發(fā)布時(shí)間：2020-08-07 11:53

【摘要】：腦機(jī)接口是大腦與外部設(shè)備之間直接的連接通路。其中面向運(yùn)動(dòng)功能重建的腦機(jī)接口,通過(guò)對(duì)大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行分析,能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)行為解碼,進(jìn)而有望通過(guò)機(jī)械假肢、神經(jīng)電刺激調(diào)控等方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能重建與修復(fù),對(duì)于運(yùn)動(dòng)障礙患者具有重要意義。面向運(yùn)動(dòng)功能重建的腦機(jī)接口系統(tǒng)中,基于腦信號(hào)的運(yùn)動(dòng)行為解碼是最為關(guān)鍵的一環(huán)。用于運(yùn)動(dòng)解碼的腦信號(hào)包括頭皮腦電、局部場(chǎng)電位、神經(jīng)元峰電位等。其中,神經(jīng)元峰電位信號(hào)可以記錄單個(gè)神經(jīng)元的放電行為,信號(hào)中包含豐富的運(yùn)動(dòng)相關(guān)信息,有望實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)行為解碼,是較為理想的腦信號(hào)形式。然而,如何實(shí)現(xiàn)基于神經(jīng)元峰電位的高精度、高自由度運(yùn)動(dòng)解碼,仍是困難問(wèn)題,需進(jìn)一步研究。本文的研究目標(biāo)為基于神經(jīng)元峰電位的運(yùn)動(dòng)解碼。與傳統(tǒng)直接解碼運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如位置、速度等)的方法不同,本文研究從神經(jīng)元峰電位信號(hào)到肌肉發(fā)放信號(hào)的映射關(guān)系,通過(guò)準(zhǔn)確解碼肌肉發(fā)放,有望實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)和自然的運(yùn)動(dòng)控制。具體而言,本文以大鼠初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)元峰電位信號(hào)為對(duì)象,從肌電回歸和動(dòng)作分類兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)了對(duì)大鼠上肢伸抓運(yùn)動(dòng)過(guò)程的解碼,主要研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)如下:(1)建立大鼠神經(jīng)元峰電位運(yùn)動(dòng)解碼數(shù)據(jù)集,對(duì)大鼠進(jìn)行了神經(jīng)元峰電位及肌電信號(hào)的同步采集,同時(shí)基于肌電回歸和動(dòng)作分類兩個(gè)任務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化,分別得到回歸數(shù)據(jù)集和分類數(shù)據(jù)集。(2)建立神經(jīng)元峰電位到肌電信號(hào)的映射模型,研究和構(gòu)建基于長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)的回歸器實(shí)現(xiàn)峰電位對(duì)肌電的回歸,擬合相關(guān)系數(shù)約為0.65。同時(shí),研究和建立基于主成分分析與機(jī)器學(xué)習(xí)的分類模型實(shí)現(xiàn)了峰電位信號(hào)對(duì)上肢動(dòng)作的識(shí)別,識(shí)別正確率約為95%。(3)在上述模型和方法的基礎(chǔ)上,建立峰電位信號(hào)的在線解碼系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)解碼。綜上所述,本文實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元信號(hào)對(duì)上肢肌肉信號(hào)的解碼,并搭建了完整的在線解碼系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)腦信號(hào)到肌電發(fā)放的準(zhǔn)確解碼,值得進(jìn)一步探索和研究。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN911.7;R318
【圖文】：

圖ｕ運(yùn)動(dòng)型腦機(jī)接口系統(tǒng)框架圖ｍ逡逑腦機(jī)接口中，一般通過(guò)電極實(shí)現(xiàn)腦部信號(hào)的測(cè)量，將電極設(shè)置在大腦的不同逡逑位置得到不同類型的腦部信號(hào)［７］，如圖１．２所示。根據(jù)電極設(shè)置的部位，腦機(jī)接口逡逑分為植入式腦機(jī)接口和非植入式腦機(jī)口Ｗ。非植入式腦機(jī)接口中常用的信號(hào)有頭逡逑皮腦電信號(hào)（ＥＥＧ）邋［１５，１６］、功能性核磁成像（ｆＭＲＩ）邋［１７］、Ｐ３００誘發(fā)電位？等。非逡逑植入式腦機(jī)接口具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如采集方式簡(jiǎn)單、無(wú)手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，為實(shí)驗(yàn)提供了逡逑很大的方便。它們可以幫助患有運(yùn)動(dòng)障礙的患者獲得基本的交流和運(yùn)動(dòng)控制的能逡逑力。然而，非植入式腦機(jī)接口中的信號(hào)一般較為微弱，同時(shí)時(shí)空分辨率低，易受逡逑６逡逑

肌肉解碼器結(jié)合神經(jīng)假體，可以實(shí)現(xiàn)手臂及手部的大范圍的靈活運(yùn)動(dòng)。２０１４年，逡逑Ｗｅｎｇｅｉ？團(tuán)隊(duì)［１３］研發(fā)了一種機(jī)械框架來(lái)優(yōu)化神經(jīng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)在大鼠運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)逡逑腿部運(yùn)動(dòng)學(xué)的高精確度控制。圖１．１（ａ）？為該閉環(huán)系統(tǒng)的框架圖，其結(jié)構(gòu)結(jié)合了運(yùn)逡逑動(dòng)信息和自動(dòng)控制策略的實(shí)時(shí)監(jiān)控，集成了反饋模塊和預(yù)測(cè)模塊的并行循環(huán)結(jié)構(gòu)。逡逑在每一次腳擊之后，信號(hào)處理算法測(cè)量大鼠步驟高度�？刂平Y(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模塊由刺激逡逑的頻率和步高之間的線性關(guān)系進(jìn)行闡述，并通過(guò)自適應(yīng)算法進(jìn)行更新。該系統(tǒng)通逡逑過(guò)大鼠的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)控，使完全脊髓損傷的動(dòng)物能夠以精確和流暢的方逡逑式爬上不同高度和長(zhǎng)度的樓梯。除了治療潛力之外，該研究提供了一個(gè)概念和技逡逑９逡逑

利用腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)作電位的腿部伸肌、屈肌解碼，預(yù)測(cè)猴子在行走過(guò)程中逡逑腿部的具體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)對(duì)猴子的脊髓神經(jīng)與腿部肌肉對(duì)應(yīng)的興奮神經(jīng)元實(shí)施逡逑同步電刺激，從而對(duì)猴子實(shí)施閉環(huán)電刺激來(lái)幫助其恢復(fù)，圖１．１（ｂ）為系統(tǒng)框架圖。逡逑最終實(shí)驗(yàn)表明，基于腦機(jī)接口的閉環(huán)電刺激對(duì)患有脊髓損傷的猴子進(jìn)行步態(tài)恢復(fù)逡逑有非常大的幫助。此外，系統(tǒng)的研究設(shè)備已被認(rèn)證可以用于人類的研宄應(yīng)用，因逡逑此電刺激恢復(fù)神經(jīng)重塑的研究有望進(jìn)行臨床驗(yàn)證。逡逑Ａ邋Ｍｏｔｏｒ邋ｓｔａｔｓ＆邋ｏｅｃｏｄｔｎＱ邋＿逡逑Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ邋ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ邐ｗ邐＃保rP停幔簦澹潁rP悖錚睿＃

本文編號(hào)：2783960