基于单关节信息传输模型及预测控制的闭环脑机接口系统研究

发布时间：2023-02-08 07:53

　　脑机接口(brain-machineinterface,BMI)系统,可通过构建大脑与外部设备之间的信息传输通路,实现对外部设备的控制。该系统主要包括大脑、解码器、编码器和外部设备等环节,为恢复人类受损运动功能提供了一种有效方法,研究意义重大。本文基于单关节信息传输(single-j ointinformationtransmission,SJIT)模型,针对解、编码器的设计与对比、引入辅助控制器的闭环BMI系统构建以及SJIT模型的改进等内容展开研究,具体如下:1)针对大脑到人工假肢的信息通路构建问题,本文基于维纳滤波、卡尔曼滤波、BP神经网络原理分别设计了解码器,将大脑皮层运动相关区域平均放电率转化为人工假肢可以接受的关节合力矩信息。其中,解码器训练集和测试集通过SJIT模型获取。三种解码器的离线、在线测试结果表明,维纳滤波解码器性能最优。2)针对现有BMI系统运动功能恢复效果普遍不佳问题,本文首先对比了突触连接的积分放电神经元模型和随机连接的Izhikevich神经元模型的信息编码效率,并挑选编码效率更高的后者设计编码器,构建了从外界到大脑的人工反馈通路。其次,基于模型预测控制策...

【文章页数】：65 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 背景及研究意义
    1.2 发展概况与研究现状
        1.2.1 BMI技术发展概况
        1.2.2 BMI技术研究现状
    1.3 本文主要研究内容及创新点
    1.4 本文来源及内容安排
2 单关节信息传输模型与肢体运动分析
    2.1 神经元放电活动
    2.2 SJIT模型
    2.3 闭环BMI系统设计分析
    2.4 本章小结
3 解码器设计及性能分析
    3.1 数据集获取
    3.2 解码器设计
        3.2.1 维纳滤波解码器
        3.2.2 卡尔曼滤波解码器
        3.2.3 BP神经网络解码器
    3.3 解码器测试
    3.4 解码器在有无反馈通路时的表现
    3.5 本章小结
4 基于预测控制的闭环BMI系统设计
    4.1 人工反馈通路设计
        4.1.1 双相波电流
        4.1.2 编码器
    4.2 基于预测控制的闭环BMI系统设计
        4.2.1 模型预测控制基本原理
        4.2.2 基于模型预测控制的辅助控制器设计
        4.2.3 闭环BMI系统性能分析
    4.3 带有自适应功能的闭环BMI系统
        4.3.1 自适应维纳滤波解码器的设计
        4.3.2 带有自适应功能的闭环系统性能分析
    4.4 本章小节
5 单关节信息传输模型改进与BMI系统测试
    5.1 模型改进
    5.2 改进效果测试
        5.2.1 跟踪静态目标
        5.2.2 跟踪动态轨迹
    5.3 基于改进模型的闭环BMI系统
    5.4 本章小结
6 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间的研究成果



本文编号：3737613