[發明專利]基于格蘭杰因果關系和圖論的運動意圖腦肌網絡分析方法

在審

• 申請號: 202110758891.7
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113558639A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 王俊宏;卓自豪;汪婷;席旭剛;張啟忠
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: A61B5/369
• 分類號: A61B5/369;A61B5/374;A61B5/389;A61B5/00
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

本發明公開了一種基于格蘭杰因果關系和圖論的運動意圖腦肌網絡構建方法。本發明首先同步采集到兩種不同運動模式下的腦電和肌電信號，對信號進行預處理、分頻段，選擇與運動區域相關的部分電極進行分析，計算兩種運動模式不同頻段的腦電信號的功率譜密度，再構建自回歸模型計算腦電或肌電信號之間的格蘭杰因果關系，分析兩種不同運動模式下，腦電信號和肌電信號之間的耦合強度，然后根據得到的信號之間的格蘭杰因果關系構建腦肌網絡，并利用圖論的方法計算其網絡特征參數，評估主動訓練和被動訓練的康復效果。本發明發明拓展了評估方法，有助于理解內在的機制，構建腦肌網絡，可以研究大腦和肌肉之間的信息流動。

技術領域

本發明屬于模式識別和網絡分析技術領域，涉及到腦卒中患者在主動運動中提升康復效果的綜合評估方法，特別涉及到一種基于格蘭杰因果關系和圖論的腦卒中患者在不同運動意圖下腦肌網絡分析方法。

背景技術

目前腦卒中已成為全球人口死亡和殘疾的主要原因之一。此外，約有75％的幸存者有不同程度的功能障礙，對腦卒中患者進行康復訓練對其運動功能的恢復起著重要作用。中風早期的康復治療對于腦功能的恢復和神經重塑的程度十分重要，它可以加強皮層的重組，促進受損大腦的再學習。康復訓練包括主動訓練和被動訓練，主動運動和被動運動的區別自古以來就被公認，但是這種區別的性質仍然不清楚。有證據表明，被動運動不足以改變運動恢復，有運動意圖的康復訓練可以提高康復效果，患者必須積極參與并嘗試運動。

運動意圖是指患者對上肢的準備和運動的有意識的認知，近些年隨著腦機接口技術的發展，腦肌接口技術被用于識別患者的運動意圖，以促進患者參與康復訓練，提高康復的效果。被動運動的即時效果好，但是對促進運動功能和提高運動能力的作用微小，可能會導致患者的控制能力下降。主動運動表明某一項運動機能在中樞神經系統中形成了回路，能夠較好地促進運動功能，提高運動能力。

目前對于主動訓練和運動訓練效果好壞的評估主要是通過行為動作數據評估，對患者進行主動、被動康復訓練，通過各種行為測試評分得出主動訓練的效果要優于被動訓練。當有實際的運動時，與運動相關的腦區是相連的，大腦和肌肉之間存在功能整合。運動皮層和肌肉之間的相干活動被認為反映了皮層脊髓細胞的同步放電，并且可以通過分析腦電信號和肌電信號之間的頻域相干性來估計，皮層肌肉耦合提供了功能連接的方法，揭示了皮層神經元功能連接性和運動單元同步性的機制。雖然相關研究表明，主動運動的皮層肌肉耦合強度要明顯高于被動運動，但沒有對主動運動和被動運動的力度進行定量分析，力度也會影響皮層肌肉耦合的頻率范圍，目前關于運動意圖的存在對皮層肌肉功能整合的影響以及引入功能連接網絡進行分析的研究很少。

現有的網絡分析基本都是基于腦電信號，沒有加入肌電信號，只是對人腦進行分析，無法得到皮層與肌肉之間相關區域之間的關系。而且目前的腦網絡大多是無向網絡，缺乏網絡連接的方向性信息。格蘭杰因果關系可以闡明變量之間的方向關系。因此，本發明引入基于格蘭杰因果關系和圖論的方法，同時加入肌電信號，挑選與運動功能相關的腦區電極，構建腦肌網絡。提取節點的出度和入度、聚類系數和局部效率為特征參數分析，同時分析腦電信號的功率譜密度，通過這些指標來揭示運動意圖如何影響皮層肌肉功能整合的機制，為被動訓練的有效性提供內在的依據。

發明內容

為了進一步完善訓練模式對腦卒中患者訓練效果的評估手段，以及對運動意圖影響皮層肌肉功能整合機制的模糊，通過使用腦電信號和肌電信號等易獲得的生理信號進行分析。本發明改變了傳統上以行為動作指標來評估主動訓練和運動訓練對腦卒中患者的康復效果，并彌補了腦網絡只能觀察腦區之間關系的不足，創造性的提出了基于格蘭杰因果關系和圖論的運動意圖腦肌網絡分析方法。