基于脑电和功能性电刺激的中风康复系统的研究

论文摘要

脑机接口（brain-computer-interface）是近些年来发展很快的一个领域,它是一种不依赖于脑的正常通路（大脑—中枢神经系统—外周神经—骨骼肌）,只通过脑电信号来实现人脑与计算机或其他外围设备的控制和通讯的方法,脑机接口的出现,向大脑思维正常但有肢体运动功能障碍的肢体瘫痪病人提供了可以通过大脑思维来直接控制外周设备一种可用方式。功能能性电刺激（Functional electrical stimulation FES）技术是通过电刺激手段,采用精确的刺激顺序和刺激强度来激活轻瘫或瘫痪的肢体肌肉,使肢体瘫痪患者可以具有一定运动功能的康复理疗技术。本文针对由于中风偏瘫病人的运动障碍,进行了基于脑机接口技术和功能性电刺激技术的中风康复系统的研究。本研究将BCI和FES结合,对整个系统进行了方案设计:将大脑由于想象肢体运动而产生的事件相关同步电位和事件相关去同步电位信息作为控制命令来控制FES对肢体进行刺激,并最终实现一些康复效果,使肢体能够完成某种特殊动作。本课题的研究重点是:通过对脑机接口技术基础理论研究,对脑电信息进行信号处理,实现脑电信号的预处理,并对运动想象信息进行特征提取和分类;在功能性电刺激原理的基础上,应用现代ARM微处理器技术,并采用嵌入式μC/OS-Ⅱ操作系统做为功能性电刺激系统的软件开发平台,通过编写系统任务简化了软件开发过程。该电刺激系统采用STM32F103ZCT6作为核心控制器,并采用彩色液晶屏设计显示功能,可以通过按键实现刺激参数确定、刺激通道控制。可以调节的参数有刺激时间,刺激频率,以及占空比。在联机模式时,可以通过USB与上位机通信,接受控制指令,对刺激通道进行控制。此外,本文还对脑电采集进行了一些研究,并设计了简易的脑电采集模块。通过实验研究表明,FES系统在控制命令下能够刺激实现肢体运动,说明了将脑机接口技术与FES结合设计中风康复系统的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 脑机接口与功能电刺激的理论基础
• 2.1 中风康复的医学理论基础
• 2.1.1 神经可塑性理论
• 2.1.2 神经功能重塑机制
• 2.1.3 神经功能重塑的因素
• 2.2 脑机接口技术
• 2.2.1 脑电信号采集技术
• 2.2.2 脑机接口中应用的脑电活动现象
• 2.2.3 脑机接口系统中脑电信号的处理
• 2.2.4 反馈环节对BCI 系统的影响
• 2.2.5 康复与脑机接口
• 2.3 功能性电刺激的基本原理
• 2.3.1 功能性电刺激的定义
• 2.3.2 功能性电刺激原理
• 2.3.3 功能性电刺激的物理特性
• 2.3.4 功能性电刺激的治疗作用
• 2.3.5 功能性电刺激在中风康复系统中的应用
• 2.3.6 功能性电刺激的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 脑电数据分析
• 3.1 脑电的数据处理分析
• 3.2 脑电信号的预处理
• 3.2.1 应用ICA 对脑电信号进行预处理的理论基础
• 3.2.2 应用ICA 对脑电信号进行预处理
• 3.3 运动想象脑电信号的特征提取与分类
• 3.3.1 ERD/ERS
• 3.3.2 共空域子空间分解（CSSD）
• 3.3.3 支持向量机（SVM）
• 3.3.4 实验数据分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 脑电采集电路及电刺激仪的设计
• 4.1 结合BCI 与FES 的中风康复系统硬件设计
• 4.1.1 微处理器单元
• 4.1.2 电源系统
• 4.1.3 电刺激电路设计
• 4.1.4 液晶显示模块以及触摸屏控制
• 4.2 系统软件设计
• 4.2.1 软件设计基础概述
• 4.2.2 STM32 处理器固件库及外设功能简介与程序设计
• 4.2.3 μC/OSⅡ操作系统简介
• 4.2.4 基于STM32 处理器的μC/OSⅡ操作系统的移植
• 4.3 本章小结
• 第5章 功能性电刺激实现以及与BCI 的结合
• 5.1 功能性电刺激的实现
• 5.1.1 参与腕关节和踝关节运动的肌群和神经
• 5.1.2 功能性电刺激实验
• 5.2 脑机接口与功能性电刺激的结合
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介