【摘要】：運動想像腦機接口(Motor Imagery-based Brain Computer Interface,MI-BCI)技術在運動控制、神經(jīng)康復和特種工業(yè)環(huán)境下的智能作業(yè)等領域有著巨大的應用價值。MI-BCI技術由于其涉及到的神經(jīng)機制與運動密切相關,因此在提升患者的運動控制能力、腦區(qū)信息處理效率以及腦癱瘓康復訓練中能發(fā)揮重要作用。國內(nèi)外許多研究團隊均研發(fā)出了能夠?qū)崟r輸出控制命令的在線MI-BCI系統(tǒng),但是由于受腦電(Electroencephalogram,EEG)采集技術限制,便攜性差,操作繁瑣等因素的影響,大部分MI-BCI系統(tǒng)仍停留在實驗室階段。近年來,基于FPGA和ARM的便攜式平臺處理器性能有了很大的提升,其算法處理和運算速度都有革命性的突破,可以應對大部分BCI系統(tǒng)中的運算任務,為了促進MI-BCI技術的實用性發(fā)展,本文研發(fā)了一種便攜式MI-BCI系統(tǒng),系統(tǒng)采用FPGA和ARM相結合的多核異構處理器作為核心控制器,運行ARM Linux移動平臺操作系統(tǒng),實現(xiàn)了2類MI任務的實時控制和分類結果反饋,該系統(tǒng)操作簡便,體積小,可以與外骨骼機器人和電控輪椅等康復訓練輔助設備配合使用,能夠提升患者的生活質(zhì)量并進行康復訓練。本系統(tǒng)主要工作包括便攜式系統(tǒng)搭建、MI算法移植以及MI-BCI系統(tǒng)應用程序開發(fā)三大部分。其中便攜式系統(tǒng)搭建包括了基于FPGA的ADC控制器、IIR濾波器和FIFO存儲器的實現(xiàn)以及數(shù)據(jù)讀取設備驅(qū)動程序設計;MI算法移植部分主要完成了基于~2的特異性頻帶確定算法、共空間模式(Common Spatial Patterns,CSP)空間濾波器算法和線性判別式分析(Linear Discriminant Analysis,LDA)算法的C++移植。MI-BCI系統(tǒng)應用程序包含了EEG信號顯示程序和MI-BCI交互程序兩部分,實現(xiàn)了EEG信號采集與顯示、任務提示與反饋、訓練任務參數(shù)估計和測試任務實時分類反饋等功能。最后,為了測試該系統(tǒng)能否正常工作,對系統(tǒng)的FPGA數(shù)據(jù)采集、EEG信號顯示、IIR濾波、MI算法以及系統(tǒng)整體功能進行了測試,通過15名受試者進行MI-BCI實驗測試得到本系統(tǒng)的平均準確率為80.6%,測試結果表明,本系統(tǒng)能夠達到現(xiàn)有的基于PC平臺的系統(tǒng)同等水平的準確率,滿足現(xiàn)有的應用需求。
【圖文】：

如脊髓損傷、腦癱、肌萎縮側索硬化癥和鎖定綜合征等。這些患者的腦功能正常，但外周神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉組織受損，失去了自主性肌肉控制能力，無法與腦外世界良好溝通。許多研究表明，想像肢體運動或真正肢體運動時在大腦運動皮層都能檢測到腦電 μ 節(jié)律（8-12Hz）和 β 節(jié)律（16-25Hz），即感覺運動節(jié)律（SensorimoterRhythms,SMR），能量會降低，而想像結束后，能量又會升高。研究人員認為，這可能反應了對應腦區(qū)神經(jīng)元群同步性的降低或提升，分別稱之為事件相關去同步（ Event related de-synchronization ，， ERD ） 和 事 件 相 關 同 步 （ Event relatedsynchronization，ERS）[29,30]�，F(xiàn)有研究表示，ERD 現(xiàn)象能在大部分人進行 MI 時檢測到，而少部分人才能檢測到 ERS[31]。此外，想像不同部位的身體運動會在該身體部位相對應的感覺運動大腦皮層產(chǎn)生 ERD/ERS[32]。MI-BCI 系統(tǒng)的生理基礎是通過對大腦皮層不同區(qū)域的 ERD/ERS 信息的識別來確定受試者的運動意圖[33]。ERD 特性如圖 2-1 所示，由于對側效應，當左手進行 MI 時，位于大腦右半球的 C4電極采集到的感覺運動大腦皮層處的 SMR 的能量下降；相反，當右手進行 MI 時，位于大腦左半球的 C3 電極采集到的感覺運動大腦皮層處的 SMR 的能量下降。

圖 2-2 便攜式 MI-BCI 系統(tǒng)框架模塊采集模塊實物如圖 2-3 所示，包括 EEG 放大中電池、EEG 電極帽和電極線都是購買的現(xiàn)大器是在實驗室多年的研究基礎上修改的，其進行簡單的介紹。任務提示與反饋特征提取 模式分類
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP311.52;R496

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本文編號：2590435