【摘要】：腦-機(jī)接口(Brain-computer interface,BCI)可以把大腦皮層的電活動(dòng)信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)或其他機(jī)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(yán)重運(yùn)動(dòng)殘疾的病人(腦卒中、脊髓損傷等)可以通過BCI與外界事物進(jìn)行交流,讓這些運(yùn)動(dòng)困難而腦功能正常的患者可以獨(dú)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(shí)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(jī)發(fā)展的主要方向之一。雖然近些年腦機(jī)接口獲得了豐碩的成果,但是基于腦機(jī)接口的康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用還存在識別時(shí)間長,用戶很難自主的控制康復(fù)訓(xùn)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(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng),做了以下三個(gè)方面工作:1)將Alpha波與SSVEP信號相結(jié)合,實(shí)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(shí)現(xiàn)控制上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)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(jìn)行分析得到上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制命令,并且設(shè)計(jì)了多線程并發(fā)的上位機(jī)軟件,保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(fù)機(jī)器人的最重要的環(huán)節(jié)。本文先用獨(dú)立成分分析(ICA)對腦電信號(Electroencephalography,EEG)預(yù)處理,然后對EEG進(jìn)行特征提取與分類。重點(diǎn)介紹了對SSVEP信號進(jìn)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(wù)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(gè)性能指標(biāo)出發(fā)設(shè)計(jì)離線實(shí)驗(yàn),比較三種算法的性能特點(diǎn),從中找出最適合的算法應(yīng)用到本系統(tǒng)中,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3)異步腦機(jī)接口上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的在線實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文最后設(shè)計(jì)在線實(shí)驗(yàn)證明,本系統(tǒng)在分析用戶的腦電信號方面有較高的準(zhǔn)確性(準(zhǔn)確率93%),并且用時(shí)較短。被試者可以按照自己的節(jié)奏控制基于混合腦機(jī)接口的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng),根據(jù)自己的節(jié)奏控制訓(xùn)練動(dòng)作與訓(xùn)練時(shí)間,為異步腦機(jī)接口的發(fā)展與應(yīng)用提供了良好的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242;R496
【圖文】：

提高嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)殘疾病人的生活質(zhì)量。如今，愈來愈多的科研學(xué)者加入了BCI系統(tǒng)的研究中。腦機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)進(jìn)行。雙向BCI是大腦與外接設(shè)備的雙向交流[2]。圖 1.1 腦機(jī)接口1.1.2 腦機(jī)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(yù)測，在 2015 年到 2040 年這 25 年間，全球 ALS 病人數(shù)量將會(huì)迅速增加

山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文均在 62 歲左右。ALS 屬于典型的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病，會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)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(jìn)行交流。經(jīng)濟(jì)的改善醫(yī)療水平的上升只是可以延長嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)殘疾患者的生存時(shí)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(huì)都造成了巨大的負(fù)擔(dān)，是一個(gè)值重視的社會(huì)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(yán)重運(yùn)動(dòng)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(huì)有很大程度的安慰。醫(yī)學(xué)研究表明，基于腦機(jī)口的康復(fù)設(shè)備對嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)殘疾的患者的康復(fù)治療有很大的輔助作用，可以用腦信號控外界的康復(fù)設(shè)備，從而達(dá)到自主康復(fù)訓(xùn)練的效果。

腦電信號控制命令圖1.3 腦機(jī)接口的基本原理（1） 采集模塊采集模塊把人腦活動(dòng)的電信號進(jìn)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(jìn)行存儲(chǔ)作為腦機(jī)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(shí)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(dǎo)電膏使電極與頭皮導(dǎo)通來記錄大腦產(chǎn)生的電活動(dòng)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(jià)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

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 胡劍鋒;;未來不是夢——腦機(jī)接口綜述[J];江西藍(lán)天學(xué)院學(xué)報(bào);2006年02期

2 敖顯奎;;“腦機(jī)接口”距離人類再近一步[J];大眾科學(xué);2019年06期

3 ;馬斯克的腦機(jī)接口 距離我們還有多遠(yuǎn)[J];科學(xué)大觀園;2019年15期

4 陳小剛;王毅軍;張丹;;2018年腦機(jī)接口研發(fā)熱點(diǎn)回眸[J];科技導(dǎo)報(bào);2019年01期

5 張丹;陳菁菁;王毅軍;;2017年腦機(jī)接口研發(fā)熱點(diǎn)回眸[J];科技導(dǎo)報(bào);2018年01期

6 李佩tD;薛貴;;腦機(jī)接口的倫理問題及對策[J];科技導(dǎo)報(bào);2018年12期

7 陳小剛;王毅軍;;基于腦電的無創(chuàng)腦機(jī)接口研究進(jìn)展[J];科技導(dǎo)報(bào);2018年12期

8 楊曉哲;;腦機(jī)接口離我們有多近[J];中國信息技術(shù)教育;2017年Z2期

9 ;腦機(jī)接口芯片用上玻璃碳電極[J];杭州化工;2017年01期

10 安興偉;曹勇;焦學(xué)軍;明東;;基于視聽交互刺激的認(rèn)知機(jī)理與腦機(jī)接口范式研究進(jìn)展[J];電子測量與儀器學(xué)報(bào);2017年07期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 李遠(yuǎn)清;;基于多模態(tài)腦機(jī)接口的意識檢測[A];第三屆全國神經(jīng)動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2016年

2 劉子榆;;腦機(jī)接口人體實(shí)驗(yàn)首度成功,它用50年把科幻電影變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)[A];《科學(xué)與現(xiàn)代化》2017年第1期（總第070期）[C];2017年

3 彬彬;;科學(xué)家警告:黑客可通過腦機(jī)接口監(jiān)控大腦神經(jīng)信號[A];《科學(xué)與現(xiàn)代化》2017年第1期（總第070期）[C];2017年

4 郭苗苗;徐桂芝;王磊;王江;;基于小波變換的聽覺腦機(jī)接口特征信號分析[A];天津市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)第三十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2011年

5 ;腦機(jī)接口數(shù)據(jù)競賽[A];首屆全國功能神經(jīng)影像學(xué)和神經(jīng)信息學(xué)研討會(huì)論文匯編[C];2003年

6 趙冰;肖亮;于丹;張國勝;杜喬;蓋振偉;徐碧云;;兩種腦機(jī)接口算法對比研究[A];第十二屆全國信號和智能信息處理與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2018年

7 周鵬;趙欣;葛家怡;李寧;郁洪強(qiáng);王明時(shí);;基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口的個(gè)性化設(shè)計(jì)方法研究[A];天津市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)2008年年會(huì)暨首屆生物醫(yī)學(xué)工程與臨床論壇論文集[C];2008年

8 賈文艷;趙香花;高小榕;高上凱;楊福生;;2003年腦機(jī)接口數(shù)據(jù)競賽論文之五——想像左右手運(yùn)動(dòng)的單次腦電信號分類[A];首屆全國功能神經(jīng)影像學(xué)和神經(jīng)信息學(xué)研討會(huì)論文匯編[C];2003年

9 S.西爾維希耶;;馬斯克的新公司Neuralink,到底是干啥的?[A];《科學(xué)與現(xiàn)代化》2018年第1期（總第074期）[C];2018年

10 何慶華;吳寶明;王禾;鐘渝;杜曉蘭;彭承琳;;瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位在腦機(jī)接口中的實(shí)驗(yàn)研究[A];中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)第六次會(huì)員代表大會(huì)暨學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要匯編[C];2004年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 賽迪研究院 王凌霞 溫曉君;用意念開車？馬斯克腦機(jī)接口怎么玩[N];新能源汽車報(bào);2019年

2 本報(bào)記者 王嘉旖;“一念互聯(lián)” 夢想成真[N];文匯報(bào);2019年

3 本報(bào)記者 劉園園;顛覆人機(jī)交互 腦機(jī)接口正走向現(xiàn)實(shí)[N];科技日報(bào);2018年

4 記者 陳建強(qiáng) 劉茜 通訊員 焦德芳 董sバ

本文編號：2759039