【摘要】：運(yùn)動(dòng)想像腦機(jī)接口(Motor Imagery-based Brain Computer Interface,MI-BCI)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制、神經(jīng)康復(fù)和特種工業(yè)環(huán)境下的智能作業(yè)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。MI-BCI技術(shù)由于其涉及到的神經(jīng)機(jī)制與運(yùn)動(dòng)密切相關(guān),因此在提升患者的運(yùn)動(dòng)控制能力、腦區(qū)信息處理效率以及腦癱瘓康復(fù)訓(xùn)練中能發(fā)揮重要作用。國內(nèi)外許多研究團(tuán)隊(duì)均研發(fā)出了能夠?qū)崟r(shí)輸出控制命令的在線MI-BCI系統(tǒng),但是由于受腦電(Electroencephalogram,EEG)采集技術(shù)限制,便攜性差,操作繁瑣等因素的影響,大部分MI-BCI系統(tǒng)仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段。近年來,基于FPGA和ARM的便攜式平臺(tái)處理器性能有了很大的提升,其算法處理和運(yùn)算速度都有革命性的突破,可以應(yīng)對(duì)大部分BCI系統(tǒng)中的運(yùn)算任務(wù),為了促進(jìn)MI-BCI技術(shù)的實(shí)用性發(fā)展,本文研發(fā)了一種便攜式MI-BCI系統(tǒng),系統(tǒng)采用FPGA和ARM相結(jié)合的多核異構(gòu)處理器作為核心控制器,運(yùn)行ARM Linux移動(dòng)平臺(tái)操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了2類MI任務(wù)的實(shí)時(shí)控制和分類結(jié)果反饋,該系統(tǒng)操作簡便,體積小,可以與外骨骼機(jī)器人和電控輪椅等康復(fù)訓(xùn)練輔助設(shè)備配合使用,能夠提升患者的生活質(zhì)量并進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。本系統(tǒng)主要工作包括便攜式系統(tǒng)搭建、MI算法移植以及MI-BCI系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)三大部分。其中便攜式系統(tǒng)搭建包括了基于FPGA的ADC控制器、IIR濾波器和FIFO存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)讀取設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì);MI算法移植部分主要完成了基于~2的特異性頻帶確定算法、共空間模式(Common Spatial Patterns,CSP)空間濾波器算法和線性判別式分析(Linear Discriminant Analysis,LDA)算法的C++移植。MI-BCI系統(tǒng)應(yīng)用程序包含了EEG信號(hào)顯示程序和MI-BCI交互程序兩部分,實(shí)現(xiàn)了EEG信號(hào)采集與顯示、任務(wù)提示與反饋、訓(xùn)練任務(wù)參數(shù)估計(jì)和測試任務(wù)實(shí)時(shí)分類反饋等功能。最后,為了測試該系統(tǒng)能否正常工作,對(duì)系統(tǒng)的FPGA數(shù)據(jù)采集、EEG信號(hào)顯示、IIR濾波、MI算法以及系統(tǒng)整體功能進(jìn)行了測試,通過15名受試者進(jìn)行MI-BCI實(shí)驗(yàn)測試得到本系統(tǒng)的平均準(zhǔn)確率為80.6%,測試結(jié)果表明,本系統(tǒng)能夠達(dá)到現(xiàn)有的基于PC平臺(tái)的系統(tǒng)同等水平的準(zhǔn)確率,滿足現(xiàn)有的應(yīng)用需求。
【圖文】：

如脊髓損傷、腦癱、肌萎縮側(cè)索硬化癥和鎖定綜合征等。這些患者的腦功能正常，但外周神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉組織受損，失去了自主性肌肉控制能力，無法與腦外世界良好溝通。許多研究表明，想像肢體運(yùn)動(dòng)或真正肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)在大腦運(yùn)動(dòng)皮層都能檢測到腦電 μ 節(jié)律（8-12Hz）和 β 節(jié)律（16-25Hz），即感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律（SensorimoterRhythms,SMR），能量會(huì)降低，而想像結(jié)束后，能量又會(huì)升高。研究人員認(rèn)為，這可能反應(yīng)了對(duì)應(yīng)腦區(qū)神經(jīng)元群同步性的降低或提升，分別稱之為事件相關(guān)去同步（ Event related de-synchronization ，， ERD ） 和 事 件 相 關(guān) 同 步 （ Event relatedsynchronization，ERS）[29,30]�，F(xiàn)有研究表示，ERD 現(xiàn)象能在大部分人進(jìn)行 MI 時(shí)檢測到，而少部分人才能檢測到 ERS[31]。此外，想像不同部位的身體運(yùn)動(dòng)會(huì)在該身體部位相對(duì)應(yīng)的感覺運(yùn)動(dòng)大腦皮層產(chǎn)生 ERD/ERS[32]。MI-BCI 系統(tǒng)的生理基礎(chǔ)是通過對(duì)大腦皮層不同區(qū)域的 ERD/ERS 信息的識(shí)別來確定受試者的運(yùn)動(dòng)意圖[33]。ERD 特性如圖 2-1 所示，由于對(duì)側(cè)效應(yīng)，當(dāng)左手進(jìn)行 MI 時(shí)，位于大腦右半球的 C4電極采集到的感覺運(yùn)動(dòng)大腦皮層處的 SMR 的能量下降；相反，當(dāng)右手進(jìn)行 MI 時(shí)，位于大腦左半球的 C3 電極采集到的感覺運(yùn)動(dòng)大腦皮層處的 SMR 的能量下降。

圖 2-2 便攜式 MI-BCI 系統(tǒng)框架模塊采集模塊實(shí)物如圖 2-3 所示，包括 EEG 放大中電池、EEG 電極帽和電極線都是購買的現(xiàn)大器是在實(shí)驗(yàn)室多年的研究基礎(chǔ)上修改的，其進(jìn)行簡單的介紹。任務(wù)提示與反饋特征提取 模式分類
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP311.52;R496

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