[發(fā)明專利]一種卒中后上肢肌間協(xié)同耦合分析方法

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• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN111708983A
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王洪安;佘青山;馬玉良;高云園
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G06F17/16
• 分類號: G06F17/16;G06F17/18;A61B5/0488;A61B5/04
• 代理公司: 浙江千克知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

本發(fā)明公開了一種卒中后上肢肌間協(xié)同耦合分析方法，本發(fā)明首先進行上肢運動過程中多通道表面肌電信號的同步采集和預處理；然后對預處理后的數(shù)據(jù)進行非負矩陣分解；通過預先設(shè)置分解層數(shù)，將分解后的兩個矩陣和相乘，得到重構(gòu)數(shù)據(jù)矩陣，計算解釋性方差；再判斷協(xié)同與非協(xié)同關(guān)系；最后計算相干性度量不同頻段的肌間耦合強度。本發(fā)明從運動的產(chǎn)生與執(zhí)行角度，探討肌肉協(xié)同模型中協(xié)同肌的耦合強度差異，能夠為卒中患者運動康復過程提供生理依據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于神經(jīng)系統(tǒng)運動控制機制研究領(lǐng)域，涉及非負矩陣分解和相干性計算，從而進行卒中后上肢運動功能障礙背后肌間協(xié)同耦合特性的差異分析。

背景技術(shù)

腦卒中是最常見的腦血管疾病，據(jù)中國卒中學會發(fā)布的報告，我國發(fā)病率在千分之二左右，每年新發(fā)病人200余萬，且有逐年增加的趨勢。腦卒中發(fā)病后，往往致運動功能障礙殘疾，并且恢復慢、難度大、預后差，嚴重影響患者的日常生活。腦卒中患者最常見的臨床癥狀是對側(cè)上肢偏癱，表現(xiàn)為肌張力改變、關(guān)節(jié)松弛、肌無力或攣縮，如何促進上肢運動功能恢復是康復醫(yī)學關(guān)注的熱點和難點。腦電(EEG)、肌電(EMG)信號是肢體動作時最直接相關(guān)的生理信號，分別體現(xiàn)了大腦對肌肉的運動控制信息和肌肉功能響應的感覺反饋信息活動狀態(tài)，已成為分析肢體運動康復進展的有力手段。

近年來，肌肉協(xié)同理論作為一種神經(jīng)控制運動機制出現(xiàn)在神經(jīng)科學研究中，定義為肌肉之間同時參與動作表現(xiàn)的一種穩(wěn)定的時空活動模式，自然的運動行為可能是多種協(xié)同作用疊加的結(jié)果。肌肉協(xié)同作用可以通過因子分解來確定，如非負矩陣分解(Non-negative Matrix Factorization，NMF)，主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)等。卒中的后果之一是肌肉的運動協(xié)調(diào)被打斷，肌肉協(xié)同作用在卒中后不一定能重新習得，相反，它們可能被修改以形成一種新的運動模式。在不同方向及物過程中，存在一組具有代表性的肌肉協(xié)同作用，它們被調(diào)節(jié)以執(zhí)行不同方向的運動，卒中患者與健康人相比，肌肉協(xié)同作用對不同運動方向的激活調(diào)節(jié)不同。雖然肌肉協(xié)同可以反映多塊肌肉之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，但沒有揭示激活每一塊肌肉的控制信號的共通性。

肌間耦合的概念來源于皮層肌肉功能耦合研究，指的是運動過程中肌肉間的相互作用。肌間耦合主要集中在α(8-15Hz)、β(15-30Hz)和γ(30-60Hz)頻段，α頻段的肌間耦合強度與運動過程中姿勢的維持和非自主收縮有關(guān)，β頻段的肌間耦合代表了從初級運動皮層到運動神經(jīng)元的傳遞過程，γ頻段的肌間耦合體現(xiàn)與認知功能的腦皮層信息整合過程。基于傅里葉變換的相干性(Coherence)分析方法，常用于肌間耦合特性的計算。Katarzyna等發(fā)現(xiàn)卒中患者前三角肌和肱三頭肌之間的一致性在δ(0-4Hz)和θ(4-8Hz)頻段存在顯著差異，這種功能耦合的削弱，可能是由于皮質(zhì)脊髓通路的信息流中斷而導致頻帶上的共同驅(qū)動損失。謝平等認為中風患者患側(cè)在運動過程中β頻段肌間一致性相對于健側(cè)存在明顯缺失，健側(cè)、患側(cè)肌間一致性與運動任務相關(guān)。雖然肌間耦合能夠反映肌肉系統(tǒng)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制下的運動功能狀態(tài)，卻忽略了運動控制的內(nèi)在協(xié)同作用。

現(xiàn)階段，關(guān)于協(xié)同肌的神經(jīng)控制機制尚未被很好地理解，少數(shù)研究結(jié)合肌肉協(xié)同和肌間耦合，分析肌肉協(xié)同模型中具有協(xié)同作用的肌肉對之間的耦合關(guān)系，提供了一個新的視角。謝平等探討了不同健康人腕部伸屈動作下肌間協(xié)同耦合特性的差異，認為在同一協(xié)同模塊中，協(xié)同性較高的肌肉肌間耦合關(guān)系較強。Li等研究了協(xié)同肌肉與肌間耦合對肌肉協(xié)調(diào)復雜性的影響，發(fā)現(xiàn)在β和γ頻段觀測到的強耦合肌肉存在于協(xié)同肌肉中。Cristiano等調(diào)查了在執(zhí)行踏板任務過程中協(xié)同工作的肌肉之間共享的神經(jīng)驅(qū)動分布，結(jié)果表明，只有在需要產(chǎn)生功能性力量時才存在肌肉間同步，γ頻帶的顯著貢獻可能反映了皮層對協(xié)同肌肉的驅(qū)動。最近，Christopher等比較了大腿肌肉共享和獨立神經(jīng)驅(qū)動的協(xié)同激活相對強度，結(jié)果表明，協(xié)同激活的肌肉共享大部分的神經(jīng)驅(qū)動。然而，未見到協(xié)同耦合特性在卒中患者上肢運動功能恢復方面的報道，通過結(jié)合從運動指令的模塊性和頻譜同步性分析中獲得的信息，有可能加深對卒中后上肢運動的神經(jīng)肌肉驅(qū)動響應機制更深層次的理解。