异肢肌电信号控制肢体运动功能重建的算法与硬件实现

发布时间：2017-05-28 18:01

  本文关键词：异肢肌电信号控制肢体运动功能重建的算法与硬件实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国现有各类残疾人总数8000多万人,其中肢体残疾者超过2400万人,而这些肢残病人中相当一部分是因脊髓损伤和脑卒中导致的。二者的病因不同,脊髓损伤的病因是由于大脑到肢体的神经信号通路损伤,感觉与运动神经信号无法正常传导,导致损伤面以下身体瘫痪,即截瘫；而脑卒中是大脑神经组织受到损伤,不能产生控制运动的信号,导致受损伤的大脑控制的对侧身体瘫痪,即偏瘫。所以,研究截瘫和偏瘫的治疗方法具有重大的科学意义和临床应用价值。本课题组前期提出并研究了植入式微电子神经桥。取得了一系列的进展。但是植入式的神经电极存在需要手术植入和植入后易感染等问题。因此,课题组提出了将一种重要运动响应信号的体表肌电作为瘫痪肢体体表FES刺激源信号的创新思想,申请了微电子肌电桥的发明专利。本论文主要是完成基于微电子肌电桥的人体肢体功能重建系统的肌电识别模式的研究,最终实现控制端健康人实时带动受控端健康人完成抓握、腕伸、腕屈、指伸四类动作。首先,通过比较时域特征、自回归模型系数和样本熵特征的识别成功率和计算速率,确定选取时域特征作为识别的特征参数,并介绍线性判别分析的分类算法,实现抓握、腕伸、腕屈、指伸四类动作的识别,并在此基础上进行训练数据时不同发力方式对识别成功率的影响。其次,通过对肌电信号峰值识别生成刺激脉冲。在此,分别使用闽值不应期判断方法和斜率变号方法。最终结果用光栅图表示,每个光栅代表一个峰电位,并根据光栅图生成需要的刺激负脉冲。最后,对这两种方法进行总结和对比。然后,进行异肢肌电信号控制算法在微电子肌电桥中的嵌入式实现研究,将肌电识别算法和肌电实时编码算法分别植入STM32F407和STM32F103的系统中。最后,进行八通道微电子肌电桥系统肌电识别模式的联调实验,以及在肢体运动功能重建实验中的验证,实现健康人带动另一健康人实时完成抓握、腕伸、腕屈、指伸四类动作。
【关键词】：微电子神经肌电桥 功能性电刺激 模式识别 时域特征 峰值识别 嵌入式实现 肢体运动功能重建
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.4;R49
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-35
• 1.1 研究背景9-13
• 1.1.1 脊髓损伤9-10
• 1.1.2 脑卒中10-11
• 1.1.3 瘫痪肢体功能重建方法的介绍11-13
• 1.2 肢体运动生理学基础13-16
• 1.2.1 细胞的生物电现象13-15
• 1.2.2 肌电信号的产生机理15-16
• 1.3 功能性电刺激(FES)16-22
• 1.3.1 功能性电刺激简介16-19
• 1.3.2 功能性电刺激参数的选择19-22
• 1.4 国内外FES研发现状22-28
• 1.4.1 国外FES研发现状22-27
• 1.4.2 国内FES研发现状27-28
• 1.4.3 现有FES系统的不足28
• 1.5 本课题前期工作基础介绍28-32
• 1.5.1 微电子神经肌电桥理论28-31
• 1.5.2 本研究组前期相关课题进展31-32
• 1.6 本论文研究内容与目标32-35
• 第2章 八通道微电子神经肌电桥软硬件平台介绍35-43
• 2.1 前言35-37
• 2.2 八通道微电子神经肌电桥的软硬件平台介绍37-41
• 2.2.1 肌电探测模块37
• 2.2.2 探测手套模块37-38
• 2.2.3 八通道刺激器模块38-39
• 2.2.4 主控模块39-40
• 2.2.5 其他40-41
• 2.3 本章小结41-43
• 第3章 基于异肢肌电信号控制的肢体功能重建算法研究43-63
• 3.1 前言43-44
• 3.2 肌电信号特征提取44-52
• 3.2.1 信号加窗处理44-45
• 3.2.2 肌电信号的特征提取45-52
• 3.3 探测与激励通道映射算法的研究52-56
• 3.3.1 基于模式识别的分类算法的研究52-53
• 3.3.2 线性判别分析算法的理论53-55
• 3.3.3 线性判别分析的识别效果55-56
• 3.4 训练数据时不同发力方式对动作识别成功率的影响56-58
• 3.5 肌电信号实时编码算法的研究58-61
• 3.5.1 斜率变号判断检测峰电位方法58-60
• 3.5.2 阈值加不应期判断检测峰电位方法60-61
• 3.6 本章小结61-63
• 第4章 异肢肌电信号控制算法在微电子神经肌电桥中的嵌入式实现63-97
• 4.1 前言63-68
• 4.1.1 集成开发环境介绍63
• 4.1.2 STM32F4标准外设库应用63-67
• 4.1.3 调试平台DevKit407开发板介绍67-68
• 4.2 运用MATLAB对探测与激励通道映射算法的仿真68-70
• 4.3 运用MATLAB对实时编码算法的仿真70-80
• 4.3.1 肌电信号的峰电位检测及刺激波形的生成70-80
• 4.3.2 两种检测峰电位方法的总结和比较80
• 4.4 异肢肌电信号控制算法在微电子神经肌电桥中的嵌入式实现80-94
• 4.4.1 各模块软件设计80-94
• 4.4.2 控制算法在系统中的嵌入式实现94
• 4.5 本章小结94-97
• 第5章 系统的联调测试与肢体功能重建实验97-111
• 5.1 前言97
• 5.2 系统联调测试97-101
• 5.2.1 四路信号A/D测试97-99
• 5.2.2 系统对四种动作模式识别的测试99-100
• 5.2.3 肌电信号编码测试100-101
• 5.3 系统在肢体功能重建实验中的验证101-110
• 5.3.1 仪器的连接和平台的搭建101-102
• 5.3.2 EMG电极的配置和肌电信号的采集102-109
• 5.3.3 实验结果与分析109-110
• 5.4 本章小结110-111
• 第6章 总结与展望111-113
• 6.1 总结111-112
• 6.2 展望112-113
• 参考文献113-120
• 硕士阶段发表论文120-121
• 致谢121

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