基于脑机接口技术的偏瘫辅助康复系统的研制

论文题目: 基于脑机接口技术的偏瘫辅助康复系统的研制

论文类型: 硕士论文

论文专业: 生物医学工程

作者: 王娅

导师: 王明时

关键词: 脑机接口,功能性电刺激,脑电信号,偏瘫

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 脑机接口(brain-computer interface,BCI)是近十年发展起来的一种新颖的人机接口方式。它是不依赖于脑的正常输出通路(外周神经系统及肌肉组织)的脑-机(计算机或其它装置)通讯系统。脑机接口的一个重要途径是为那些思维正常但有严重功能障碍的患者提高语言交流和环境控制途径,提高其生存质量。对于失神经控制的患者,可以采用功能性电刺激仪(Functional electrical stimulation FES)产生电刺激,利用神经细胞对电刺激的响应来传递外加的人工控制信号,通过外电流的作用使神经细胞能产生一个与自然激发引起的动作电位完全一样的神经冲动,使其支配的肌肉纤维产生收缩,从而获得运动的效果。本文针对中枢神经系统受到损伤,外周神经保持良好的偏瘫病人开展了基于脑机接口技术的偏瘫病人辅助康复系统的研究。本研究将BCI与FES相结合,提出了整个系统的设计方案:将大脑因为想象肢体运动产生的事件相关同步电位和事件相关去同步电位转化为FES的控制命令,控制FES对肢体进行刺激,同时刺激过程产生的运动、感觉信息经完好的外周神经通路反馈给大脑,也就完成对损伤中枢的刺激,加速其自身的康复过程,提高康复质量。本文在电刺激原理的基础上,结合现代微处理技术和集成电路技术,并采用模块化的软件设计,研制了智能化功能性电刺激仪。该电刺激仪采用ADuC832单片机和CPLD作为控制核心,带有液晶显示功能,能够通过触摸键盘实现参数设定、数值显示、多通道独立输出控制。参数包括输出脉冲的频率、宽度、幅度、刺激时间以及通道输出间隔时间。并可将设定好的参数存储,成为预置模式,方便下一次的使用。在联机模式下,通过串口与上位机通信,接受控制命令,调用预置模式下各通道的参数,进行刺激。脑机接口的实验表明,脑电信号分类正确率达到90%,FES系统在控制命令下能够刺激控制肢体运动的神经与肌肉群,证明了本文提出的将BCI与FES相结合的系统设计方案是可行的,这样的系统将是恢复神经功能障碍的一种很有应用前景的技术,本研究为未来的临床应用起到了探索的作用。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 脑机接口的基本概念及研究意义

1.2.1 脑机接口的基本概念

1.2.2 研究意义

1.3 脑机接口研究方法及国内外研究现状

1.3.1 脑电信号简介

1.3.2 脑机接口的研究方法

1.3.3 国内外研究现状及存在问题

1.4 功能性电刺激作用、应用及进展

1.4.1 功能性电刺激的作用

1.4.2 功能性电刺激的应用

1.4.3 功能性电刺激的研究进展

1.5 本文研究的目的及研究内容

1.5.1 研究目的

1.5.2 主要研究内容

第二章 基于脑机接口技术的偏瘫病人辅助康复系统整体设计

2.1 引言

2.2 基本原理

2.2.1 ERS/ERD脑电信号用于脑机接口的原理

2.2.2 功能性电刺激原理

2.3 脑机接口中脑电信号的提取与识别方法

2.3.1 时频分析技术

2.3.2 小波变换技术

2.3.3 人工神经网络技术

2.3.4 自适应滤波技术

2.3.5 盲信号分离技术

2.3.6 其他方法

2.4 基于ERD/ERS脑电信号的脑机接口系统设计

2.4.1 脑机接口系统的一般构成

2.4.2 系统整体设计

2.4.3 信号采集实验系统的构建

2.5 本章小结

第三章 功能性电刺激仪硬件系统设计

3.1 引言

3.2 硬件系统框图

3.3 ADuC832 单片机及外围电路

3.3.1 可编程器件的配置和电路设计

3.3.2 单片机与CPLD之间的SPI串行通信接口

3.3.3 系统人机交互部分——液晶显示模块与触摸键盘

3.4 电源与升压电路

3.4.1 电源电路

3.4.2 升压电路

3.5 本章小结

第四章 功能性电刺激仪软件系统设计

4.1 软件环境

4.1.1 单片机系统集成开发环境Keil μVision2

4.1.2 可编程逻辑器件集成开发环境MAX＋plus II 10.0

4.2 系统软件的结构设计

4.2.1 软件主程序流程介绍

4.2.2 初始化参数流程

4.2.3 参数和页面设置流程

4.2.4 系统主页面下按键响应流程

4.2.5 模式页面下按键响应流程

4.2.6 通道选 择页面下按键响应流程

4.2.7 参数设置页面下按键响应流程

4.3 系统软件功能模块

4.3.1 软件模块设计概述

4.3.2 4x4 触摸键盘控制模块

4.3.3 液晶控制模块

4.3.4 FLASH读写模块

4.3.5 串口通讯模块

4.3.6 SPI通讯模块

4.3.7 刺激脉冲生成模块

4.4 本章小结

第五章 脑机接口实验研究

5.1 基于ERD/ERS脑电信号的脑机接口实验

5.1.1 实验方法

5.1.2 具体实验方案

5.2 功能性电刺激仪刺激神经肌肉实验

5.2.1 脉冲刺激输出与负载关系实验

5.2.2 参与肘关节运动肌群及神经

5.2.3 刺激肘关节实验

5.3 ERD/ERS脑电信号控制FES实验

5.4 总结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

发布时间: 2007-04-17

参考文献

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相关论文

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