【摘要】：腦-機接口(Brain-computer interface,BCI)可以把大腦皮層的電活動信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C或其他機器語言直接控制外界設(shè)備,不依賴于外圍神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉組織。嚴重運動殘疾的病人(腦卒中、脊髓損傷等)可以通過BCI與外界事物進行交流,讓這些運動困難而腦功能正常的患者可以獨立控制外界設(shè)備,提高生活質(zhì)量。傳統(tǒng)的BCI通常是只用單一的控制信號,難以滿足實際操作要求。研究表明,混合BCI相比傳統(tǒng)BCI性能要好,如識別正確率、信息傳輸速率等均有提高。如今,結(jié)合多種不同類型腦電的混合BCI已經(jīng)成了腦機發(fā)展的主要方向之一。雖然近些年腦機接口獲得了豐碩的成果,但是基于腦機接口的康復機器人應用還存在識別時間長,用戶很難自主的控制康復訓練的節(jié)奏并且多類識別率不高等一系列問題。因此本文提出了一套基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(Steady State Visual Evoked Potential,SSVEP)與Alpha波混合BCI的上肢康復訓練機器人系統(tǒng),做了以下三個方面工作:1)將Alpha波與SSVEP信號相結(jié)合,實現(xiàn)系統(tǒng)的異步控制。SSVEP與Alpha都屬于節(jié)律明顯、信噪比較高的信號,兩種不同類型的信號特征相結(jié)合實現(xiàn)控制上肢康復訓練機器人的可行性。本系統(tǒng)利用Alpha波的阻斷現(xiàn)象來轉(zhuǎn)換空閑/工作狀態(tài);通過對SSVEP信號進行分析得到上肢康復訓練機器人的控制命令,并且設(shè)計了多線程并發(fā)的上位機軟件,保證了系統(tǒng)的實時性,提高了混合BCI的性能。2)SSVEP以及Alpha波信號的分析處理問題,它是系統(tǒng)成功控制上肢康復機器人的最重要的環(huán)節(jié)。本文先用獨立成分分析(ICA)對腦電信號(Electroencephalography,EEG)預處理,然后對EEG進行特征提取與分類。重點介紹了對SSVEP信號進行頻率識別的方法分別是:典型相關(guān)分析(CCA),多變量同步指數(shù)(MSI)與總體任務相關(guān)成分分析(總體TRCA)。從數(shù)據(jù)長度與通道數(shù)量兩個性能指標出發(fā)設(shè)計離線實驗,比較三種算法的性能特點,從中找出最適合的算法應用到本系統(tǒng)中,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3)異步腦機接口上肢康復訓練機器人的在線實驗驗證。本文最后設(shè)計在線實驗證明,本系統(tǒng)在分析用戶的腦電信號方面有較高的準確性(準確率93%),并且用時較短。被試者可以按照自己的節(jié)奏控制基于混合腦機接口的上肢康復訓練機器人系統(tǒng),根據(jù)自己的節(jié)奏控制訓練動作與訓練時間,為異步腦機接口的發(fā)展與應用提供了良好的理論與實踐基礎(chǔ)。
【學位授予單位】：山東建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP242;R496
【圖文】：

提高嚴重運動殘疾病人的生活質(zhì)量。如今，愈來愈多的科研學者加入了BCI系統(tǒng)的研究中。腦機接口是大腦繞過周圍的組織與神經(jīng)系統(tǒng)直接與外界環(huán)境建立起交流通道，如圖1.1。其目的就是把大腦的意識識別出來，來控制計算機或者外接設(shè)備。單向BCI是外界設(shè)備只能接收大腦的控制命令，或發(fā)給大腦信號，不能同時進行。雙向BCI是大腦與外接設(shè)備的雙向交流[2]。圖 1.1 腦機接口1.1.2 腦機接口的研究意義隨著全球人口的老齡化加重，肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化(Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS)、腦卒中、脊髓損傷等中老年常見疾病對人類健康的威脅也越來越大。如圖 1.2 所示，《自然-通訊》（Nature Communications）雜志預測，在 2015 年到 2040 年這 25 年間，全球 ALS 病人數(shù)量將會迅速增加

山東建筑大學碩士學位論文均在 62 歲左右。ALS 屬于典型的運動神經(jīng)元疾病，會導致神經(jīng)細胞的衰竭，逐漸喪失活自理能力，雖然大腦還存在意識但是無法正常的與外界環(huán)境進行交流。經(jīng)濟的改善醫(yī)療水平的上升只是可以延長嚴重運動殘疾患者的生存時間但是卻不能提高患者的生質(zhì)量，改善患者的精神狀態(tài)。雖然患者的思維是健全的，但是卻無法控制外界的設(shè)備不能與別人正常交流，這對患者，家屬朋友以及社會都造成了巨大的負擔，是一個值重視的社會問題。這種患者尤其的需要 BCI 技術(shù)為他們的大腦與外界環(huán)境建起連接的帶。BCI 能為那些有嚴重運動殘疾的病人提供一種新型的交流方式，改善患者的生活量及精神狀態(tài)，而且對患者的家屬也會有很大程度的安慰。醫(yī)學研究表明，基于腦機口的康復設(shè)備對嚴重運動殘疾的患者的康復治療有很大的輔助作用，可以用腦信號控外界的康復設(shè)備，從而達到自主康復訓練的效果。

腦電信號控制命令圖1.3 腦機接口的基本原理（1） 采集模塊采集模塊把人腦活動的電信號進行濾波，放大以及數(shù)模轉(zhuǎn)換，將大腦電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行存儲作為腦機接口系統(tǒng)的輸入部分[4]。常見的采集大腦電信號有兩種方式：腦電信號（Electroencephalography, EEG）與皮層表面（Electrocorticography, ECoG）。ECoG是把電極置于頭顱內(nèi)，可以用來采集大腦皮層的大腦電信號，該方法屬于入侵性的[5]。ECoG信號的信噪比高，時間與空間的分辨率較高，并且不容易受干擾。但是ECoG采集方法有創(chuàng)傷，需要手術(shù)，具有一定的安全隱患。皮層記錄EEG是把采集電極置于大腦頭皮處，使用導電膏使電極與頭皮導通來記錄大腦產(chǎn)生的電活動信號，屬于非入侵性的。采集的腦電信號信噪比不高，分辨率較低，但是采集方便操作簡單，無創(chuàng)傷并且價格低廉。本文主要探討的是EEG-BCI系統(tǒng)[6]。（2） 信號分析信號分析是BCI系統(tǒng)的核心

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本文編號：2759039