19292

۱۹۲۹۲

رمزگشايي سيگنال هاي نوروني قشر حركتي به منظور تخمين ميزان نيرو براي كاربردهاي BCI

دكتري تخصصي

بيوالكتريك

۱۳۹۲

۱۳۹۷/۵/۲۹

دكتر محمدرضا دليري

دكتر وحيد شالچيان

برق

واسط هاي مغز -كامپيوتر (BCI) به عنوان يك روش موثر براي استخراج فرمان هاي حركتي با هدف توانبحشي حركت بعد از ضايعه نخاعي مطرح شده است. در اين پروژه سعي شده تكنيك هاي مهندسي ارائه شده پتانسيل استفاده سريع در آزمايش هاي انساني را داشته باشند. بدين منظور از اطلاعات پتانسيل محلي ميداني (LFP) بدليل پايداري طولاني مدت اطلاعات وابسته به حركت و همچنين كاهش توان مصرفي سيستم در مقايسه با ديگر اطلاعات مغزي استفاده شده است. همچنين در اين پروژه رمزگشايي نيرو از اطلاعات مغزي بدليل نقش اساسي آن در كنترل نقطه انتهاي پروتزها يا كنترل مستقيم تحريك عضلات و نخاع براي بازتواني حركت انجام شده است. در بخش اول پروژه، اطلاعات نيرو به صورت پيوسته از 16 كانال LFP با دقت ضريب همبستگي 66/ 0 بين نيروي واقعي و پيش بيني شده رمزگشايي شده است. نتايج بدست آمده رمزگشايي نيرو از 16 كانال LFP قابل مقايسه با مطالعات انجام شده در رمزگشايي پارامترهاي حركتي از روي 96 كانال داخل قشر مغزي بوده است. در اين بخش، يك سيستم رفتاري به منظور ثبت اطلاعات نيرو با دقت بالا طراحي شده و الكترود هاي چندكاناله در ناحيه قشر حركتي حيوان كاشته شده است. در بخش آنلاين از اطلاعات رمزگشايي شده از قشر حركتي به منظور كنترل يك بازوي مكانيكي استفاده شده است. در اين بخش روشي بر پايه انتخاب بهترين ويژگي هاي وابسته به نيرو در هر باند فركانسي به منظور انتخاب بهترين مولفه هاي وابسته به نيرو و در نتيجه كاهش اثر مولفه هاي ناخواسته در ثبت ارائه شده است. در بخش دوم پروژه سيستم توانبخشي مغز-طناب نخاعي براي كنترل تحريك الكتريكي نخاع پس از آسيب نخاعي بر اساس اطلاعات نيرو استخراجي از مغز ارائه شده است. به منظور تسريع انتقال تكنولوژي سيستم بازيابي حركت از آزمايشگاه به كلينيك، ما از تركيب روش هاي ثبت مغزي و تحريك استفاده كرديم. فرمان هاي حركتي از روي اطلاعات LFP بعد از آسيب نخاعي رمزگشايي شده و از اين سيگنال فرمان به صورت پيوسته به منظور كنترل دامنه تحريك اپيدورال نخاع در ناحيه پايين آسيب نخاعي استفاده مي شود. نتايج نشان مي دهد سيستم كنترلي تحريك اپيدورال نخاع بر اساس اطلاعات LFP چندكاناله به طور قابل توجه عملكرد حركت دست را بعد از آسيب نخاعي در سه حيوان بهبود بخشيده است. سيستم طراحي شده بر پايه تركيب LFP با تحريك اپيدورال نخاع كاليبراسيون چندباره سيستم و پيچيدگي محاسباتي را كاهش مي دهد. بر اين اساس، اين تحقيق قدمي مهم براي ساخت سيستم هاي قابل كاشت براي استفاده كلينيكي مي¬باشد.

1397/06/12

Force Decoding from Motor Cortex Neurons for BCI Applications

9/22/2019 12:00:00 AM

Brain-computer interface (BCI) system has been introduced to extract motor commands with the goal of movement restoration after spinal cord injury (SCI). In this project, we tried to present new engineering techniques with potential for near-term use in human subjects. Hence, we used local field potential (LFP) signals that provides more stable movement-related information and requires less power for hardware implementation. Furthermore, we focused on decoding of force information from LFPs because of its key role to control the end-point of prosthetic arms or direct stimulation of muscles and spinal cord for movement restoration. In the first phase of project, we decoded continuous force information from the 16 channel LFPs in 3 animals with correlation coefficient of 0.66 in average. The obtained performance was comparable to the previous works in decoding kinematic parameters from intracortical data with 96 channels. To decode force data from brain, we designed a behavioral task to accurately record force information and implanted multi-channel arrays in the motor cortex of animals. In the online phase, we used force signal decoded from the 16 channel LFPs to control a mechanical arm in real-time. We implemented a feature reduction algorithm to obtain the best force-related information from to brain and so ignore the effect of non-related information in the process. In the next step of project, we presented a cortical-spinal cord restorative system based on the control of spinal cord stimulation with motor command extracted from the brain. To accelerate clinical translation, we deliberately selected both recording and stimulation methods. We decoded motor command from recorded LFPs after SCI to continuously control the amplitude of epidural stimulation delivered to the spinal cord below the injury. This system demonstrates that LFP-controlled epidural spinal stimulation can reanimate volitional forelimb functional movement in 3 rats with spinal cord injury. The LFP-spinal cord system reduced daily calibration and computational complexity of final system. These are substantial benefits as we move toward implantable systems for clinical use.