本文關(guān)鍵詞：基于頭部電磁信息反演的人機(jī)交互系統(tǒng)控制指令提取方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著我國(guó)人口老齡化加劇,完全失能老年人口數(shù)量逐年攀升。此外,由于神經(jīng)和肌骨系統(tǒng)病變、自然災(zāi)害、交通事故等導(dǎo)致的殘障完全失能患者也在逐年增多。上述原因?qū)е挛覈?guó)完全失能患者群體日益龐大,其占我國(guó)人口總數(shù)的比重也呈上升趨勢(shì)。為了維持完全失能患者的日常生活,患者家庭和社會(huì)面臨沉重的負(fù)擔(dān)和嚴(yán)峻的考驗(yàn),如何幫助完全失能患者實(shí)現(xiàn)生活自理以及與外界的溝通和交流,是一個(gè)亟待解決的重大社會(huì)問(wèn)題。本文從頭部電磁信息的物理特性出發(fā),利用具有空間分布特征的磁信息和具有集中參數(shù)特征的電信息,包括用于定位舌動(dòng)的標(biāo)記磁信號(hào)、眼動(dòng)伴隨產(chǎn)生的生理電信號(hào)和大腦思維活動(dòng)伴隨產(chǎn)生的腦電、腦磁信號(hào),開(kāi)展了基于頭部電磁信息反演的人機(jī)交互系統(tǒng)控制指令提取方法研究。為了解決如何快速獲得高精度、多模式的控制指令等關(guān)鍵問(wèn)題,本文在理論研究的基礎(chǔ)上,利用仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,并開(kāi)展了輔助人機(jī)交互系統(tǒng)應(yīng)用研究：針對(duì)基于磁標(biāo)記舌機(jī)接口的入機(jī)交互系統(tǒng)控制指令提取面臨的快速性、高精度要求,提出了基于封閉解析解模型的快速高精度磁源定位方法；針對(duì)基于混合生理電信號(hào)的人機(jī)交互系統(tǒng)控制指令提取面臨的多模式要求,提出了基于單通道干電極生理電信號(hào)時(shí)/頻域信息的多模式特征信號(hào)識(shí)別方法；針對(duì)基于腦磁圖技術(shù)的人機(jī)交互系統(tǒng)控制指令提取面臨的高精度要求,提出了基于無(wú)旋空間磁場(chǎng)重構(gòu)的高精度磁源空間位置分布特征提取方法。論文主要研究?jī)?nèi)容包括：第1章,闡述了論文的研究背景與意義,詳細(xì)介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外服務(wù)于不同程度完全失能患者的輔助人機(jī)交互技術(shù),包括舌機(jī)接口、眼機(jī)接口和腦機(jī)接口,綜述了其控制指令提取方法的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向,提出了論文的主要研究?jī)?nèi)容。第2章,系統(tǒng)研究了基于電磁信息反演的特征信號(hào)提取方法的相關(guān)理論基礎(chǔ)。首先,針對(duì)磁標(biāo)記舌機(jī)接口中磁源空間分布特征信號(hào)提取,提出了基于封閉解析解模型的磁源定位方法：設(shè)計(jì)了磁源磁偶極矩方向固定機(jī)構(gòu),在此基礎(chǔ)上,提出了封閉解析解的磁源定位反解模型,并解決了反解模型的唯一解以及傳感器系統(tǒng)標(biāo)定等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了快速、高精度的磁源定位。其次,針對(duì)混合生理電信號(hào)人機(jī)交互的集中參數(shù)特征信號(hào)提取,提出了基于單通道干電極混合生理電信號(hào)時(shí)/頻域信息的多模式控制指令提取方法：基于時(shí)域幅值和時(shí)間參數(shù),設(shè)計(jì)了輕/重眨眼特征信號(hào)識(shí)別算法；基于頻域Alpha節(jié)律腦電波功率譜分布,設(shè)計(jì)了集中度腦電特征信號(hào)識(shí)別算法,實(shí)現(xiàn)了多模式生理電信號(hào)的特征提取。最后,針對(duì)基于腦磁圖技術(shù)的腦機(jī)接口中腦磁源空間分布特征信號(hào)提取,提出了基于空間磁場(chǎng)重構(gòu)的磁源空間分布特征提取方法：利用無(wú)源空間磁場(chǎng)的無(wú)旋特性,以標(biāo)量磁勢(shì)拉普拉斯方程作為重構(gòu)基本微分方程,以測(cè)量信息作為邊界條件開(kāi)展無(wú)旋磁場(chǎng)重構(gòu)研究；針對(duì)重構(gòu)過(guò)程,開(kāi)展了基于多項(xiàng)式擬合的邊界條件插值加密方法研究,以及基于磁源反解改善率和重構(gòu)磁場(chǎng)梯度分布的重構(gòu)信息篩選準(zhǔn)則研究；利用非線(xiàn)性?xún)?yōu)化理論求解磁源空間分布特征參數(shù),實(shí)現(xiàn)了高精度的磁源反演。第3章,基于電磁信息反演人機(jī)交互系統(tǒng)控制指令提取的理論研究,利用仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證研究。首先,以永磁體標(biāo)記磁源為研究對(duì)象,開(kāi)展基于封閉解析解模型的磁源定位方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,搭建磁源磁偶極矩方向豎直保持機(jī)構(gòu)以及傳感器測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了不同運(yùn)動(dòng)模式下,快速高精度磁源位置追蹤。其次,利用單通道干電極裝備搭建了生理電信號(hào)采集系統(tǒng),設(shè)計(jì)了面向個(gè)體差異性的特征信號(hào)識(shí)別參數(shù)預(yù)標(biāo)定范式,以肢體健全志愿者和肢體殘障志愿者為受試對(duì)象,開(kāi)展人體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最后,以具有通用性的磁偶極子模型為研究對(duì)象,開(kāi)展基于磁場(chǎng)重構(gòu)的磁源空間分布特征參數(shù)反演方法的仿真驗(yàn)證研究,表明了重構(gòu)過(guò)程對(duì)測(cè)量信息夾雜噪聲的平滑作用以及磁源定位精度的改善作用。第4章,基于頭部電磁信息反演提取的控制指令,開(kāi)展了輔助人機(jī)交互系統(tǒng)應(yīng)用研究。首先,基于單通道干電極設(shè)備獲得量化的眨眼誘發(fā)生理電信號(hào)強(qiáng)度,通過(guò)閾值判定提取控制指令,開(kāi)展基于眼機(jī)接口人機(jī)交互系統(tǒng)的電動(dòng)輪椅控制應(yīng)用研究。其次,基于本文提出的混合生理電信號(hào)集中參數(shù)控制指令提取方法,開(kāi)展基于混合腦機(jī)接口的六自由度機(jī)械手控制應(yīng)用研究,并基于多模式控制指令提出了復(fù)合控制策略,提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平以及執(zhí)行效率。最后,針對(duì)基于腦磁圖技術(shù)的人機(jī)交互系統(tǒng)應(yīng)用,開(kāi)展基于空間磁場(chǎng)重構(gòu)的腦磁源反演方法研究,通過(guò)多項(xiàng)式擬合插值方法從測(cè)量所得稀疏頭表磁場(chǎng)分布獲得加密的邊界條件,實(shí)現(xiàn)頭外無(wú)旋空間磁場(chǎng)重構(gòu),并利用重構(gòu)磁場(chǎng)的梯度分布特性篩選獲得具有高保真度的重構(gòu)磁場(chǎng)信息,結(jié)合腦磁源反演非線(xiàn)性?xún)?yōu)化算法,為基于腦磁圖技術(shù)的人機(jī)交互系統(tǒng)提供更準(zhǔn)確的控制指令。第5章,總結(jié)了論文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn),并對(duì)未來(lái)的研究工作進(jìn)行了展望。

  本文關(guān)鍵詞：基于頭部電磁信息反演的人機(jī)交互系統(tǒng)控制指令提取方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。