BCICFES重建運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)處理與控制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、功能性電刺激(Functional Electrical Stimulation,FES)技術(shù)可幫助脊髓損傷或肢體運(yùn)動(dòng)功能缺失患者重建相應(yīng)的外周神經(jīng)系統(tǒng)、恢復(fù)或改善肌肉動(dòng)作功能,是目前神經(jīng)工程研究與康復(fù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用的前沿領(lǐng)域與重要發(fā)展方向之一。但至今FES仍停留在患肢末端神經(jīng)刺激局部作用模式,不能聽(tīng)從患者主觀運(yùn)動(dòng)意愿控制,使其自適應(yīng)性差、易受干擾、難以學(xué)習(xí)掌握,嚴(yán)重制約了FES的治療效果,成為亟待解決的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。
　　 近年來(lái)興

2、起的腦-機(jī)接口(Brain-Computer Interface,BCI)技術(shù)使FES按照患者主觀運(yùn)動(dòng)意識(shí)控制的構(gòu)想成為可能。通過(guò)BCI監(jiān)測(cè)、識(shí)別患者主觀肢體運(yùn)動(dòng)意識(shí),以此產(chǎn)生相應(yīng)的FES控制信號(hào)模式,實(shí)現(xiàn)患者自覺(jué)運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。這種BCI控制FES(BCI Controls FES,BCICFES)的全新運(yùn)動(dòng)神經(jīng)重建技術(shù)引導(dǎo)了當(dāng)前神經(jīng)康復(fù)工程研究的新潮流。本論文針對(duì)BCICFES重建運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)中BCI數(shù)據(jù)去噪、特征提取、主觀運(yùn)動(dòng)模式識(shí)

3、別和FES脈沖強(qiáng)度、觸發(fā)時(shí)序、反饋模型等信號(hào)處理與控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較詳細(xì)的研究。在運(yùn)用極能差(Extreme EnergyDifference,EED)、共空間模式(Common Spatial Pattern,CSP)濾波手段進(jìn)行腦電思維信息空間解碼;利用高頻段肌電能量估算BCI腦電數(shù)據(jù)中低頻段的肌電干擾并實(shí)時(shí)去噪；采用誤差反向傳遞(Back Propagation,BP)和徑向基函數(shù)(Radial BasisFunction,RB

4、F)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成自適應(yīng)比例微積分(PID)控制器用于動(dòng)態(tài)控制FES刺激模式及強(qiáng)度等方面提出了具有一定創(chuàng)新特色的方法,可為BCICFES運(yùn)動(dòng)神經(jīng)重建系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供較關(guān)鍵的技術(shù)支撐。
　　 本課題設(shè)計(jì)并完成了不同側(cè)向性的上肢想象動(dòng)作誘發(fā)腦電實(shí)驗(yàn),經(jīng)六名受試者的BCICFES實(shí)驗(yàn)證明:利用CSP模式濾波與遞歸信號(hào)篩選組合方法可以加強(qiáng)信號(hào)的空間區(qū)域特征、優(yōu)化篩選時(shí)-頻特征維數(shù),取得了平均識(shí)別率86.2％(最好達(dá)92.8％)的分類(lèi)結(jié)果

5、;高頻校正算法可以實(shí)時(shí)去除BCI數(shù)據(jù)中低頻段的肌電噪聲,并保留其有用的腦電信息；兩種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法自適應(yīng)整定PID控制器可根據(jù)實(shí)際輸出與預(yù)設(shè)軌跡偏差在線優(yōu)化PID控制器的比例、積分和微分系數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)FES裝置的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)控制,明顯降低超調(diào)量、提高動(dòng)作精度。
　　 研究結(jié)果表明,上述關(guān)鍵技術(shù)能夠有效地提高BCICFES運(yùn)動(dòng)神經(jīng)重建系統(tǒng)對(duì)患者主觀運(yùn)動(dòng)意愿的預(yù)測(cè)識(shí)別能力,增強(qiáng)系統(tǒng)的自適應(yīng)與抗干擾性能,為實(shí)現(xiàn)患者自主運(yùn)動(dòng)康復(fù)、提高訓(xùn)練