基于BCI的上肢辅助康复系统的研究与开发

论文摘要

脑机接口（Brain-Computer Interface,BCI）是一种不依赖于人的外周神经系统与肌肉组织,直接从大脑获取与外界通讯信息的全新人机接口方式。BCI研究的重要意义就是可以为那些有严重运动功能障碍但思维正常的人提供一种与外界环境进行交流和控制的途径。本文在充分比较分析了各类BCI系统使用性能的基础上,以运动想象为切入点,进行了一项探索性的研究工作。本研究将BCI技术与研制的一套基于ARM微处理器的辅助康复治疗仪相结合,提出了整个系统的设计方案:将想象左右手运动时大脑感觉运动区域产生的ERD/ERS电位转化为对辅助康复治疗仪的控制命令,在联机方式下,通过串口控制该辅助康复治疗仪进行相应的训练操作,提高康复的过程。该基于BCI的上肢辅助康复系统是由信号采集、信号处理和上肢辅助康复装置三大部分以及接口控制电路组成。其中,信号处理部分是BCI研究的核心。该部分,使用第二届国际BCI竞赛的相关公开数据,针对想象左右手运动脑电信号采用离散小波变换方法进行了特征提取;之后,在信号分类环节分别采用Fisher线性判别分析法和支持向量机方法进行分类。经过实验的分类比较,最终分类结果表明:支持向量机的分类误判率是最低的,能很好地识别出想象左右手运动两种意识任务,得到理想的分类效果。在上肢辅助康复装置部分,设计了一套以ARM微处理技术和集成电路技术为基础,结合模块化软件设计思想的辅助康复治疗仪。该治疗仪有两种工作方式,除了可以单独作为一种康复训练仪器由医护人员协助使用外,还可以用于联机方式,通过串口与BCI相结合,将被测试者的运动思维意识通过计算机及该仪器这条通路得以实现。从实验结果可以清楚地看到被测试者能够顺利完成大部分训练操作,并具有较高的成功率和稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 BCI 的基本概念及其分类
• 1.1.1 BCI 的基本概念
• 1.1.2 BCI 的分类
• 1.2 BCI 的研究方法及研究现状
• 1.2.1 EEG 的基本理论
• 1.2.2 基于EEG 的BCI 研究方法
• 1.2.3 BCI 的发展现状及进展
• 1.3 BCI 的研究意义
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 基于BCI 的上肢辅助康复系统的整体设计
• 2.1 BCI 系统的工作原理及其组成结构
• 2.1.1 信号采集部分
• 2.1.2 信号处理部分
• 2.1.3 上肢辅助康复装置部分
• 2.2 BCI 系统设计的性能评价准则
• 2.3 本章小结
• 第3章 想象左右手运动的BCI 实验
• 3.1 想象左右手运动的实验数据采集及描述
• 3.2 ERD/ERS 的特征描述
• 3.3 ERD/ERS 特征提取及结果
• 3.3.1 特征提取
• 3.3.2 实验步骤及结果
• 3.4 FISHER 线性判别分析
• 3.4.1 线性分类器原理
• 3.4.2 Fisher 线性分类器（FLDA）的设计
• 3.4.3 FLDA 分类步骤及结果
• 3.5 支持向量机的特征分类
• 3.5.1 统计学习理论
• 3.5.2 支持向量机的基本原理
• 3.5.3 核函数
• 3.5.4 SVM 分类步骤及结果
• 3.6 实验结果讨论
• 3.7 本章小结
• 第4章 上肢辅助康复系统的设计与实现
• 4.1 辅助康复系统的硬件设计
• 4.1.1 辅助康复系统的硬件框图
• 4.1.2 ARM 微控制器及外围电路
• 4.2 辅助康复系统的软件设计
• 4.2.1 软件设计概述
• 4.2.2 主程序流程图
• 4.2.3 主要模块的软件设计
• 4.3 ERD/ERS 控制辅助康复治疗仪实验
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介