基于运动想象脑-机接口的虚拟康复系统设计
发布时间：2021-09-02 07:09
运动想象脑-机接口（Motor Imagery Brain-Computer Interface,MI-BCI）直接将大脑的神经活动信号转化为计算机或外部设备的控制信号,不仅可以帮助肢体运动障碍人群实现对外部设备的有效控制,同时也为脑卒中患者康复治疗提供了新的策略。针对现有MI-BCI虚拟康复系统场景模式单一、反馈机制缺乏、个体适应性差、识别率低等缺陷,以及如何最大程度增强受试者运动神经的深度激活、加速运动神经功能重塑机制问题,本文旨在研究一种多模式刺激增强及神经反馈策略,应用到基于运动想象脑-机接口的虚拟康复系统中,以满足脑卒中软瘫期患者肢体康复训练需求。本文主要内容如下:首先,针对运动想象脑电信号（Electroencephalogram,EEG）的机理特点、采集方式进行分析,并对EEG信号进行预处理和时域、频域、空域多层次特征提取;考虑康复系统对运动意图识别的实时性要求,利用数名受试者对支持向量机和线性判别器模型的性能进行对比,确定系统最佳意图解析算法。其次,设计并搭建基于多模式刺激增强及多层次神经反馈的虚拟康复平台,通过分层设计理念集成三大核心模块:脑电信号采集及意图解析模块、...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外的脑-机接口技术在康复领域应用
燕山大学工学硕士学位论文-4-通大学[25]研发的如图1-3b)所示的基于运动想象的小车导航系统，能够有效促进患者受损脑区的功能恢复和运动神经重塑；再如，中国人民解放军信息工程大学[26]研究的基于脑控的机器人协同控制系统。脑-机接口技术在康复训练中的应用逐渐得到人们的认可，并成为当前研究的热点之一。a)天津大学明东团队神工一号b)上海交大BCI小车导航系统图1-3国内的脑-机接口技术在康复领域应用由此可见，目前关于运动想象的脑-机接口在康复领域中的应用在国内外均取得了较为丰硕的研究成果。另外部分研究证明，通过肢体运动想象方式的康复训练对于脑卒中患者运动功能康复具有很好的促进作用，并且可以发现将运动想象脑-机接口技术与虚拟现实技术进行融合具有更好的效果。1.2.2虚拟康复技术研究现状虚拟现实(VirtualReality,VR)是20世纪发展起来的一种借助计算机图形计算能力模拟出逼真的三维虚拟环境的仿真系统，其发展可追溯到IvanSuthedand首次发表题为“TheUltimateDisplay”论文[27]后不久JaronLanier正式提出“VirtualReality”的概念，进入21世纪后该技术便势如破竹般迅速发展。如今，虚拟现实借助其交互性、构想性、沉浸感强等特点[28]被广泛应用到教育、医疗、军事训练等多个领域。虚拟康复是虚拟现实技术在医疗康复领域的一个具体应用。简而言之，通过计算机图形技术营造出一个与现实世界媲美的虚拟仿真环境中，患者可以根据虚拟场景的变化和提示进行肢体、语言等的交互。虚拟场景不仅为患者提供多种感觉器官的刺激反馈，调动患者康复训练的积极性[29]。同时，患者也可将在虚拟场景中学得的运动技能应用到实际生活。将VR技术应用于脑卒中康复训练已被证明是一项成功的应用。西班牙Valladolid大学[30]开发的一
第1章绪论-5-想象生活中的一些类似裤子与衣柜，人与房子这样相关性物体运动；Bermudez等[31]人研发的用于上肢运动神经康复训练的VR系统，患者通过想象左右手来控制场景中的虚拟肢体完成接球任务。随着计算机水平的提高，国内虚拟康复技术迅速发展。清华大学高小榕[32]团队设计的基于BCI的虚拟康复平台，如图1-4a)所示，通过设计虚拟人物和日常生活任务来提高患者的训练主动性，并通过实时虚拟场景进行反馈，能够调动患者运动想象的积极性，可以提升康复效果；再如，燕山大学学者魏秀利[33]等开发的基于肌电反馈的虚拟康复训练系统，如图1-4b)所示。该系统通过OpenGL搭建推箱子游戏作为虚拟场景来提高康复趣味性，对提取的肌电信号进行意图解析实现对虚拟场景中箱子的控制；除此此外，众多的科研机构和公司也在进行虚拟康复方面的研究[34-35]。a)清华大学基于BCI虚拟康复平台b)燕山大学的虚拟康复训练系统图1-4虚拟现实技术在康复领域应用虚拟场景为康复提供丰富、逼真的虚拟康复场景，传统的运动康复疗法是运动康复的临床基础，但枯燥无味。如何合理将虚拟场景与传统康复运动疗法进行优势互补融合是虚拟康复需要考虑的核心问题。一方面，虚拟康复不需要医师过多指导即可完成康复训练，可以缓解医师资源缺乏现状；另一方面，可以为患者提供视、听、触觉等多层次生理反馈以及可视化的训练数据；总之，虚拟康复的出现打破了传统康复治疗中出现的康复场所受限、康复医师缺乏、康复枯燥乏味等局限性，使得患者可以在医院、家庭、疗养院等多个场所完成康复训练。1.2.3BCI反馈机制研究现状受试者一般很难获得自己运动想象的感觉，于是受试者更倾向于通过想象移动他们的手或腿的方式进行运动想象。因此，如何有效的提高受试者执行运动想象任
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于上肢康复机器人的人机交互软件系统设计与实现[J]. 孟巧玲,汪晓铭,郑金钰,周深,孙梦真,喻洪流. 中华物理医学与康复杂志. 2019 (05)
[2]脑-机接口技术在神经康复中的应用进展[J]. 刘德扬,秦建平. 健康之路. 2018(11)
[3]多模式刺激下运动想象脑电信号的特征调制研究[J]. 赵丽,李小芹,边琰,王宣方,杨耿煌. 生物医学工程学杂志. 2018(03)
[4]耳鸣的神经生物反馈疗法[J]. 赵泽祺,雷冠雄,李雅兰,张铎,申卫东,杨仕明,乔月华. 临床耳鼻咽喉头颈外科杂志. 2018(03)
[5]四类运动想象脑电信号的特征提取与分类[J]. 徐欣,王娜. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2017(06)
[6]基于MI-BCI的上肢在线运动康复原型系统[J]. 李明爱,罗新勇,崔燕,杨金福. 北京生物医学工程. 2017(03)
[7]中国脑卒中患病率、发病率和死亡率调查结果发表[J]. 孙海欣,王文志. 中华神经科杂志. 2017 (05)
[8]基于Unity3D的三维页游的设计与实现[J]. 张海程,李效伟,郭玮玮,张萌,庄绪姣,车统统. 微型机与应用. 2016(05)
[9]基于虚拟现实环境的脑机接口技术研究进展[J]. 孔丽文,薛召军,陈龙,何峰,綦宏志,万柏坤,明东. 电子测量与仪器学报. 2015(03)
[10]中医分期治疗中风偏瘫研究现状[J]. 何邦睿. 实用中医药杂志. 2014(11)
硕士论文
[1]基于脑肌电反馈的虚拟康复系统研究[D]. 魏秀利.燕山大学 2015
本文编号：3378567
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外的脑-机接口技术在康复领域应用
燕山大学工学硕士学位论文-4-通大学[25]研发的如图1-3b)所示的基于运动想象的小车导航系统，能够有效促进患者受损脑区的功能恢复和运动神经重塑；再如，中国人民解放军信息工程大学[26]研究的基于脑控的机器人协同控制系统。脑-机接口技术在康复训练中的应用逐渐得到人们的认可，并成为当前研究的热点之一。a)天津大学明东团队神工一号b)上海交大BCI小车导航系统图1-3国内的脑-机接口技术在康复领域应用由此可见，目前关于运动想象的脑-机接口在康复领域中的应用在国内外均取得了较为丰硕的研究成果。另外部分研究证明，通过肢体运动想象方式的康复训练对于脑卒中患者运动功能康复具有很好的促进作用，并且可以发现将运动想象脑-机接口技术与虚拟现实技术进行融合具有更好的效果。1.2.2虚拟康复技术研究现状虚拟现实(VirtualReality,VR)是20世纪发展起来的一种借助计算机图形计算能力模拟出逼真的三维虚拟环境的仿真系统，其发展可追溯到IvanSuthedand首次发表题为“TheUltimateDisplay”论文[27]后不久JaronLanier正式提出“VirtualReality”的概念，进入21世纪后该技术便势如破竹般迅速发展。如今，虚拟现实借助其交互性、构想性、沉浸感强等特点[28]被广泛应用到教育、医疗、军事训练等多个领域。虚拟康复是虚拟现实技术在医疗康复领域的一个具体应用。简而言之，通过计算机图形技术营造出一个与现实世界媲美的虚拟仿真环境中，患者可以根据虚拟场景的变化和提示进行肢体、语言等的交互。虚拟场景不仅为患者提供多种感觉器官的刺激反馈，调动患者康复训练的积极性[29]。同时，患者也可将在虚拟场景中学得的运动技能应用到实际生活。将VR技术应用于脑卒中康复训练已被证明是一项成功的应用。西班牙Valladolid大学[30]开发的一
第1章绪论-5-想象生活中的一些类似裤子与衣柜，人与房子这样相关性物体运动；Bermudez等[31]人研发的用于上肢运动神经康复训练的VR系统，患者通过想象左右手来控制场景中的虚拟肢体完成接球任务。随着计算机水平的提高，国内虚拟康复技术迅速发展。清华大学高小榕[32]团队设计的基于BCI的虚拟康复平台，如图1-4a)所示，通过设计虚拟人物和日常生活任务来提高患者的训练主动性，并通过实时虚拟场景进行反馈，能够调动患者运动想象的积极性，可以提升康复效果；再如，燕山大学学者魏秀利[33]等开发的基于肌电反馈的虚拟康复训练系统，如图1-4b)所示。该系统通过OpenGL搭建推箱子游戏作为虚拟场景来提高康复趣味性，对提取的肌电信号进行意图解析实现对虚拟场景中箱子的控制；除此此外，众多的科研机构和公司也在进行虚拟康复方面的研究[34-35]。a)清华大学基于BCI虚拟康复平台b)燕山大学的虚拟康复训练系统图1-4虚拟现实技术在康复领域应用虚拟场景为康复提供丰富、逼真的虚拟康复场景，传统的运动康复疗法是运动康复的临床基础，但枯燥无味。如何合理将虚拟场景与传统康复运动疗法进行优势互补融合是虚拟康复需要考虑的核心问题。一方面，虚拟康复不需要医师过多指导即可完成康复训练，可以缓解医师资源缺乏现状；另一方面，可以为患者提供视、听、触觉等多层次生理反馈以及可视化的训练数据；总之，虚拟康复的出现打破了传统康复治疗中出现的康复场所受限、康复医师缺乏、康复枯燥乏味等局限性，使得患者可以在医院、家庭、疗养院等多个场所完成康复训练。1.2.3BCI反馈机制研究现状受试者一般很难获得自己运动想象的感觉，于是受试者更倾向于通过想象移动他们的手或腿的方式进行运动想象。因此，如何有效的提高受试者执行运动想象任
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于上肢康复机器人的人机交互软件系统设计与实现[J]. 孟巧玲,汪晓铭,郑金钰,周深,孙梦真,喻洪流. 中华物理医学与康复杂志. 2019 (05)
[2]脑-机接口技术在神经康复中的应用进展[J]. 刘德扬,秦建平. 健康之路. 2018(11)
[3]多模式刺激下运动想象脑电信号的特征调制研究[J]. 赵丽,李小芹,边琰,王宣方,杨耿煌. 生物医学工程学杂志. 2018(03)
[4]耳鸣的神经生物反馈疗法[J]. 赵泽祺,雷冠雄,李雅兰,张铎,申卫东,杨仕明,乔月华. 临床耳鼻咽喉头颈外科杂志. 2018(03)
[5]四类运动想象脑电信号的特征提取与分类[J]. 徐欣,王娜. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2017(06)
[6]基于MI-BCI的上肢在线运动康复原型系统[J]. 李明爱,罗新勇,崔燕,杨金福. 北京生物医学工程. 2017(03)
[7]中国脑卒中患病率、发病率和死亡率调查结果发表[J]. 孙海欣,王文志. 中华神经科杂志. 2017 (05)
[8]基于Unity3D的三维页游的设计与实现[J]. 张海程,李效伟,郭玮玮,张萌,庄绪姣,车统统. 微型机与应用. 2016(05)
[9]基于虚拟现实环境的脑机接口技术研究进展[J]. 孔丽文,薛召军,陈龙,何峰,綦宏志,万柏坤,明东. 电子测量与仪器学报. 2015(03)
[10]中医分期治疗中风偏瘫研究现状[J]. 何邦睿. 实用中医药杂志. 2014(11)
硕士论文
[1]基于脑肌电反馈的虚拟康复系统研究[D]. 魏秀利.燕山大学 2015
本文编号：3378567
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