基于STM32和LabVIEW的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口研究.pdf

1、腦-機(jī)接口(Brain-computer Interface, BCI)是一種不依賴于腦的正常輸出通路的通訊系統(tǒng)。通過建立人腦與電子設(shè)備如計(jì)算機(jī)之間的直接通路,將大腦中產(chǎn)生的生理電信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成控制外部設(shè)備的命令,這樣就可以實(shí)現(xiàn)代替人類自然肢體或語(yǔ)言器官以新的途徑與外界進(jìn)行交流并可主動(dòng)的改變周遭的環(huán)境。康復(fù)醫(yī)學(xué)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域?qū)τ谀X機(jī)接口的巨大需求,將腦機(jī)接口推動(dòng)為熱門學(xué)科。然而,在達(dá)到美好的腦機(jī)接口應(yīng)用大量普及的未來之前,全世界多數(shù)

2、腦機(jī)接口研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段。
　　面對(duì)BCI技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn),本文開展了基于STM32和LABVIEW的實(shí)時(shí)腦機(jī)接口應(yīng)用研究。所構(gòu)建的BCI系統(tǒng)以運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)為處理對(duì)象,相比于視覺誘發(fā)電位,運(yùn)動(dòng)想象信號(hào)便于檢測(cè),而且低刺激頻率不易引起眼部及精神疲倦。以可充分調(diào)用計(jì)算機(jī)硬件資源的LABVIEW軟件開發(fā)本系統(tǒng),相比于嵌入式系統(tǒng),計(jì)算機(jī)在運(yùn)算速度等硬件方面具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)。
　　根據(jù)運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口應(yīng)用的要求,利用LAB

3、VIEW軟件設(shè)計(jì)了新的視覺刺激器。刺激器的刺激圖片以特定頻率交替出現(xiàn),刺激圖片形象生動(dòng),可以有效提示受試者進(jìn)行相應(yīng)的左右手運(yùn)動(dòng)想象。作為以指導(dǎo)訓(xùn)練為目的的系統(tǒng),刺激界面同時(shí)能夠反饋給醫(yī)生受試者實(shí)時(shí)的腦電信號(hào)波形。在信號(hào)采集方式上,以STM32作為MCU構(gòu)建腦機(jī)接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用選定的二導(dǎo)聯(lián)電極采集頭部左右兩側(cè)的腦電信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,濾波處理后通過外部ADC芯片完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。最終通過串口實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)與刺激系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

4、交互。
　　BCI技術(shù)的研究重心是選擇合適的算法從強(qiáng)背景噪聲中提取運(yùn)動(dòng)想象腦電,辨別受試者的選擇。研究對(duì)比小波分解、小波包分解重構(gòu)、支持向量機(jī)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等信號(hào)處理算法,最終選擇用 db5小波包對(duì)特定時(shí)間窗內(nèi)的腦電信號(hào)進(jìn)行濾波重構(gòu),以滑動(dòng)能量窗數(shù)據(jù)作為特征向量,用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別,并用量子粒子群算法對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。
　　腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)可有效提示實(shí)驗(yàn)者產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)想象思維運(yùn)動(dòng)。所選用算法對(duì)于離線的數(shù)據(jù)具有較高的識(shí)別率,驗(yàn)