【摘要】：腦機接口是大腦與外部設(shè)備之間直接的連接通路。其中面向運動功能重建的腦機接口,通過對大腦運動區(qū)神經(jīng)信號進行分析,能夠?qū)崿F(xiàn)運動行為解碼,進而有望通過機械假肢、神經(jīng)電刺激調(diào)控等方式實現(xiàn)運動功能重建與修復,對于運動障礙患者具有重要意義。面向運動功能重建的腦機接口系統(tǒng)中,基于腦信號的運動行為解碼是最為關(guān)鍵的一環(huán)。用于運動解碼的腦信號包括頭皮腦電、局部場電位、神經(jīng)元峰電位等。其中,神經(jīng)元峰電位信號可以記錄單個神經(jīng)元的放電行為,信號中包含豐富的運動相關(guān)信息,有望實現(xiàn)準確的運動行為解碼,是較為理想的腦信號形式。然而,如何實現(xiàn)基于神經(jīng)元峰電位的高精度、高自由度運動解碼,仍是困難問題,需進一步研究。本文的研究目標為基于神經(jīng)元峰電位的運動解碼。與傳統(tǒng)直接解碼運動參數(shù)(如位置、速度等)的方法不同,本文研究從神經(jīng)元峰電位信號到肌肉發(fā)放信號的映射關(guān)系,通過準確解碼肌肉發(fā)放,有望實現(xiàn)更加精細和自然的運動控制。具體而言,本文以大鼠初級運動皮層的神經(jīng)元峰電位信號為對象,從肌電回歸和動作分類兩個角度實現(xiàn)了對大鼠上肢伸抓運動過程的解碼,主要研究內(nèi)容和貢獻如下:(1)建立大鼠神經(jīng)元峰電位運動解碼數(shù)據(jù)集,對大鼠進行了神經(jīng)元峰電位及肌電信號的同步采集,同時基于肌電回歸和動作分類兩個任務(wù)對數(shù)據(jù)集進行設(shè)計及標準化,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的映射模型,研究和構(gòu)建基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)的回歸器實現(xiàn)峰電位對肌電的回歸,擬合相關(guān)系數(shù)約為0.65。同時,研究和建立基于主成分分析與機器學習的分類模型實現(xiàn)了峰電位信號對上肢動作的識別,識別正確率約為95%。(3)在上述模型和方法的基礎(chǔ)上,建立峰電位信號的在線解碼系統(tǒng),實現(xiàn)實時運動解碼。綜上所述,本文實現(xiàn)了運動皮層神經(jīng)元信號對上肢肌肉信號的解碼,并搭建了完整的在線解碼系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)腦信號到肌電發(fā)放的準確解碼,值得進一步探索和研究。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN911.7;R318
【圖文】：

圖ｕ運動型腦機接口系統(tǒng)框架圖ｍ逡逑腦機接口中，一般通過電極實現(xiàn)腦部信號的測量，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［７］，如圖１．２所示。根據(jù)電極設(shè)置的部位，腦機接口逡逑分為植入式腦機接口和非植入式腦機口Ｗ。非植入式腦機接口中常用的信號有頭逡逑皮腦電信號（ＥＥＧ）邋［１５，１６］、功能性核磁成像（ｆＭＲＩ）邋［１７］、Ｐ３００誘發(fā)電位？等。非逡逑植入式腦機接口具有許多優(yōu)點，例如采集方式簡單、無手術(shù)風險，為實驗提供了逡逑很大的方便。它們可以幫助患有運動障礙的患者獲得基本的交流和運動控制的能逡逑力。然而，非植入式腦機接口中的信號一般較為微弱，同時時空分辨率低，易受逡逑６逡逑

肌肉解碼器結(jié)合神經(jīng)假體，可以實現(xiàn)手臂及手部的大范圍的靈活運動。２０１４年，逡逑Ｗｅｎｇｅｉ？團隊［１３］研發(fā)了一種機械框架來優(yōu)化神經(jīng)調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)在大鼠運動過程中對逡逑腿部運動學的高精確度控制。圖１．１（ａ）？為該閉環(huán)系統(tǒng)的框架圖，其結(jié)構(gòu)結(jié)合了運逡逑動信息和自動控制策略的實時監(jiān)控，集成了反饋模塊和預測模塊的并行循環(huán)結(jié)構(gòu)。逡逑在每一次腳擊之后，信號處理算法測量大鼠步驟高度�？刂平Y(jié)構(gòu)預測模塊由刺激逡逑的頻率和步高之間的線性關(guān)系進行闡述，并通過自適應(yīng)算法進行更新。該系統(tǒng)通逡逑過大鼠的運動狀態(tài)實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)控，使完全脊髓損傷的動物能夠以精確和流暢的方逡逑式爬上不同高度和長度的樓梯。除了治療潛力之外，該研究提供了一個概念和技逡逑９逡逑

利用腦機接口實現(xiàn)基于動作電位的腿部伸肌、屈肌解碼，預測猴子在行走過程中逡逑腿部的具體運動狀態(tài)，同時對猴子的脊髓神經(jīng)與腿部肌肉對應(yīng)的興奮神經(jīng)元實施逡逑同步電刺激，從而對猴子實施閉環(huán)電刺激來幫助其恢復，圖１．１（ｂ）為系統(tǒng)框架圖。逡逑最終實驗表明，基于腦機接口的閉環(huán)電刺激對患有脊髓損傷的猴子進行步態(tài)恢復逡逑有非常大的幫助。此外，系統(tǒng)的研究設(shè)備已被認證可以用于人類的研宄應(yīng)用，因逡逑此電刺激恢復神經(jīng)重塑的研究有望進行臨床驗證。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：2783960