شماره ركورد
33689
پديد آورنده
صابر رضايي
عنوان
كنترل حركت دست با استفاده از تحريك الكتريكي عملكردي و آرتيفكتهاي حركتي در سيگنال الكتروانسفالوگرام
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي پزشكي- مهندسي عصبي-شناختي
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/06/23
استاد راهنما
عباس عرفانيان اميدوار
استاد مشاور
-
دانشكده
برق
چكيده
آسيب نخاعي در ناحيه گردن ميتواند منجر به فلج كامل اندامها و از دست رفتن كنترل ارادي حركات شود. براي مقابله با اين چالش، بهكارگيري فناوريهاي توانبخشي پيشرفته ضروري است. در اين مطالعه، با بهرهگيري از تحريك الكتريكي عملكردي (FES)، تلاش شده است تا حركات ارادي دست در بيماران بازيابي شود. علاوه بر اين، آرتيفكتهاي حركتي موجود در سيگنال الكتروانسفالوگرام (EEG)، بهعنوان ابزار كنترل تحريك به كار گرفته شدهاند تا با نيت كاربر، كنترل حاصل شود. اين رويكرد نوين ميتواند كيفيت زندگي و عملكرد روزمره بيماران ضايعه نخاعي گردني را بهبود بخشد.
براي ايجاد حركات انگشتان دست، تحريك الكتريكي عملكردي به ناحيه ساعد اعمال شد. در اين مطالعه، از يك دستگاه تحريككننده پوشيدني با آرايهاي متشكل از 32 كاتد و 8 آند استفاده شد كه امكان ايجاد 256 حالت تحريك متفاوت را فراهم ميكرد. باتوجهبه اينكه بيماران داراي ضايعه نخاعي گردني قادر به كنترل مستقيم و ارادي تحريككننده نيستند، براي هدايت دستگاه تحريك از آرتيفكتهاي حركتي موجود در سيگنال EEG بهره گرفته شد. در اين روش، كاربر با ايجاد الگوهاي حركات مشخص در ناحيه دندان و فك، باعث شكلگيري الگوهاي معين در سيگنال EEG ميشد. اين الگوهاي EEG سپس بهعنوان فرمانهاي كنترلي براي تحريككننده در نظر گرفته شدند و امكان كنترل غيرمستقيم و مؤثر دستگاه توسط بيمار فراهم گرديد.
در اين مطالعه، سيگنال EEG با نرخ نمونهبرداري 256 هرتز و از كانال P7 ثبت شد. براي بهبود كيفيت سيگنال و كاهش نويز، پيشپردازش شامل فيلتر بالاگذر 20 هرتز براي حذف نويز حركتي و نويز ضربان قلب و همچنين فيلتر ناچ 50 هرتز براي حذف نويز برق شهر انجام گرديد. در مرحله پردازش، ويژگيهاي زماني و فركانسي استخراج شد و علاوهبرآن، سيگنال خام نيز بهعنوان ورودي شبكههاي عصبي يادگيري عميق و الگوريتمهاي يادگيري ماشين مورداستفاده قرار گرفت تا كلاسهاي مختلف شامل استراحت (Rest)، فشار ملايم (Normal)، فشار محكم (Hard)، ضربهزدن مداوم دندان (Tick) و ساير حالات (Other) طبقهبندي شوند. براي فرمان حركتي، كلاس Tick براي باز كردن دست و كلاس Hard براي بستن دستبهكار گرفته شد.
بهمنظور ارزيابي عملكرد سيستم، چهار فرد سالم مورد آزمايش قرار گرفتند. نتايج برونخط حاكي از دقت حداكثر 93 درصد براي بهترين آزمودني بود و در حالت درونخط، دقت 92 و 88 درصد براي دو آزمودني ثبت شد كه نشاندهنده توانمندي و كارايي بالاي سيستم كنترل مبتني بر EEG است.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/06/31
عنوان به انگليسي
Hand movement control by functional electrical stimulation and movement EEG Artifacts
تاريخ بهره برداري
1/1/1900 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
صابر رضايي
چكيده به لاتين
Spinal cord injury in the cervical region can lead to complete paralysis of the limbs and loss of voluntary motor control, a condition that severely restricts an individual’s independence. To address this challenge, the use of advanced rehabilitation technologies is essential. In this study, Functional Electrical Stimulation (FES) was employed with the aim of restoring voluntary hand movements in patients. Moreover, motion-related artifacts in electroencephalography (EEG) signals were utilized as control inputs for stimulation, enabling more accurate and natural motor responses. This novel approach has the potential to improve the quality of life and daily functioning of patients with cervical spinal cord injuries.
To induce finger movements, FES was applied to the forearm. A wearable stimulator equipped with an array of 32 cathodes and 8 anodes was used, allowing for 256 different stimulation configurations. Channels that successfully produced specific hand movements upon stimulation were identified as effective channels. For quantitative and qualitative evaluation of the movements, video recordings of the hand were analyzed, and the angle of each finger was extracted using the MediaPipe framework. These assessments were performed in both offline and online modes. This method enabled the conversion of motor responses into numerical and analyzable data.
Since patients with cervical spinal cord injuries are unable to directly and voluntarily control the stimulator, motor artifacts present in EEG signals were employed to drive the stimulation device. In this approach, the user generated specific motion patterns in the jaw and teeth region, which led to distinct patterns in the EEG signals. These EEG patterns were then assigned as control commands for the stimulator, thereby enabling indirect yet effective device control by the patient.
In this study, EEG signals were recorded at a sampling rate of 256 Hz from channel P7. To improve signal quality and reduce noise, preprocessing included a 20 Hz high-pass filter to remove motion and ECG artifacts, as well as a 50 Hz notch filter to eliminate power line interference. During the processing stage, both time-domain and frequency-domain features were extracted. In addition, raw EEG signals were used as inputs to deep learning neural networks and machine learning algorithms in order to classify different states, including Rest, Normal pressure, Hard pressure, repetitive teeth tapping (Tick), and Other states. For motor commands, the Tick class was assigned to hand opening and the Hard class to hand closing.
To evaluate system performance, four healthy participants and one patient with cervical spinal cord injury were tested. Offline results indicated a maximum accuracy of 93% for the best subject, while in online experiments, accuracies of 92% and 88% were achieved for two subjects. These findings demonstrate the high capability and effectiveness of the EEG-based control system.
كليدواژه هاي فارسي
الكتروانسفالوگرام , تحريك الكتريكي عملكردي
كليدواژه هاي لاتين
Electroencephalogram , Functional Electrical Stimulation
Author
Saber Rezaei
SuperVisor
Abbas Erfanian Omidvar