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1、神经微系统与神经机器人共共8人，在人，在3月月14号做报告号做报告每个报告每个报告15分钟分钟神经微系统与神经机器人1.神经元集群编码策略2.神经微电子系统3.神经机器人1.1背景1.2神经元集群编码策略的方式1.3神经元集群时空编码1.3.1放电同步性的互相关表达1.3.2多变量分析1.3.3人工神经网络1.4时空编码与频率编码的关系1.5本章小结神经元集群编码策略背景作作为脑功能研究的重要方向之一，神功能研究的重要方向之一，神经元集群元集群编码研究着重于研究着重于应用数学理用数学理论和和计算机模算机模拟方法方法对脑功能功能进行模行模拟和研究，从和研究，从信息科学的角度信息科学的角度尝试解解
2、释脑的信息的信息处理机制理机制。它具有很强的学科交叉性和整合性，重点在于为脑的高级功能提供可信的解释模型，神经元集群编码研究的发展将对智能科学、信息科学、认知科学、神经科学等多门学科产生重要而深远的影响。从信息科学的角度出发，我们可将大脑看成接受、处理并输出信息的一种复杂的系统。外界输入的刺激信息是高维的，大脑筛选、整合以及储存有用的信息，并通过神经元的响应活动来实现对这些有用信息的编码与解码。比如，当我们接受视觉信号的时候，大脑所解读的并非是光的强度或是波长，而是数以百万计的视神经细胞的动作电位。因此脑功能研究的迫切任务就是对神经元放电这种语言在各种情况下的含义进行破译，也就是掌握神经信息的
3、编码方式。神经元集群编码策略的方式神神经元集群元集群编码目前主要有目前主要有频率率编码和和时空空编码两种方式两种方式。神经元集群的频率编码以神经元集群内的脉冲发放频率即总的脉冲发放率的平均值表示信息。而神经元集群的时空编码具有较高的信息传输率，在中枢神经系统的信息处理和传递中有着巨大的优越性。所以在接下来的讲解中，我们主要对神经元集群的时空编码方法进行详细的介绍。神经元集群时空编码在神经元集群所组成的回路中，单个神经元放电序列中的有序时间间隔，或不同神经元放电序列之间的相互时间关系将会重现，这种重复出现的，有序的并且是精确的放电间隔相互关系被称为神经元集群时空编码。所谓“空”，是空间连接，是一
4、种“硬件”的拓扑结构，是神经元间的物理连接；而“时”则是指在“硬件”结构基础上传递的时间模式，这种模式可以决定动态的连接结构，这种时间模式的产生与“硬件”连接密切相关，但是时间变量提供了传递信息的巨大能力，结果是可以在同一“硬件”上形成许多不同的“动态结构”。放电同步性的互相关表达对神经元放电序列相关函数的解读是时空编码的主要表达方式：平坦而接近零值的互相关函数说明两个放电序列为各自独立的过程；互相关函数在延时为零处出现峰值，表明被考察的两个神经元放电序列呈现同步化趋势；互相关函数在非零延时处出现峰值，表明一个神经元的活动对另一个神经元的活动具有激活作用。神经元放电序列间相关性的存在已经得到越
5、来越多实验结果的支持。但这种相关性往往是很复杂的，因为它的来源可能不同。多变量分析目前应用最广泛的放电同步性的互相关表达只能检测神经元集群中任意两个神经元放电序列之间的相关性，而不是同步记录的多个神经元放电脉冲序列之间的相互关系。在概率论和统计学中，一个离散事件的时间序列(比如一个脉冲放电序列)称为一个点过程(point process)，因此同时记录的多个神经元活动组成的放电脉冲集合就组成了多维点过程时间序列。这些时间序列都是动态的、随机变化的，它们之间的关系可以用基于多变量分析的统计学方法，例如线性或非线性多变量回归分析更为精确地表达。人工神经网络应用统计学的方法可以对神经信息进行有效地提
6、取，但在一些具有特殊的数学分布或者假设的情况下，人工神经网络方法则更为适用。时空编码与频率编码的关系在不同的皮层区域，应该采用不同的编码方法来实现局部空间结构和时间动态行为之间的平衡，以反应其所处理信息的自然特征。频率编码在许多系统中被用来表达时间信息，并且与时间编码同时存在。本章小结许多多实验已已经表明，大表明，大脑中并非只有一种中并非只有一种编码方式存在。方式存在。目前对于神经元集群编码策略的研究主要停留在应用传统的信息理论和方法：频率编码和时空编码。时空编码也大多停留在表达集群内神经元放电序列两两之间的关系上，这些方法能表达的神经信息还是极为有限的，研究表达集研究表达集群中多个神群中多个
7、神经元相互关系的高元相互关系的高阶特性特性进而而发展其他更展其他更为有有效的效的编码模式是未来将要面模式是未来将要面对的的问题。神经微电子系统2.1神神经接口接口2.2神神经接口技接口技术（神（神经微微电极）的国内外极）的国内外研究研究现状状2.3神神经微微电极与神极与神经纤维的耦合的耦合2.4神神经微微电极的特点和极的特点和设计原原则2.5神神经微微电极主要极主要类型型2.6神神经微微电子子系系统2.7神神经微微电子系子系统的的应用用神经接口(Neural Interface，NI)神神经接口是人或接口是人或动物的神物的神经系系统与与外界外界环境交互的双向通道。境交互的双向通道。该技术涉及到
8、生物，医学，信息和材料等多个学科领域，需要多学科交叉融合。作为一种崭新的交互模式，它的发展越来越受到人们的重视。到目前为止，在神经接口技术中，研究较为广泛的是神经微电极。神经接口技术（神经微电极）的国内外研究现状密西根大学制造了可以密西根大学制造了可以说至今最至今最为先先进的微的微电极，在极，在电极上集极上集成了成了电子子线路，有灵活的路，有灵活的带状状导线和微流体通道和微流体通道。在选择的区域可做到15微米而且可形成任意的二维平面形状，电极使用二氧化硅和四氯化三硅作为钝化和绝缘层，能够制造二维，甚至三维的微电极。相相对于国外的研究成果而言，国内在神于国外的研究成果而言，国内在神经微微电极方面
9、的研究极方面的研究还比比较落后落后。对于无源微电极，研究单位主要有华侨大学信息科学与工程学院、复旦大学附属中山医院骨科等，而且他们研究的重点是单点测量微电极，属手工制作，所以机械和电子特性的重复性很难保证。另外，这种手工制作的电极还有体积大，对神经组织易造成损伤等缺陷。而对于有源微电极，研究单位主要有东南大学生物电子学国家重点实验室、中国科学院半导体研究所等，其研究水平大都还处于二维微电极或者单通道微电极上，未来有很大的发展空间。神经微电极与神经纤维的耦合作作为生物信息系生物信息系统和和电子信息系子信息系统的接口，神的接口，神经微微电极是极是通通过耦合耦合这一方式与神一方式与神经纤维进行信息交
10、行信息交换的的。生物电是实现这种耦合的物质基础，紧贴神经纤维的植入微电极可以感应神经元细胞膜上的电位变化，产生出微弱的电信号。后继的电路系统实现对这个微弱电信号的放大、滤波和变换等一系列处理，这个过程就是神经信号检测和处理。另另一方面，在神一方面，在神经激励微激励微电极上施加适当波形和极上施加适当波形和频率的率的电信信号，利用空号，利用空间耦合和生物膜的耦合和生物膜的电压敏感特性，可以在膜上敏感特性，可以在膜上产生超生超过阈值的的电位，激活神位，激活神经元并元并产生特定的生特定的动作作电位，位，恢复受恢复受损神神经的某些功能，的某些功能，这个个过程就是神程就是神经功能修复功能修复。神经微电极的
11、特点和设计原则电极金属和封装材料生物相容性必极金属和封装材料生物相容性必须良好；封装良好；封装结构外形构外形流流线化，化，质地柔地柔韧；易于手；易于手术操作，具有操作，具有临床可行性和可床可行性和可靠性；靠性；考虑微流体学原理作用下电刺激信号改变附近体液流动对电极稳定性的影响。神神经信号信号检测微微电极的极的设计还应注意尽可能加注意尽可能加强电极与被极与被测神神经纤维的耦合；系的耦合；系统中所中所有接触有接触电阻阻应该低而且阻低而且阻值应该彼此接近，以改善噪声性彼此接近，以改善噪声性能能。神经元激励微电极的设计原则还应注意选用用电荷荷负载能力能力强的金属，的金属，电极表面具有足极表面具有足够大
12、的面大的面积以降低以降低电流密流密度；采用恒流源激励神度；采用恒流源激励神经；激励信号采用双向脉冲以减少；激励信号采用双向脉冲以减少细胞膜表面胞膜表面电荷累荷累积神经微电极主要类型微微丝电极极薄膜薄膜电极极电极极植入需要考植入需要考虑的的问题：电极极制造技制造技术和信号和信号记录技技术的的发展展微丝电极微微丝（绝缘金属金属丝）电极，如极，如图所所示，是指用示，是指用绝缘材料覆材料覆盖封装的特定金属盖封装的特定金属导线，在，在导线两端留有裸露的信号两端留有裸露的信号传输点；点；目前它是最成功以及最稳定的一种记录电极，已经被长期用来采集植入式胞外神经信号，并被证明对哺乳动物包括人类都是适用的。微丝
13、电极的主要特点和要求:（1）微）微丝的直径必的直径必须适中，通常在适中，通常在25-50m范范围内内（2）微）微丝需保持适当的硬度和尖需保持适当的硬度和尖度度（3）微）微丝必必须使用具有生物惰性的材料达到最佳的使用具有生物惰性的材料达到最佳的绝缘效果效果（4）电极的阻抗必极的阻抗必须很低且噪声非常很低且噪声非常小小（5）微）微丝电极的极的针尖可以通尖可以通过细致地定型来增致地定型来增强获取神取神经信号的信号的能力能力薄膜电极当代半导体技术的快速发展促进了用于植入式神经信号采集系统的薄膜电极的诞生。自从20世纪70年代Wise等人在美国斯坦福大学首次利用半导体工艺开发出用于神经信号胞外采集的薄膜
14、电极，它已经发展成为形式多样，用于植入式神经信号采集的一种最主要的电极；其中除了最典其中除了最典型的型的Michigan(密歇根密歇根)电极极和和Utah(犹他犹他)电极极之外，之外，还有有硅硅筛电极，分子束微极，分子束微电极，极，SOI衬底底电极，极，阵列通孔列通孔电极，极，可可变记录点点电极，聚合体极，聚合体衬底底电极等极等诸多薄膜多薄膜电极极。薄膜电极Michigan电极Utah电极Utah 电极(平面电极阵列)Utah电极又称平面电极阵列，这类电极采用整块硅片制作，用N型硅作为基底，在其中用热迁移法形成多个P型硅通道，从基底的一面穿透到另一面，这些P型硅通道彼此绝缘，去除多余的N 型硅
15、，只留一薄层包裹在P型硅周围，形成多个细针，产生正方形电极针阵列。Michigan 电极( 线性电极阵列)Michigan电极又称线性电极阵列，这类电极与集成电路制造相似，采用微电子制造技术，在硅或陶瓷材料为基底的薄片上，按照设计好的电极线路，喷镀上导电金属；或者在整个覆盖有导电金属层的印制板上, 蚀刻去除不需要的部分，留下需要的电极线路，导电金属可以是不锈钢、钨、金或铂，然后，除了记录点以外，在其余连接记录点和输出端的导电线路上覆盖绝缘层, 常用的绝缘材料是氮化硅。为了增强导电性能和生物相容性，记录点表面镀上铱或金薄膜电极优点薄膜薄膜电极的大小与微极的大小与微丝电极可以具有相极可以具有相同的
16、量同的量级；单个个薄膜薄膜电极具有多个极具有多个记录点；点；半半导体体工工艺和薄膜技和薄膜技术可以可以实现薄膜薄膜电极的批量生极的批量生产，从而保，从而保证了它了它们具有相具有相同的同的记录特性，包括理想的阻抗匹配、特性，包括理想的阻抗匹配、精确的精确的电极极间隔和器件分布。隔和器件分布。电极植入需要考虑的问题电极植入的定位极植入的定位问题电极植入的数量极植入的数量问题电极植入的安全极植入的安全问题电极植入的极植入的稳定定问题神神经微微电极的生物相容性极的生物相容性问题（以上每个（以上每个问题均能展开均能展开话题）理想的神经微电极应该具有如下特征电极材料与组织不仅要有高度的机械生物相容性，而且
17、要有生物相似性；高度的柔韧性，以免随着机体软组织的活动而发生断裂；能够良好的固定于神经组织而不发生移动，并能保证与神经组织的紧密连接；能够受组织液的长期腐蚀，而不引发组织的不良反应或机械损伤；能通过简单易行的手术植入神经束内，体积小，易定位；神经刺激和神经纪录电路必须有良好的特性；电极的物理和电学特性有高度的可重复性；测点的位置，形状和间距均要精密地受到控制；操作安全，方便；造价低廉。电极制造技术和信号记录技术的发展基于先基于先进的微的微电子制造技子制造技术，神，神经微微电极极阵列的列的进一步一步发展需要展需要继续提高提高记录点密度，增加点密度，增加记录的范的范围，以便同，以便同时检测到更多神
18、到更多神经元的信号。与此同元的信号。与此同时还要减小植入部分的要减小植入部分的电极体极体积，从而减小，从而减小对脑组织的的损伤。为了减小长期慢性植入微电极对于脑组织产生的伤害和影响，增强电极的生物相容性也是重要的研究课题。例如，在电极表面覆盖生物活性物质，可以抑制损伤部位的扩大，形成一种能促使神经细胞向电极针生长的电极界面神经微电子系统神神经微微电子系子系统背景背景简介介国内外国内外研究研究现状状采用采用神神经微系微系统装置的装置的优势：生物生物信号信号检测神神经微微电子子系系统电路路设计的基本要求的基本要求神神经微微电子系子系统的的应用用神经微电子系统背景简介神神经微微电子系子系统，简单的的
19、说就是一种可以就是一种可以长期埋置在生物期埋置在生物体或人体内的体或人体内的电子子设备，用来，用来测量生命体的生理，生化等量生命体的生理，生化等参数的参数的变化并化并辅助助诊断或治断或治疗某些疾病某些疾病。实现生命体在无拘束的自然状态下体内参数的实时测量和控制，该系统可以在一定程度上代替某些已丧失功能的器官工作。此此类系系统的主要研究内容包括：各的主要研究内容包括：各类植入式植入式测量系量系统，植，植入式刺激器，植入式入式刺激器，植入式药疗控制装置，植入式人工器官及控制装置，植入式人工器官及辅助装置等助装置等设备。随着计算机技术的不断进步和设备可靠性的提高，医学植入式微电子系统将成为未来数年增
20、长最为迅速的医疗仪器设备。国内外研究现状（1）感觉功能恢复和重建的研究，触觉功能重建的神经弥补装置，闭环控制肌体功能重建装置，听觉，视觉功能重建（霍普金斯大学，哈佛大学，犹他州大学等）；（2）神经受损后功能的恢复，膀胱泌尿反射，截瘫，偏瘫，四肢瘫痪的功能恢复等；（3）通过电激励恢复神经系统功能，单通道神经功能电刺激装置，可植入式模数混合神经激励电路，基于周围神经信号记录的精密控制功能重建（加拿大J.A.Hoffer等）；（4）用于功能和治疗的电激励仿生神经元采用神经微系统装置的优势（1）可保证生物体在处于自然的生理功能状态条件下对各种生理，生化参数进行连续的实时测量与控制；（2）采用植入式测量
21、装置后，体内的各种信息不需经皮肤测量，可大大减少各种干扰因素，因此可得到更加精确的数据；（3）便于对器官和组织的直接调控，能获得理想的刺激和控制响应，有利于损伤功能的恢复和病情的控制；（4）可以用来治疗某些疾病，比如癫痫，四肢瘫痪等；（5）用来代替某些器官的功能生物信号检测生物信号可分为直接信号与间接信号。直接信号又称主动信号，它是由生命体自身产生的。如心电图（electrocardiogram，ECG）是心脏活动过程中心脏的肌肉和神经电活动的综合；脑电图（electroencephalogram，EEG）是来自大脑神经细胞的电活动的综合；神经电图（electroneurogram，ENG）是
22、记录神经电信号的活动；间接信号又称被动信号，信号源不是由生命体自身产生而是外加的。例如在超声诊断仪器中为检查脏器的形态而发射的超声脉冲，在核医学仪器中，为了检查肌体的功能而施加的放射性核素等。神经微电子系统电路设计的基本要求（1）低噪声（2）高稳定性（3）高增益，可调节（4）精确性（5）高输入阻抗，高共模抑制比（6）低漂移（7）合适的带宽（8）高安全性神经电信号的特征和提取单个脉冲信号持续时间为数毫秒，将神经电信号转换成可被测量到的电压信号则是通过电极来实现的，即通过电极采用一定的导联方式，将信号提取出来经放大滤波等处理，然后去除掉原始信号中的干扰，再进行信号特征识别。神经信号放大鉴于神经信号
23、的特点，必须要设计一款针对性强，性能优越，稳定可靠的神经信号采集电路，符合此种要求的电路必须要具备以下性能：首先要具有很高的共模抑制比，抑制工频干扰以及其它测量参数外的生理信号干扰。其次需要高输入阻抗，高输入阻抗可以有效地减小信号源高内阻的影响，神经电信号的处理尽管神经信号本质上是具有非平稳特征的生理信号，但当反映生理变化的信号通过电极检测采集并通过电信号表达之后, 进一步的处理问题就属于电信号的处理问题了。这一方面我们有成熟的方法，技术和电路。为了简化电路和减小功耗，可以优先考虑采用信号放大加滤波的传统模拟信号处理方法。芯片电源电磁感应原理所设计的芯片电源具有如下优点：（1）芯片完全植入体内
24、,不会产生透出皮肤的引线弯曲、折断、拉出、亦或是产生感染等种种问题；（2）电磁感应与电子系统完全兼容，电磁感应不仅可以传递能量，同时可以传递信息；（3）不会引起美观问题。植入芯片生物相容性微电子系统在植入生物体之前，必须进行生物相容性检验，否则有可能会对人体产生损伤。国外文献资料所完成的细胞培养初步实验表明：硅芯片的基底材料本身没有毒性，但是，纳米结构多孔硅对小鼠神经细胞B50的黏附性和活性更具优势。这个实验表明，硅和封装材料的生物相容性问题，可通过材料选择或材料改性加以保证。目前有研究是采用在硅片和其它封装材料表面形成天然羟基磷灰石薄膜、形成天然羟基磷灰石薄膜与天然高分子材料壳聚糖混合薄膜，
25、这种方式产生的混合薄膜具有很好的生物相容性。神经微电子系统的应用DBS（深部脑刺激）（深部脑刺激）心脏起搏器心脏起搏器人工耳蜗人工耳蜗人工视网膜人工视网膜DBS（深部（深部脑刺激）刺激）深部脑刺激是其中一种典型的治疗神经精神疾病的神经微电子系统。DBS（深部脑刺激）又称为“脑起搏器”是利用立体定向技术，通过在脑的深部埋置刺激电极，直接将电刺激施加在与疾病相关的脑区内，刺激的强度，波宽，频率等参数可由脑外的刺激器控制和调整。和其他神经刺激的方法相比，DBS具有靶点明确，选择性高，可逆，可调，无毁损等优点。DBS系统组成埋藏式脉冲发生器(Implanted Pulse Generator，IPG)
26、探头(Lead)延长线(Extension) 心心脏起搏器起搏器心脏起搏器能替代心脏的起搏点，使心脏有节律地跳动起来。心脏起搏器是由电池和电路组成的脉冲发生器，能定时发放一定频率的脉冲电流，通过起搏电极导线传输到心房或心室肌，使局部的心肌细胞受到刺激而兴奋，兴奋通过细胞间的传导扩散传布，导致整个心房和（或）心室的收缩.心脏起搏器的类型（1）心房按需（AAI）型（2）心室按需（VVI）型（3）双腔（DDD）起搏器（4）频率自适应（R）起搏器（5）程序控制功能型人工耳人工耳蜗人工耳蜗是一种能够替代人耳功能的电子装置，也是目前相当成熟的一种神经微电子系统。人工耳蜗可以帮助患有重度，极重度耳聋的成人和
27、儿童恢复或提供听的感觉。这里的重度，极重度耳聋患者是指双耳听阈大于90分贝（dBHL）听力级以上，配戴大功率助听器无效的人。人工耳蜗的主要组成部分：言语处理器人工耳蜗植入体言语编码策略人工人工视网膜网膜采取一定的方法，产生对光的感受和相应的电流或使神经递质释放，使内层视网膜即内核层和神经节细胞得到激活，产生神经冲动，并传送给视皮质，就可能引起一定的视觉。这种能够激活内层视网膜的装置，称为人工视网膜人工人工视网膜网膜基本功能基本功能(1)必须能够获取图像；(2)图像必须能够被转换为刺激图形；(3)刺激图形必须可被视网膜神经元利用；神经机器人神经机器人的概念神经假肢的背景上肢假肢的控制信息源神经假
28、肢的关键技术神经机器人的概念神经机器人一词，是神经工程和机器人的合成词，是把目前机器人缺乏的，人与生物具有的智能而灵活的各种功能，作为机器人加以实现而所需的科学工程方法的总称。神经机器人研究大体由三个领域构成，包括阐明人与生物的功能，依靠机器人实现生物功能，人与机器人的调和。这些内容密切相关。其中，以依靠机器人实现生物功能这一领域发展最为迅速，本章着重介绍的就是这一领域神经假肢的背景人的肢体是一个复杂而精巧的动力学系统，如何再造这种结构与系统并使其具有最大限度的替代性，一直是康复工作者的目标。而上肢假肢由于其复杂度高，控制难度大因此也受到了广泛的关注。自从1948 年德国人R.Rector发明
29、了世界上第一例肌电假肢以来，引发了世界范围的假肢研究热潮，这也给无数的上肢残肢者带来了自主生活的希望，目前假肢生产已发展成为一种产业，产品种类也多达上千种。上肢假肢的控制信息源以身体的机械运动作为信息源以肌电（EMG）作为信息源以声音作为信号源以肌腱作为控制信息源以脑电（EEG）作为信息源以脑磁作为信息源以神经信号作为信息源以身体的机械运动作为信息源这种上肢假肢也称为机械牵引式假肢，它的控制思想主要是，利用患者残存的运动功能通过传动装置触发相应的开关进行控制。截肢患者残端肌肉的收缩,舒张和膨起、健肢部位如胸部的扩张，肩膀的提升，下垂及外展，内收，腕的旋转，肘的屈伸，甚至头部的运动，眼睑的眨动等
30、都可以用做假肢驱动的信息源。这类假肢控制结构简单，造价低廉，因而受到了患者的欢迎，在将来一段时间内仍将拥有一定的市场。以肌电（EMG）作为信息源肌电假肢的信息源来自残肢肌肉发放的动作电位。与上面提及的牵引式假肢不同，肌电假肢主要通过对EMG信号的分析，提取反映运动意愿的有效特征，从而建立特征矢量与运动空间的映射关系来实现控制功能。由于它能够更有效的反映肢体的运动信息，因此比机械牵动式假肢更为优越，不仅受到患者的青睐而拥有广阔的市场，而且也成为上肢假肢研究中的一个热点以声音作为信号源声控型假肢在帮助截瘫病人恢复运动功能方面具有无可比拟的优越性。利用患者的声音信息通过数字处理技术，将其转化为相应的
31、控制指令，不仅线路简单，而且为发展多自由度假肢开辟了新的途径。声控假肢能进行的控制功能更多，更方便，精度也更高。它的不足之处在于平时患者与他人的交流也可能导致假肢产生误动作。另外，如何提高声控假肢的抗环境噪声能力也是该类假肢的一个需要解决的问题。以肌腱作为控制信息源在假手的控制上，采用肌腱作为信息源设计简单、响应速度快，被认为是一种比EMG信号更优越的控制方式。这种方法为增加假肢控制的灵敏度提供了可能。但这种方法需要肌腱完整未受损坏，否则对假肢的控制就有可能失效。另外，关节位置的改变（如手腕旋转所引起的角度变化）很容易影响肌腱力的分布，从而产生误动作。最后，肌腱的这种简单往复运动不足以满足多自
32、由度假手的需求，不适合用于开发高效多自由度假肢的信息源。以脑电（EEG）作为信息源EEG是根据大脑神经系统工作过程中神经突触所产生的电位变化而采集到的信号电位变化图，是进行脑功能研究和医疗诊断的强有力工具。利用从头皮记录的脑电（EEG）活动作为信息源，不需要神经肌肉控制，这样即使最严重的残疾患者也能够使用。而且电刺激不会对脑电信号的记录产生影响。然而脑电过程是非常复杂的，目前对它的研究还只限于开发简单的脑机接口装置。在构造一个完全由脑电控制的假肢系统上还有赖于脑科学研究的巨大突破，尚有很长的路要走。以脑磁作为信息源可以确信，脑磁与人体运动之间也必然存在某种相关性，原因在于：人体的活动都是由神经
33、系统发放的神经冲动实现的。不同的运动理应对应不同的神经冲动模式，从而产生不同的电场和磁场。发展脑磁控制假肢的思路可以借鉴EEG假肢，即在脑磁信号和假肢控制指令之间建立起合理的映射关系以神经信号作为信息源现代神经生理学的研究发现，神经系统具有可塑性，不仅表现为对外界各种刺激有强烈的代偿与适应能力，更重要的是在结构与功能上具有损伤后修复或重建的能力。另外，神经的电生理活动不仅不受人体疲劳程度的影响，重复再现性高，而且神经信息传递时彼此之间互不干扰，具有极佳的清晰度。小结综上所述，假肢研究的关键在于运动控制，而运动控制的关键在于信息源。当然并非所有的信息源都可以满足假肢控制的需要，其必须满足这些特性
34、：同类运动下的信号模式需保持稳定；对环境噪声的抗干扰能力强，以避免误动作的发生；信号的拾取方便，且有利于多自由控制的要求。从上面讨论的信息源模式可以看出，以身体的机械运动，脑磁和脑电，声音和肌电等信息源都存在较大的局限性，而神经信息源由于其具有独特的特征，利用神经埋藏电极引导出神经信息，经过模式分类后建立起神经信息与肢体运动的映射关系，从而控制假肢运动将，是一种较为理想的假肢控制模式。神经假肢的关键技术1.假肢的信号识别2.假肢的速度控制3.假肢的自我感觉4.假肢的自动适应假肢的信号识别肌电的识别方法包括时域统计法，参数模型法，时频分析法，人工神经网络法和混沌分析法。目前使用最多的是参数模型法
35、，人工神经网络法和混沌分析法为现代分析方法，是目前肌电识别研究的热点，这两种方法的使用将有效提高对肌电假肢控制的准确性。假肢的速度控制假肢设计者早就发现如果能对假肢的运动速度进行控制，对患者是很有好处的。在假肢设计的早期，这种需求并不迫切，因为当时的假肢运动速度慢，没有必要让一个速度慢的假肢运动得更慢。然而，随着高速动力假肢的出现，就需要假肢有不同的速度，使患者能够有目的，准确地抓住物体。按需要进行速度控制的好处在于可以使目前的高速假手在必要时运动得慢些，使患者可以有目的，准确地抓住物体，迅速有效地移动假手的位置假肢的自我感觉开发具有感觉系统的假手，将感觉信息作为反馈信号将极大地提高假手运动的
36、准确性。假手控制器可以从假手的感觉器接收信息，并根据这些信息做出反应，而不需患者的干预。要开发真正意义上的具有感觉系统的电子假手，需要对人类本身感觉系统的机理，电子感觉器及建立一个有效的人机界面进行深入研究，这将有很长的路要走。假肢的自动适应用一个可编程的控制器可以轻而易举地处理假肢的控制特性。例如，在一个肘下截肢患者的康复过程中，有可能从单点控制假手变到双点控制，也有可能增加一个肌电控制的腕关节旋转器。可编程的控制器可以通过改变程序而很容易地完成这些变化。起初，控制器被限定为处理一块肌肉的电信号，选用频率或波幅来控制假手的活动。随着训练的进展，另一块肌肉可用于肌电控制，改变控制器的程序使其变成传统的双点控制。再经过一段时间的训练后，当安装腕关节旋转器时，可以再更改控制器程序使其用同样的两块肌肉控制腕关节。本章小结综上所述，神经假肢已经成为神经工程领域研究的热点，无论在国内外，神经假肢作为一种新型的辅助伤残人士的器械和康复工具，正在越来越多地受到关注，目前神经假肢虽然能够代替残疾人完成某种特定的动作，但是相对于灵活的人类肢体来说，神经假肢依旧有很长的路要走。
