BCICFES重建運動神經(jīng)系統(tǒng)的信號處理與控制關鍵技術研究.pdf

1、功能性電刺激(Functional Electrical Stimulation,FES)技術可幫助脊髓損傷或肢體運動功能缺失患者重建相應的外周神經(jīng)系統(tǒng)、恢復或改善肌肉動作功能,是目前神經(jīng)工程研究與康復醫(yī)學應用的前沿領域與重要發(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,不能聽從患者主觀運動意愿控制,使其自適應性差、易受干擾、難以學習掌握,嚴重制約了FES的治療效果,成為亟待解決的技術瓶頸問題。
　　 近年來興

2、起的腦-機接口(Brain-Computer Interface,BCI)技術使FES按照患者主觀運動意識控制的構想成為可能。通過BCI監(jiān)測、識別患者主觀肢體運動意識,以此產(chǎn)生相應的FES控制信號模式,實現(xiàn)患者自覺運動康復訓練。這種BCI控制FES(BCI Controls FES,BCICFES)的全新運動神經(jīng)重建技術引導了當前神經(jīng)康復工程研究的新潮流。本論文針對BCICFES重建運動神經(jīng)系統(tǒng)中BCI數(shù)據(jù)去噪、特征提取、主觀運動模式識

3、別和FES脈沖強度、觸發(fā)時序、反饋模型等信號處理與控制關鍵技術進行了較詳細的研究。在運用極能差(Extreme EnergyDifference,EED)、共空間模式(Common Spatial Pattern,CSP)濾波手段進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時去噪；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)絡構成自適應比例微積分(PID)控制器用于動態(tài)控制FES刺激模式及強度等方面提出了具有一定創(chuàng)新特色的方法,可為BCICFES運動神經(jīng)重建系統(tǒng)的實現(xiàn)提供較關鍵的技術支撐。
　　 本課題設計并完成了不同側向性的上肢想象動作誘發(fā)腦電實驗,經(jīng)六名受試者的BCICFES實驗證明:利用CSP模式濾波與遞歸信號篩選組合方法可以加強信號的空間區(qū)域特征、優(yōu)化篩選時-頻特征維數(shù),取得了平均識別率86.2％(最好達92.8％)的分類結果

5、;高頻校正算法可以實時去除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)絡算法自適應整定PID控制器可根據(jù)實際輸出與預設軌跡偏差在線優(yōu)化PID控制器的比例、積分和微分系數(shù),實現(xiàn)對FES裝置的自適應動態(tài)控制,明顯降低超調量、提高動作精度。
　　 研究結果表明,上述關鍵技術能夠有效地提高BCICFES運動神經(jīng)重建系統(tǒng)對患者主觀運動意愿的預測識別能力,增強系統(tǒng)的自適應與抗干擾性能,為實現(xiàn)患者自主運動康復、提高訓練