[發明專利]用于控制大腦機器接口和神經假肢系統的系統

在審

• 申請號: 201480062290.0
• 申請日: 2014-11-13
• 公開（公告）號: CN105722479A
• 公開（公告）日: 2016-06-29
• 發明（設計）人: V·德薩皮奧;N·斯里尼瓦薩
• 申請（專利權）人: 赫爾實驗室有限公司
• 主分類號: A61F2/68
• 分類號: A61F2/68;A61F2/72
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 呂俊剛

相關申請的交叉引用

這是于2013年11月13日提交的美國臨時申請號61/903,538、題為“Acontrolandsimulationarchitectureforapplicationtobrainmachineinterfacesandneuralprostheticsystems(一種應用于大腦機器接口和神經假肢系統的控制和仿真分層結構)”的非臨時專利申請。

這還是于2013年11月13日提交的美國臨時申請號61/903,526、題為“Agoal-orientedsensorimotorcontrollerforcontrollingmusculoskeletalsimulationswithneuralexcitationcommands(用于使用神經激勵命令控制肌肉骨骼仿真的面向目的的感覺運動控制器)”的非臨時專利申請。

技術領域

本發明涉及一種機器人控制系統，更具體地涉及一種用于已知從神經成像數據推斷的運動意圖來控制機器人假肢裝置的系統。

背景技術

大腦機器接口(BMI)和神經假肢為受到脊髓損傷的人和被截肢者恢復功能提供了很大希望，而且以完整的運動功能增大并提高了人的能力。在神經成像以及在從神經成像數據解碼運動意圖方面進展很大。然而，關于假肢裝置控制則進展不大，大多數方案扎根于常規的機器人控制。

在BMI和神經假肢研究中已存在許多工作，其涉及表層信號的解碼，用于通過外部裝置在下游執行運動命令(例如，參見所納入的參考文獻列表，參考文獻號1、9、11、12和15)。該工作的大部分集中于神經解碼，對假肢控制所施加的精確性不大。在控制機器人臂假肢的情況下，運動軌跡典型地被轉換成關節命令并使用關節空間控制來執行(例如，參見參考文獻號11、12和15)。

迄今，未提出公知的使用任務/姿勢分解的假肢控制系統。任務/姿勢分解與BMI中的關節空間控制相比具有特別的優點。任務/姿勢分解基于與編碼表層信號的方式(例如，眼居中、手居中的笛卡爾坐標)類似的抽象。并且，它對涉及多個假肢的全身假肢控制和高自由度運動是可通用化的。關節空間假肢控制由于其依靠逆向運動解決方案而在該能力方面受到限制。另外，任務/姿勢分解允許基于使與執行表層運動命令一致的重要目標功能最小化(例如，功率消耗，虛擬肌力等)指定姿勢行為。

在將神經形態計算分層結構應用于BMI和神經假肢系統方面已存在許多工作。例如，Dethier等人的工作集中于將人工尖峰脈沖神經網絡用于解碼和濾波表層信號(基于卡爾曼(Kalman)濾波器的解碼，使用端點運動作為狀態向量并使用神經尖峰脈沖率作為測量向量)而不是假肢控制(參見參考文獻號7)。

另外，Bouganis和Shanahan的工作關注于使用人工尖峰脈沖神經網絡控制機器人臂；盡管他們的工作未涉及神經假肢系統(參見專利文獻號2)。

其他研究者結合生物機械模型在神經假肢仿真中進行了工作(參見專利文獻號4、5和8)。然而，盡管他們的工作將肌肉骨架模型實施于仿真中，然而這些工作的焦點在于仿真并驗證假肢裝置的控制。這樣，還是未公知一種除了假肢控制器以外還集成有感覺運動控制器的系統。

因此，存在對這樣一種系統的不斷需求，該系統允許對不僅與生物和工程部件相關聯、而且與生物和工程控制系統相關聯的接口問題的增強模型化和分析。并且，存在對這樣一種系統級分層結構的需求，該系統級分層結構用于按照姿勢準則將人工尖峰脈沖神經網絡應用于運動映射的學習，用于控制在BMI和神經假肢系統中的運動。

發明內容

本發明描述了一種用于已知從神經成像數據推斷的運動意圖來控制扭矩控制假肢裝置的系統。該系統包括一個或更多個處理器和一個存儲器，在所述存儲器上編碼有可執行指令，使得一旦執行所述指令，則所述一個或更多個處理器執行若干操作，例如從神經成像裝置接收用戶的神經成像數據。所述神經成像數據則被解碼以推斷用戶的空間運動意圖，其中，所述空間運動意圖包括以坐標系表示的所述扭矩控制假肢裝置的期望運動命令。之后，所述系統使用假肢控制器執行所述運動命令作為扭矩命令，以使所述扭矩控制假肢裝置根據用戶的所述空間運動意圖來運動。

在另一個方面中，所述系統包括至少一個扭矩控制假肢裝置，所述扭矩控制假肢裝置與所述一個或多個處理器可操作地連接。

在又一個方面中，所述系統執行在所述控制器中接收與所述假肢裝置的當前狀態相關的感覺信息的操作。