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基于样本熵与时频分析的手部抓握运动意图预测

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浙江大学学报（工学版） 2021年第12期55卷 2315-2322页

作者：许重宝张虹淼孙立宁李娟樊炎郭浩苏州大学江苏省先进机器人技术重点实验室江苏苏州215021

针对上肢外骨骼控制信号产生与外部设备响应存在时间滞后导致脑机接口(BCI)系统实时性差的问题,采集被试手部自主抓握前运动相关皮质电位(MRCP),提出基于非线性复杂度特征样本熵(SampEn)与线性幅值特征融合算法的手部运动意图预测方法.... 详细信息

针对上肢外骨骼控制信号产生与外部设备响应存在时间滞后导致脑机接口(BCI)系统实时性差的问题,采集被试手部自主抓握前运动相关皮质电位(MRCP),提出基于非线性复杂度特征样本熵(SampEn)与线性幅值特征融合算法的手部运动意图预测方法.从时频、神经复杂度分析不同大脑状态之间存在的差异,通过特征融合实现对手部抓握运动意图的预测.基于特征融合意图离线预测准确率最高可达88.46%,可以在人体手部自主运动发生时刻-1400 ms实现对手部运动预测.与平静时期手部静止状态相比,被试产生手部抓握运动意图时脑电信号的功率谱与复杂度均产生明显变化,为基于手部运动意图预测提前驱动机器人实现人机协同提供控制策略.

关键词：运动意图运动相关皮质电位非线性分析复杂度

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面向运动规划能力评估的脑电特征分析

信号处理 2023年第8期39卷 1433-1442页

作者：陈龙简初湘刘秀云许敏鹏王仲朋明东天津大学医学工程与转化医学研究院天津300072 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

运动规划涉及生活的方方面面,从拿起一个水杯到驾驶车辆时的应急处理,大脑无时无刻不在规划着运动的方式以获得最好的运动结果。运动规划能力的评估可以对运动员的选拔和运动规划障碍患者的诊断治疗提供重要的依据,但是传统的运动规划... 详细信息

运动规划涉及生活的方方面面,从拿起一个水杯到驾驶车辆时的应急处理,大脑无时无刻不在规划着运动的方式以获得最好的运动结果。运动规划能力的评估可以对运动员的选拔和运动规划障碍患者的诊断治疗提供重要的依据,但是传统的运动规划能力评估方法以行为学为主,经验不足的评估人员可能会得出不准确的结论。为了解决上述问题,本研究探索了基于脑电的运动规划能力评估方法,分别从时域、频域和非线性角度进行分析,提取了运动相关皮质电位(Movement-Related Cortical Potentials,MRCP)幅值,脑电功率谱密度(Power Spectral Density,PSD),脑电复杂度特征。通过相关性分析方法挖掘与行为学指标显著相关的脑电特征,发现FC4,C4及其周围导联的运动相关皮质电位幅值和反应时间呈显著负相关(FC4导联:ρ=-0.509,p=0.021;C4导联:ρ=-0.447,p=0.047),基于脑电功率谱密度计算的标准脑对称性指数(Standard Brain Symmetry Index,sBSI)和反应时间呈显著正相关(ρ=0.494,p=0.026),LZC(Lempel-Ziv Complexity)、模糊熵(Fuzzy Entropy,FuzzyEn)均与反应时间呈显著负相关(LZC:ρ=-0.626,p=0.015;FuzzyEn:ρ=-0.459,p=0.041)。研究结果表明MRCP幅值、sBSI、LZC和模糊熵可能成为评估运动规划能力的潜在生理靶标。综上,本研究结果有望为运动规划能力的评估提供方法学指导。

关键词：运动规划运动相关皮质电位脑电功率谱密度 LZC 模糊熵

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应用脑电图评估脑卒中后运动功能的研究进展

中华物理医学与康复杂志 2020年第4期42卷 381-384页

作者：陆双双王大明宋杰李莉张梦也许丽浙江中医药大学第三临床医学院杭州310053 浙江大学医学院附属第一医院康复医学科杭州310006 湖州师范学院附属第一医院康复医学科湖州313000 浙江中医药大学附属金华中医院康复医学科金华321017

脑卒中具有极高致残率,最常见的是运动功能缺损。与正常人相比,脑卒中患者在执行运动任务时的脑电图可表现出一些特征性的改变。本文从任务态脑电和静息态脑电2个方面展开综述,分析了大脑皮质锁相电位运动相关皮质电位(MRCPs)以及大脑... 详细信息

脑卒中具有极高致残率,最常见的是运动功能缺损。与正常人相比,脑卒中患者在执行运动任务时的脑电图可表现出一些特征性的改变。本文从任务态脑电和静息态脑电2个方面展开综述,分析了大脑皮质锁相电位运动相关皮质电位(MRCPs)以及大脑皮质非锁相电位事件相关去同步化/同步化电位(ERD/ERS),分别分析其在时域、频域及拓扑分布上的特征,以及传统静息态脑电和功能网络在运动功能评估方面的应用,旨在利用脑电技术从一个新的视角为理解疾病的病理生理机制、诊断治疗及预测预后提供理论依据。

关键词：脑卒中脑电图运动相关皮质电位事件相关同步化/去同步化功能网络运动功能预后

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基于频域和时域脑电特征解码自然抓握动作

传感器与微系统 2023年第1期42卷 67-70,74页

作者：张大林徐宝国宋爱国东南大学仪器科学与工程学院江苏南京210096

基于脑电(EEG)解码了与日常生活行为密切相关的3种自然抓握动作,分别是推拉、旋转和插拔抓握。设计了自然手部抓握运动的EEG诱发实验,并采集了5名受试者的EEG数据进行离线分析。神经生理学分析表明,3种自然手部抓握动作与不运动条件之... 详细信息

基于脑电(EEG)解码了与日常生活行为密切相关的3种自然抓握动作,分别是推拉、旋转和插拔抓握。设计了自然手部抓握运动的EEG诱发实验,并采集了5名受试者的EEG数据进行离线分析。神经生理学分析表明,3种自然手部抓握动作与不运动条件之间存在显著差异,且不同的抓握动作之间表现出不同的激活模式。多分类结果表明:仅使用时域EEG特征,4分类获得了46.1%的总体平均峰值分类正确率,而联合时域和频域特征,达到了49.9%。本文的发现有助于实现直观和自然的脑机接口(BCI)控制,也为上肢截肢者和先天性运动障碍患者的功能康复提供一条新途径。

关键词：脑机接口运动相关皮质电位脑电手部自然抓握解码

基于脑电的手部自然动作类型与运动参数解码研究

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基于脑电的手部自然动作类型与运动参数解码研究

作者：王勇东南大学

学位级别：硕士

脑机接口技术已经成功地应用于辅助设备的控制,例如神经假肢和机械臂等。目前基于手部动作的脑电图研究表明,这些技术在精确且自然的设备控制方面存在着不足。自然人机交互是人与机器人共融的核心,自然手部动作的脑电图解码对于运动障... 详细信息

脑机接口技术已经成功地应用于辅助设备的控制,例如神经假肢和机械臂等。目前基于手部动作的脑电图研究表明,这些技术在精确且自然的设备控制方面存在着不足。自然人机交互是人与机器人共融的核心,自然手部动作的脑电图解码对于运动障碍患者的手部功能康复和康复设备的控制具有重要意义。在本课题研究中,针对三种自然伸手抓握动作:指捏动作、掌握动作和旋拧动作,探索了利用运动相关皮质电位(MRCPs)解码动作类型和运动学信息的可能性,这些动作均涉及两种不同水平的施力速度和施力大小。本文的研究重点可以概况为两个方面。一方面,对四种不同运动参数下的手部运动类型进行脑电解码;另一方面,对三个动作的不同运动参数任务进行脑电解码。课题的核心工作包括:(1)提出实验研究框架,基于自然动作的抓握力信号和脑电信号采集需求进行实验系统搭建,开发上位机系统实现了软硬件平台的通信交互以及对用户的视觉和听觉提示。(2)设计运动相关任务脑电实验范式,招募被试展开脑电实验,并对采集到的离线脑电数据进行预处理,构建收缩线性判别分类器(s LDA)和黎曼均值最小距离分类器(MDRM)两种分类模型用于分类研究。(3)对被试的动作行为进行检测分析,统一动作执行时的关键时间点。对不同任务条件下,MRCPs信号的幅值调制和关键脑区的脑电图进行生理学分析。(4)基于s LDA的解码结果表明,分类运动类型的情况下,二分类和三分类的平均峰值精度分别可达83.44%和73.83%;在分类的不同运动运动学的情况下,二分类和四分类的平均峰值精度分别可达82.9%和58.2%。此外,本文还证明了在手缩回过程中解码手部运动的可行性。(5)在开始抓握时刻,基于MDRM的对运动类型和运动参数的二分类与多分类解码结果明显高于对应的概率机会水平,并且MDRM的多分类准确率相对s LDA有明显提升,动作类型的三分类最高结果为81.76%,运动参数的四分类最高结果为75.28%。基于运动学信息的自然动作解码研究对于BCI系统的应用具有重要意义。本文的发现为精细自然地控制神经假体或其他康复设备提供了新思路,这将极大地提高运动受损用户的接受度,有助于脑机接口系统未来的发展。

关键词：脑机接口手部自然动作解码运动学信息黎曼几何运动相关皮质电位

手指序列运动诱发脑电信息的编码范式与解码算法研究

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手指序列运动诱发脑电信息的编码范式与解码算法研究

作者：张珊珊天津大学

学位级别：硕士

脑-机接口（Brain Computer Interface,BCI）是一种不依赖于外周神经和肌肉组织的信息交互通道,其中基于大脑运动相关思维信息解码的BCI系统能够将主观运动意图转换为输出指令,建立起运动思维与肢体动作间的直接信息交互通路,在人体运... 详细信息

脑-机接口（Brain Computer Interface,BCI）是一种不依赖于外周神经和肌肉组织的信息交互通道,其中基于大脑运动相关思维信息解码的BCI系统能够将主观运动意图转换为输出指令,建立起运动思维与肢体动作间的直接信息交互通路,在人体运动功能康复、替代、增强等多方面具有重要科学意义与应用价值。然而,相关BCI技术还面临着两个瓶颈问题,一是指令集小,二是解码效率低。本文针对上述关键问题探究了基于手指序列按键的指令集扩展新范式与特征提取新方法,以期促进基于运动思维信息解码的BCI在智能控制与康复方面的快速发展。本文首先设计了左右食指重复按键范式,旨在探究单一试次中按键次数即数据长度对分类正确率的影响,10名健康受试者参与了本次实验。本文利用任务相关成分与判别空间模式空间滤波算法提取运动相关皮质电位（MRCP）特征、利用共空间模式空间滤波算法提取事件相关去同步（ERD）特征,基于互信息对上述特征进行筛选与融合,最后利用支持向量机进行分类识别。结果显示,随着数据长度的增加,分类正确率显著提升。数据长度为1秒时（单次按键）,其平均分类正确率可达90%以上。上述结果说明了增加单一试次中的按键次数可提升分类正确率。然后,在重复按键范式的基础上设计了左右食指序列按键实验,包括左→左、右→右、左→右、右→左四类动作任务模式,10名健康被试参与了本次实验。四分类平均正确率为77.15%。上述结果表明左右食指序列按键范式能够保证在较短指令时间内（仅为2 s）有效拓展指令集。最后,进行了左→左与右→右两类重复按键模式以及左→右与右→左两类序列按键模式的在线实验。共12名被试参与了在线实验,其中左→左与右→右按键动作的平均在线结果为83.33%;左→右与右→左按键动作的平均在线结果为82.71%。该结果验证了左右食指序列按键范式以及基于多类空间滤波算法与互信息分析的特征提取与筛选融合方法的可行性和有效性。综上,本文基于左右食指按键动作相继开展了重复按键与序列按键的离线和在线实验,利用基于空间滤波与互信息的特征提取与筛选方法实现了MRCP与ERD特征的有效提取、融合与分类,为提升运动相关思维脑电信息解码的BCI性能提供了理论依据和技术支持。

关键词：脑-机接口运动相关皮质电位事件相关去同步成分空间滤波算法特征筛选

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吞咽相关脑电分析研究进展

中国现代医生 2020年第14期58卷 188-192页

作者：陆双双王大明宋杰李莉张梦也许丽浙江中医药大学第三临床医学院康复医学与理疗学浙江杭州310053 浙江大学医学院附属第一医院康复医学科浙江杭州310006 浙江中医药大学附属金华中医院康复医学科浙江金华321017 湖州师范学院附属第一医院康复医学科浙江湖州313000

吞咽障碍在脑血管意外患者中具有较高的发病率,本文回顾国内外文献,从脑电角度阐述吞咽的病理生理机制,分析了口腔前期、口腔准备期、口腔期、咽期及食管期这五个吞咽分期以及运动想象任务下的相关皮质活动,包括事件相关电位、运动相关... 详细信息

吞咽障碍在脑血管意外患者中具有较高的发病率,本文回顾国内外文献,从脑电角度阐述吞咽的病理生理机制,分析了口腔前期、口腔准备期、口腔期、咽期及食管期这五个吞咽分期以及运动想象任务下的相关皮质活动,包括事件相关电位、运动相关皮质电位、皮层震荡以及功能连接脑网络,旨在利用脑电技术为理解疾病的病理生理机制、功能评估及诊断治疗提供一个新的视角.

关键词：吞咽脑电运动想象事件相关电位运动相关皮质电位事件相关去同步化/同步化功能连接