增強(qiáng)型模式識(shí)別及同步比例控制肌電人機(jī)接口研究.pdf

1、肌電信號(hào)控制多功能假肢是人機(jī)接口研究的典范，主要有兩大研究方向：模式識(shí)別肌電人機(jī)接口和同步比例控制肌電人機(jī)接口。針對(duì)模式識(shí)別肌電人機(jī)接口，雖然理想實(shí)驗(yàn)條件下健康受試者10類動(dòng)作的分類錯(cuò)誤率可達(dá)5%以下，但是模式識(shí)別肌電假肢的臨床應(yīng)用和商業(yè)影響依然非常有限。造成這一局面的主要原因有：1.健康受試者與截肢患者之間的巨大差異，如截肢患者產(chǎn)生的肌電信號(hào)質(zhì)量較差；2.理想實(shí)驗(yàn)條件與假肢日常使用環(huán)境之間的截然不同，如實(shí)際應(yīng)用中電極移位、疲勞和長時(shí)間

2、使用等（本文主要針對(duì)電極移位）造成的肌電信號(hào)變化，都會(huì)造成分類錯(cuò)誤率較高。針對(duì)同步比例控制肌電人機(jī)接口，由于無經(jīng)驗(yàn)截肢患者產(chǎn)生的肌電信號(hào)質(zhì)量較差，其在線控制的性能仍處于一個(gè)較低的水平。最后，針對(duì)手部部分截肢患者，由于其手腕功能依然完好，手腕動(dòng)作會(huì)影響采集到的肌電信號(hào)。針對(duì)上述4個(gè)問題，分別從“人”（即信號(hào)源）和“機(jī)”（即算法）兩個(gè)層面來增強(qiáng)肌電人機(jī)接口的性能。通過經(jīng)顱直流電刺激、共空域模式和平穩(wěn)子空間分析等方法，在數(shù)十次的截肢患者和健康

3、受試者的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上開展了如下工作：
　?。ㄒ唬┽槍?duì)截肢患者模式識(shí)別肌電控制性能較低的問題，提出了一種基于經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation,tDCS）的增強(qiáng)型模式識(shí)別肌電人機(jī)接口方法。該方法利用tDCS可提高腦運(yùn)動(dòng)區(qū)皮層活性的特點(diǎn)，通過對(duì)殘肢對(duì)應(yīng)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)進(jìn)行tDCS，提高殘肢的肌電信號(hào)質(zhì)量，提升接口的控制性能。該接口在6位截肢患者的測試結(jié)果表明，tDCS可以顯著降低截肢患

4、者的殘肢11類幻肢動(dòng)作的分類錯(cuò)誤率10.1%，使分類錯(cuò)誤率降低到可用的水平（<20%）。該方法將有助于大幅減少截肢患者使用模式識(shí)別肌電假肢的學(xué)習(xí)時(shí)間。
　?。ǘ┰摲椒ㄟM(jìn)一步拓展應(yīng)用于無經(jīng)驗(yàn)截肢患者在線同步比例肌電控制，提出了一種基于tDCS的增強(qiáng)型同步比例控制肌電人機(jī)接口。6位無經(jīng)驗(yàn)截肢患者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，tDCS可以顯著地提高在線同步比例肌電控制的性能到一個(gè)可接受的水平，可以作為在短時(shí)間內(nèi)提高在線同步比例肌電控制性能的一種有效

5、方法。
　　（三）針對(duì)假肢接受腔穿戴過程中的電極移位，用兩種方式的多類共空域模式（common spatial patterns,CSP），即一對(duì)一（CSP-OvO）和一對(duì)其他（CSP-OvR），對(duì)高密度肌電信號(hào)進(jìn)行空間濾波，來增強(qiáng)模式識(shí)別肌電控制對(duì)于電極移位的魯棒性。9位健康受試者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CSP特征（CSP-OvO和CSP-OvR）相較于常用的三種特征（時(shí)域TD、時(shí)域自回歸TDAR和變異函數(shù)Variog），可以顯著地增強(qiáng)

6、模式識(shí)別肌電控制在電極移位時(shí)的魯棒性，可構(gòu)成基于共空域模式的增強(qiáng)型模式識(shí)別肌電人機(jī)接口。
　?。ㄋ模┽槍?duì)手部部分截肢患者，將模式識(shí)別和同步比例控制肌電人機(jī)接口結(jié)合，通過一個(gè)開關(guān)模型（包括1個(gè)分類器和14個(gè)狀態(tài)空間模型），對(duì)其在不同手腕動(dòng)作下的單手指連續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解碼。6位健康受試者和2位手部部分截肢患者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本開關(guān)模型的有效性。進(jìn)一步提出類別化平穩(wěn)子空間分析（class-wise stationary subspace a