[發明專利]基于FPGA的運動障礙非侵入式康復的閉環腦-機-體系統

有效

• 申請號: 201610026971.2
• 申請日: 2016-01-15
• 公開（公告）號: CN105653873B
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 鄧斌;胡金嶺;楊雙鳴;李會艷;林前進;劉晨;魏煕樂;于海濤;張鎮;王江
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G16H20/30
• 分類號: G16H20/30
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 呂志英

本發明提供一種基于FPGA的運動障礙非侵入式康復的閉環腦?機?體系統，該系統以FPGA作為控制核心建立基底核、丘腦皮層假體硬件模型，以基于FPGA的自適應控制算法計算所得數據作為輸入，進行控制模型參數整定與力反饋調節，直至達到預期控制結果，實現基于動態因果模型的自適應控制算法，輸出力反饋信號，從而實現運動障礙性神經系統疾病患者的康復治療。本發明的效果是實現了運動障礙性神經系統疾病患者的康復治療，同時實現了對復雜的基底核、丘腦皮層神經元網絡以及對復雜動態因果模型自適應控制算法的建模。該平臺可以為運動障礙性神經系統疾病的康復性治療提供有效的理論依據和技術支持，對研究帕金森癥、癲癇、阿茲海默癥等神經疾病控制與治療有重要的實用價值。

技術領域

本發明涉及生物醫學工程技術，特別是一種用于運動障礙非侵入式康復訓練的閉環腦-機-體接口實驗平臺。

背景技術

近些年來，運動障礙性神經系統疾病嚴重危害人類健康，給患者的工作和生活帶來很大的影響，且因神經細胞損傷后的不易再生性，這些神經系統疾病的康復性治療尚不明確。運動障礙性神經系統疾病如帕金森和肌張力障礙普遍認為是神經基底核障礙，這種簡化的定位并不能捕捉到這種運動性障礙神經疾病的病理生理學，其中涉及到復雜的交互過程和眾多神經解剖學的路徑問題，要求系統級描述和理解這些神經網絡的動力學機制和神經信息傳遞過程，研究普遍強調的是發生在分布式神經網絡下不同時空尺度的神經系統適應疾病的可塑性變化，因此治療的方法需要根據給定病人的具體情況以及疾病的嚴重程度來采取針對性診斷和治療。

運動障礙性神經系統疾病源于基底核病變造成的腦功能紊亂，基底核作為大腦深部若干神經核團構成的功能整體，主要負責人體自主運動的控制、整合調節細致的意識活動和運動反應，同時負責記憶、情感以及獎勵學習等高級認知能力。包括帕金森氏癥和亨廷頓氏癥等多種運動和認知障礙都與基底核的病變有關。丘腦位于第三腦室的兩側，是間腦中最大的卵圓形灰質核團，是產生意識的核心器官，因此建立基底核、丘腦皮層模型有助于實現運動障礙性神經系統疾病的分析與治療。

目前治療運動障礙的方法包含藥物治療，肉毒桿菌霉素注射，物理康復以及深部腦刺激(DBS)。然而，這些方法具有一定的局限性。曾有研究提出神經系統疾病康復治療的開環系統控制腦機接口治療方法，實現無創式的康復性治療。目前，多巴胺替代藥物是藥物治療的主要手段，然而，如抑郁癥、癡呆、幻覺等病癥是多巴胺抗性的，長期使用多巴胺替代療法可能會誘發多種嚴重的副作用，如惡化下肢本體感覺、誘發多巴胺失調綜合癥；DBS治療的侵入式方案會使手術帶來額外風險和并發癥，高昂的治療成本也限制了它的使用，非侵入式方法會降低由于手術帶來的風險；同時，由于患者的癥狀會通過個人的遺傳和病情的進展等因素存在變異性。

發明內容

針對運動障礙性神經疾病目前治療手段的局限性，本發明提供一種用于運動障礙非侵入式康復訓練的閉環腦-機-體接口實驗平臺，其中；基底核、丘腦皮層模型采用FPGA芯片硬件系統實現，該硬件系統以醫療設備規范為基礎，以節能為首要目標，從而減少硬件系統能耗。