在此基础上开发功能性电刺激系统的CPG仿生控制器，对肌骨系统的节律运动进行控制。研究内容包括工程CPG（神经振荡器）的网络结构和参数设计方法，反馈信息处理与辅助控制器设计方法，肌骨系统建模与节律运动仿真等。在理论研究基础上开发功能性电刺激实验系统，开展基于电刺激的运动功能康复医疗实验。

本项目的目标是设计基于中枢模式发生器（CPG）的功能性电刺激（FES）康复系统。主要研究任务包括设计中枢模式发生器算法，构建基于脑机接口（BCI）的层级式控制范式，研究生物反馈信号（主要是肌电EMG）的功用，研发FES康复实验系统及实验测试。与申请书设定的目标和内容对比，主要有两点不同。一是引入了脑机接口技术，旨在增加FES康复系统的智能性，也就是识别受试者的运动意图，增加人机交互的功能，这对FES康复系统走向实践，意义重大。二是对于肌骨系统建模部分没有深入研究，因为原有模型已经满足仿真需求；而且本项目更注重实验测试，仿真环境中复杂的肌骨模型对项目的实施作用不是很大，所以这部分内容进行了弱化。其它部分都按照原计划执行，圆满完成了期望的任务和指标。主要成果总结如下：研究了基于HR神经元的新型CPG模型，利用优化算法设计参数，并用于了实际的FES控制；将CPG模型与肌肉协同理论相结合，简化了CPG网络的复杂度。研究了脑机接口（BCI）的时-空-频联合滤波方法，尤其优化选择了脑电通道信息，提高了识别率。创新发展了基于选择性感受的脑机接口，可以提供更准确和稳定的运动意图。将基于稳态视觉诱发电位的BCI与CPG相结合，构成了层级式的FES控制系统。搭建起了FES下肢康复系统平台，并在多个健康受试者上进行测试评估，同时也在瘫痪患者上进行了初步的临床实验，取得了期望的效果。以项目为依托，发表了5篇SCI论文，10篇EI论文，3 篇中文核心期刊，公开/授权发明专利3/2项。培养了硕士/博士研究生5名/3名。