增強型模式識別及同步比例控制肌電人機接口研究.pdf

1、肌電信號控制多功能假肢是人機接口研究的典范，主要有兩大研究方向：模式識別肌電人機接口和同步比例控制肌電人機接口。針對模式識別肌電人機接口，雖然理想實驗條件下健康受試者10類動作的分類錯誤率可達5%以下，但是模式識別肌電假肢的臨床應(yīng)用和商業(yè)影響依然非常有限。造成這一局面的主要原因有：1.健康受試者與截肢患者之間的巨大差異，如截肢患者產(chǎn)生的肌電信號質(zhì)量較差；2.理想實驗條件與假肢日常使用環(huán)境之間的截然不同，如實際應(yīng)用中電極移位、疲勞和長時間

2、使用等（本文主要針對電極移位）造成的肌電信號變化，都會造成分類錯誤率較高。針對同步比例控制肌電人機接口，由于無經(jīng)驗截肢患者產(chǎn)生的肌電信號質(zhì)量較差，其在線控制的性能仍處于一個較低的水平。最后，針對手部部分截肢患者，由于其手腕功能依然完好，手腕動作會影響采集到的肌電信號。針對上述4個問題，分別從“人”（即信號源）和“機”（即算法）兩個層面來增強肌電人機接口的性能。通過經(jīng)顱直流電刺激、共空域模式和平穩(wěn)子空間分析等方法，在數(shù)十次的截肢患者和健康

3、受試者的實驗基礎(chǔ)上開展了如下工作：
　　（一）針對截肢患者模式識別肌電控制性能較低的問題，提出了一種基于經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation,tDCS）的增強型模式識別肌電人機接口方法。該方法利用tDCS可提高腦運動區(qū)皮層活性的特點，通過對殘肢對應(yīng)腦運動區(qū)進行tDCS，提高殘肢的肌電信號質(zhì)量，提升接口的控制性能。該接口在6位截肢患者的測試結(jié)果表明，tDCS可以顯著降低截肢患

4、者的殘肢11類幻肢動作的分類錯誤率10.1%，使分類錯誤率降低到可用的水平（<20%）。該方法將有助于大幅減少截肢患者使用模式識別肌電假肢的學習時間。
　?。ǘ┰摲椒ㄟM一步拓展應(yīng)用于無經(jīng)驗截肢患者在線同步比例肌電控制，提出了一種基于tDCS的增強型同步比例控制肌電人機接口。6位無經(jīng)驗截肢患者的實驗結(jié)果表明，tDCS可以顯著地提高在線同步比例肌電控制的性能到一個可接受的水平，可以作為在短時間內(nèi)提高在線同步比例肌電控制性能的一種有效

5、方法。
　　（三）針對假肢接受腔穿戴過程中的電極移位，用兩種方式的多類共空域模式（common spatial patterns,CSP），即一對一（CSP-OvO）和一對其他（CSP-OvR），對高密度肌電信號進行空間濾波，來增強模式識別肌電控制對于電極移位的魯棒性。9位健康受試者的實驗結(jié)果表明，CSP特征（CSP-OvO和CSP-OvR）相較于常用的三種特征（時域TD、時域自回歸TDAR和變異函數(shù)Variog），可以顯著地增強

6、模式識別肌電控制在電極移位時的魯棒性，可構(gòu)成基于共空域模式的增強型模式識別肌電人機接口。
　?。ㄋ模┽槍κ植坎糠纸刂颊?，將模式識別和同步比例控制肌電人機接口結(jié)合，通過一個開關(guān)模型（包括1個分類器和14個狀態(tài)空間模型），對其在不同手腕動作下的單手指連續(xù)運動進行解碼。6位健康受試者和2位手部部分截肢患者的實驗結(jié)果驗證了本開關(guān)模型的有效性。進一步提出類別化平穩(wěn)子空間分析（class-wise stationary subspace a