基于腦機(jī)接口技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人綜述_圖文

1、基于腦機(jī)接口技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人綜述孫進(jìn)，張征，周宏甫（華南理大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院廣東廣州）摘要：筒述晡：機(jī)接口系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理，歸納了系統(tǒng)信號采集、特征提取、選擇分類及人機(jī)交互四個部分的基本技術(shù)處理方法，提出了腦一機(jī)接系統(tǒng)存在的問題。重點(diǎn)闡述了基于腦機(jī)接技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀、研究中存在的問題及其研究前景。關(guān)鍵詞：腦一機(jī)接口；腦電波；假肢；康復(fù)機(jī)器人中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（）引言腦一機(jī)接口（，）技術(shù)是近年來研究的熱點(diǎn)之一。形成于世紀(jì)年代。年。第一次國際會議給出了的定義，即“腦一機(jī)接口是一種不依賴于正常的由外周神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路的通訊系統(tǒng)”。傳統(tǒng)的人機(jī)交互方式通過聲

2、音、按鈕等形式實(shí)現(xiàn)，然而部分老人和殘障人岡各種原因不具備言語表達(dá)或肢體操作能力。故此類交互方式無法實(shí)現(xiàn)。幸運(yùn)地是技術(shù)為其提供了一種全新的通信和控制方式，不需通過語言或肢體動作而是直接通過腦來表達(dá)想法或操縱設(shè)備。技術(shù)為需要者帶來福音。研究意義現(xiàn)實(shí)且深遠(yuǎn)。系統(tǒng)的原理及其基本組成系統(tǒng)的基本原理大腦在進(jìn)行思維活動、產(chǎn)生動作意識或受外界刺激時。神經(jīng)細(xì)胞將產(chǎn)生幾十毫伏的微電活動，大量神經(jīng)細(xì)胞的電活動傳到頭皮表層形成腦電波（，），此將體現(xiàn)出某種節(jié)律和空間分布的特征，并可以通過一定的方法加以檢測。再通過信號處理（主要是特征提取和信號分類）從中辨析出人的意圖信號，而將其轉(zhuǎn)換為控制命令，來實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的控制和與

3、外界的交流。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通常由個部分組成：信號采集、特征提取、選擇分類和外部控制裝置【（如圖所示）。當(dāng)前。系統(tǒng)的輸出設(shè)備多是計(jì)算機(jī)輸出形式也各異，例如在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示光標(biāo)運(yùn)動、字符選擇、計(jì)算機(jī)仿真模擬，或者產(chǎn)生對神經(jīng)假肢、輪椅的控制信號等副。圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)信號采集當(dāng)前系統(tǒng)的兩種常用的信號采集方式是侵入式和非侵人式【。侵入式需專業(yè)醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)把電極內(nèi)置于大腦，檢測腦皮層電圖（，）等信號，具有一定危險性，而且還存在心理和倫理問題。非侵入式就是將電極帽戴在頭上檢測腦電網(wǎng)（）等信號，檢測方法簡單但電極距離神經(jīng)元較遠(yuǎn)，測得的信號信噪比低，給后繼處理帶來麻煩。目前，腦電圖應(yīng)用較多。采集

4、到的信號，經(jīng)過放大器放大，再經(jīng)過預(yù)處理，最后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號存儲于計(jì)算機(jī)中。目前，系統(tǒng)采集的信號有視覺誘發(fā)電位（。）、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號：）事件相關(guān)電位（，）、慢皮層電位（，）、自發(fā)的波、斗節(jié)律和節(jié)律信號等。特征提取預(yù)處理和數(shù)字化處理后的腦電信號經(jīng)特征提取，提取出反映使用者意網(wǎng)的信號特征。目前，系統(tǒng)常用的特征提取方法有自同歸模型、小波變換和小波包分解、獨(dú)立分量分析等。特征提取時可根據(jù)信號的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的時域或頻域特征提取方法如：由于信號在附近頻混嚴(yán)重，需要采用（，連續(xù)小波變換）進(jìn)行提取，主要提取其時域特性；（，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位）頻域特性好，可采用（，快速傅墨葉變換）進(jìn)行提取；斗節(jié)律和節(jié)律的

5、事件相關(guān)去同步電位（！，）的特征提取，需采用大腦運(yùn)動的對側(cè)效應(yīng)將其空域特性提取出來。但是由于信號信噪比低，且某些干擾成分與信號具有相似的時頻特性單純的時頻特征提取閃區(qū)分度不夠，會影響分類效果，因此需求助于更為復(fù)雜的時域一空域分析方法對信號進(jìn)行綜合處理。信號分類信號分類是通過分類器來實(shí)現(xiàn)的包括線性和非線性兩種類型。線性分類器包括線性判別分析（。）、判別分析等；非線性分類器包括二次判別分析、支持向量機(jī)（，）、貝葉斯一卡爾曼濾波（）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（，）、遺傳算法（，）、模糊算法（，）等。其線性分類器學(xué)習(xí)簡單在特征維數(shù)低的情況下分類精度高。目前應(yīng)用多。但對于維數(shù)高的非線性數(shù)據(jù)，線性分類器不再適用，此時

6、應(yīng)選用非線性分類器。人機(jī)交互系統(tǒng)豐要的交互手段是牛物反饋其不同于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的反饋。該反饋是系統(tǒng)將輸出結(jié)果反饋給使用者使用者將結(jié)果與期望進(jìn)行對比。然后對自身思維意識進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)的輸出結(jié)果更接近于期單值。對于特定的系統(tǒng)是否需要反饋，怎樣反饋如何選擇適用的反饋方法等一系列問題有待研究。技術(shù)存在的問題盡管大量研究已經(jīng)表明通過信號建立系統(tǒng)的可行性，但技術(shù)還有許多問題有待解決。（）信號處理速度慢。目前系統(tǒng)的最大信息轉(zhuǎn)換速度可達(dá)，此速與常交流相差甚遠(yuǎn)。（）信號識別精度低。目前，基于自發(fā)腦電的系統(tǒng)，兩類思維任務(wù)的識別率約。三類任務(wù)的識別率約【】。此識別性能為的實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)，其精度指標(biāo)有待繼續(xù)提高

7、。（）信號采集和處理方法需改進(jìn)。信號采集過程中，夾雜著不少干擾成分，如肌信號（）干擾等，因此設(shè)計(jì)抗干擾能力強(qiáng)的電極帽以及電極的科學(xué)分布等問題有待解決；如何改善信號處理方法使之系統(tǒng)化、模塊化、通用化。從而快速、精確、有效地設(shè)計(jì)出實(shí)用系統(tǒng)的問題也有待研究。（）自適應(yīng)性差。自適應(yīng)性一是指隨時間變化的自適應(yīng)性，二是指隨個體變化的自適應(yīng)性【】。目前來看，的自適應(yīng)性還比較差。（）缺乏能對系統(tǒng)的性能進(jìn)行科學(xué)評價的評價標(biāo)準(zhǔn)?；诩夹g(shù)的康復(fù)機(jī)器人技術(shù)基于技術(shù)的康復(fù)技術(shù)基于技術(shù)的康復(fù)技術(shù)主要有種：第一種，利用系統(tǒng)直接與外界交流如控制神經(jīng)假肢、智能輪椅、電腦熒幕上的光標(biāo)等：第二種，對于那些神經(jīng)阻斷但肢體尚在的殘疾人

8、可利用系統(tǒng)直接控制其肢體肌肉使肢體完成日常生活基本動作；第三種，由于神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展科學(xué)家發(fā)現(xiàn)人在整個生命過程中中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能在合理的生理電位作用下可以蘑翅那么可以利用系統(tǒng)進(jìn)行神經(jīng)再恢復(fù)。如通過觀察運(yùn)動而產(chǎn)生相應(yīng)腦電來推動神經(jīng)再恢復(fù)?；诩夹g(shù)的康復(fù)機(jī)器人技術(shù)展望康復(fù)機(jī)器人主要分為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和輔助型康復(fù)機(jī)器人兩種訓(xùn)練機(jī)器人主要幫助患者完成各種訓(xùn)練，輔助機(jī)器人輔助患者完成各種肢體動作。目前，基于技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀如下。（）清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系程明、任宇鵬等人利用穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位構(gòu)造腦機(jī)接口，并利用該腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)了對假肢的控制。該假肢只能完成握住水杯、倒水、將水杯放回原處和假肢復(fù)原

9、四個動作，完成的動作簡單、機(jī)械缺乏靈活性。各步驟中假肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)劃和協(xié)調(diào)控制規(guī)劃必須預(yù)先存儲在可編程控制器中，運(yùn)動模式同定柔性受限。實(shí)用性不強(qiáng)。而且使用者通過腦機(jī)接口完成每個步驟的時間為，處理速度慢。（）尹晶海、蔣德榮等人利用系統(tǒng)為殘疾人設(shè)計(jì)了一個實(shí)時腦機(jī)接口游戲輔助平臺。該腦機(jī)接：利用人的運(yùn)動想象電位，將其轉(zhuǎn)化為向左、向右或不運(yùn)動個控制信號然后作為一個簡單賽車游戲的玩家輸入控制信息，從而實(shí)現(xiàn)操作游戲的功能】。其主要缺點(diǎn)是：信息傳輸率慢，最大信號傳輸率才；識別率低；個人和環(huán)境適應(yīng)性差：平臺單一。（）天津大學(xué)的趙麗、劉自滿等人對腦電波阻斷現(xiàn)象進(jìn)行特征識別和提取成功地在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了對服務(wù)機(jī)口雹

10、墨口團(tuán)墨匡匿圈妄 （）圓柱伴抓圾（）鑰匙捏?。ǎ﹥墒种秆肴。ǎ┦种笂A取圖機(jī)械假手動作器人的控制。他們通過控制服務(wù)機(jī)器人在個運(yùn)動方向上運(yùn)動進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)。考察系統(tǒng)的實(shí)時性和控制的準(zhǔn)確性。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過簡單的訓(xùn)練，受試者可達(dá)到的控制準(zhǔn)確率，并證明了利用波進(jìn)行多選項(xiàng)控制設(shè)計(jì)的合理性及其應(yīng)用價值。但是控制準(zhǔn)確率仍不夠，因?yàn)閭麣埲耸拷?jīng)不起將近的失誤情況的折騰；其信號檢測方法有待提高，因其實(shí)時操作過程中存在的延時；其智能服務(wù)機(jī)器人的方向改變部分是用程序來實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)向定位時易受地表摩擦和慣性的影響，轉(zhuǎn)向精度有待提高。 （）哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電丁程學(xué)院機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家蘑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊大鵬、姜力等人提出了一種基

11、于特定幾種心理作業(yè)的腦電信號控制假手的方法實(shí)現(xiàn)了對假手三自由度的異步控制【引。但是其異步控制的實(shí)現(xiàn)仍需受試者外界神經(jīng)肌肉運(yùn)動（眼瞼眨動）以及聲音提示的輔助，而且一次控制模式指令的發(fā)出需要近的時間。因此與理想中的完全依賴腦電信號的異步控制還有一定差距。（）大學(xué)和成功研制出基于的用于控制機(jī)械假手，該假手能完成圓柱體抓取，鑰匙捏取兩手指央取紙片，三手指夾取雞蛋的動作【（如圖所示）。雖然該假手有個自由度，能靈活完成這些基本動作。但是其缺點(diǎn)也突出：整個系統(tǒng)功能不強(qiáng)，信號處理速率、識別率、控制精確率都不夠；受試者需要經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練。適應(yīng)性不強(qiáng)；系統(tǒng)反饋滯后和信號干擾現(xiàn)象問題嚴(yán)重。（）理工大學(xué)和等人研制出處理

12、左右手運(yùn)動想象電位的！系統(tǒng)用于控制假肢（如圖所示）。其存在的問題很多：控制準(zhǔn)確度低。分別為，和；信息傳輸速度低：識別率低；單次模式控制耗時長；無反饋或反饋速度極慢等。（）和等人利用（）技術(shù)檢測運(yùn)動想象電位經(jīng)過處理后作為系統(tǒng)的控制指令用于控制機(jī)械手并通過視覺誘發(fā)電位反饋來調(diào)經(jīng)動作。取得了初步成功。該機(jī)械手能于三維空間內(nèi)完成抓取目標(biāo)物的簡單動作。該實(shí)驗(yàn)最大的缺點(diǎn)就是控制精度低，問題可能存在于信號處理或者反饋上。以上只是基于技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人的部分有代表性的例子其實(shí)各種電位被采集利用而用于康復(fù)機(jī)器人控制的例子都存在。網(wǎng)假肢和控制單元基于技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)行存在的問題上面已經(jīng)提到過技術(shù)是一門綜合的、

13、復(fù)雜的、前沿的技術(shù)，目前其存在的問題頗多，自然這些問題就是此類機(jī)器人技術(shù)核心的、重要的問題。此類機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展取決于技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)然，基于技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人技術(shù)也有自己的問題。（）首先，在充分考慮患者安全的前提下，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需合理、控制需精準(zhǔn)，要避免已傷患者再度受傷。人性化的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包括安全的硬件設(shè)計(jì)和合理的軟件控制設(shè)計(jì)兩方面。比如，輕型臂和靈巧手在柔順性、靈巧性和動態(tài)響應(yīng)特性等方面要優(yōu)于現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人手臂和手爪，應(yīng)用到康復(fù)領(lǐng)域?qū)岣呖祻?fù)機(jī)械手與假肢的操作水平和控制能力。同時應(yīng)合理地引入反饋以增加控制的精確度。（）其次，康復(fù)機(jī)器人作為治療具，其運(yùn)動模式應(yīng)該豐富且有效。針對不同病情和不同恢復(fù)期

14、的患者康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動模式應(yīng)具備適應(yīng)性。如此才有助于治療并恢復(fù)患者的日常基本運(yùn)動功能。保持其確的運(yùn)動感覺和增強(qiáng)其自信心。比如，目前傳感技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)和避障技術(shù)等移動機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域引，它們可以并且應(yīng)該與技術(shù)一起應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域，以此來增強(qiáng)康復(fù)機(jī)器人的自制能力和擴(kuò)大患者的活動空鬩。（）另外。缺乏一個行之有效的評價系統(tǒng)對患者的運(yùn)動進(jìn)行評價。目前，臨床仍用量表打分進(jìn)行評價，其準(zhǔn)確度和客觀度都不高；現(xiàn)存的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)也采用各種運(yùn)動學(xué)參數(shù)和傳感器的量值等對患者的運(yùn)動進(jìn)行量化評價，但效果都不佳。因此，有待檢測到直接有效的參數(shù)來完善評價系統(tǒng)。比如，可從患者皮膚表面檢測引導(dǎo)患者特定動作時

15、反映肌肉內(nèi)部工作狀態(tài)的表面肌電信號，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及信號分析方法對其進(jìn)行分析，展現(xiàn)不同患者間的差別，從而獲得準(zhǔn)確、客觀的評價標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此建立評價系統(tǒng)，對患者進(jìn)行客觀的、量化的評價。結(jié)論！技術(shù)、基于技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人技術(shù)都處于研究初級階段，難免問題重重，但是隨著研究的深入，一個個問題終將被解決。其發(fā)展前景是模塊化和集成化，模塊化是集成化的基礎(chǔ)，集成化足推廣使用的前提。識別率高、信號處理速度快、采集功能通用化、算法處理功能系統(tǒng)化、適應(yīng)性強(qiáng)、反饋被合理引入、評判標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)有待進(jìn)一步研究，繼而使之模塊化。其能處理多種或者大部分信號機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)綠色且實(shí)用、響應(yīng)迅速、控制精準(zhǔn)、運(yùn)動模式多樣、評價系統(tǒng)科學(xué)的康復(fù)機(jī)

16、器人技術(shù)也有待進(jìn)一步研究繼而使之模塊化。如果模塊化的和康復(fù)機(jī)器人之問能夠合理的柔性組合，就像電腦組裝一樣，那時的時代就來臨了，人類思維世界的物質(zhì)化時代就來臨了。參考文獻(xiàn)：，【。（）：】，：，（）：】，。，（）：楊瑞霞腦機(jī)接口技術(shù)研究山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報。，（）：高諾，魯守銀，張運(yùn)楚，等腦機(jī)接口技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，（）：葛瑜腦一機(jī)接口技術(shù)的研究概述許昌學(xué)院學(xué)報，（）：羅尚清，楊浩腦一機(jī)接口系統(tǒng)工作原理綜述醫(yī)療衛(wèi)生裝備，（）：【楊幫華自發(fā)腦電腦機(jī)接口技術(shù)及腦電信號識別方法研究【上海：上海交通大學(xué)，：，（）：，（）：一。（）：李慶玲，孫立寧，杜志江上肢康復(fù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀的分析與研究機(jī)械設(shè)計(jì)，（）：【】云曉。王喜太，閏和平康復(fù)機(jī)器人技術(shù)研究】第一屆北京國際康復(fù)醫(yī)學(xué)論壇論文