fNIRS-based Neurorobotic Interface for gait rehabilitation
Creators
- 1. Air University
- 2. Dalian University
- 3. Dalian University of Technology
- 4. Institute for Systems Engineering and Computers
- 5. University of Coimbra
Description
In this paper, a novel functional near-infrared spectroscopy (fNIRS)-based brain-computer interface (BCI) framework for control of prosthetic legs and rehabilitation of patients suffering from locomotive disorders is presented. fNIRS signals are used to initiate and stop the gait cycle, while a nonlinear proportional derivative computed torque controller (PD-CTC) with gravity compensation is used to control the torques of hip and knee joints for minimization of position error. In the present study, the brain signals of walking intention and rest tasks were acquired from the left hemisphere's primary motor cortex for nine subjects. Thereafter, for removal of motion artifacts and physiological noises, the performances of six different filters (i.e. Kalman, Wiener, Gaussian, hemodynamic response filter (hrf), Band-pass, finite impulse response) were evaluated. Then, six different features were extracted from oxygenated hemoglobin signals, and their different combinations were used for classification. Also, the classification performances of five different classifiers (i.e. k-Nearest Neighbour, quadratic discriminant analysis, linear discriminant analysis (LDA), Naïve Bayes, support vector machine (SVM)) were tested. The classification accuracies obtained from SVM using the hrf were significantly higher (p < 0.01) than those of the other classifier/ filter combinations. Those accuracies were 77.5, 72.5, 68.3, 74.2, 73.3, 80.8, 65, 76.7, and 86.7% for the nine subjects, respectively. The control commands generated using the classifiers initiated and stopped the gait cycle of the prosthetic leg, the knee and hip torques of which were controlled using the PD-CTC to minimize the position error. The proposed scheme can be effectively used for neurofeedback training and rehabilitation of lower-limb amputees and paralyzed patients.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
في هذه الورقة، يتم تقديم إطار عمل جديد للمطيافية الوظيفية القريبة من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) - واجهة الدماغ والحاسوب (BCI) للتحكم في الأرجل الاصطناعية وإعادة تأهيل المرضى الذين يعانون من اضطرابات قاطرة. يتم استخدام إشارات fNIRS لبدء وإيقاف دورة المشي، في حين يتم استخدام وحدة تحكم عزم الدوران المحسوبة المشتقة غير الخطية (PD - CTC) مع تعويض الجاذبية للتحكم في عزم الدوران لمفاصل الورك والركبة لتقليل خطأ الموضع. في هذه الدراسة، تم الحصول على إشارات الدماغ لنية المشي ومهام الراحة من القشرة الحركية الأولية لنصف الكرة الأيسر لتسعة أشخاص. بعد ذلك، لإزالة أدوات الحركة والضوضاء الفسيولوجية، تم تقييم أداء ستة مرشحات مختلفة (أي كالمان، وينر، جاوسيان، مرشح الاستجابة الديناميكية الدموية (hrf)، تمرير النطاق، استجابة الاندفاع المحدود). ثم تم استخراج ست سمات مختلفة من إشارات الهيموغلوبين المؤكسج، واستخدمت تركيباتها المختلفة للتصنيف. كما تم اختبار أداء تصنيف خمسة مصنفات مختلفة (أي k - Nearest Neighbour، تحليل التمييز التربيعي، تحليل التمييز الخطي (LDA)، Naïve Bayes، آلة ناقلات الدعم (SVM)). كانت دقة التصنيف التي تم الحصول عليها من SVM باستخدام hrf أعلى بكثير (p < 0.01) من تلك الخاصة بمجموعات المصنفات/ المرشحات الأخرى. كانت هذه الدقة 77.5 و 72.5 و 68.3 و 74.2 و 73.3 و 80.8 و 65 و 76.7 و 86.7 ٪ للموضوعات التسعة، على التوالي. بدأت أوامر التحكم التي تم إنشاؤها باستخدام المصنفات وأوقفت دورة مشية الساق الاصطناعية، وتم التحكم في عزم الركبة والورك باستخدام PD - CTC لتقليل خطأ الموضع. يمكن استخدام المخطط المقترح بشكل فعال للتدريب على الارتجاع العصبي وإعادة تأهيل مبتوري الأطراف السفلية والمرضى المشلولين.Translated Description (French)
Dans cet article, un nouveau cadre d'interface cerveau-ordinateur (BCI)basé sur la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (fNIRS) pour le contrôle des jambes prothétiques et la réadaptation des patients souffrant de troubles locomoteurs est présenté. Les signaux fNIRS sont utilisés pour initier et arrêter le cycle de marche, tandis qu'un contrôleur de couple calculé par dérivation proportionnelle non linéaire (PD-CTC) avec compensation de gravité est utilisé pour contrôler les couples des articulations de la hanche et du genou pour minimiser l'erreur de position. Dans la présente étude, les signaux cérébraux de l'intention de marcher et des tâches de repos ont été acquis à partir du cortex moteur primaire de l'hémisphère gauche pour neuf sujets. Par la suite, pour l'élimination des artefacts de mouvement et des bruits physiologiques, les performances de six filtres différents (c.-à-d. Kalman, Wiener, Gaussian, filtre de réponse hémodynamique (hrf), passe-bande, réponse impulsionnelle finie) ont été évaluées. Ensuite, six caractéristiques différentes ont été extraites des signaux d'hémoglobine oxygénée, et leurs différentes combinaisons ont été utilisées pour la classification. En outre, les performances de classification de cinq classificateurs différents (c.-à-d. k-Voisin le plus proche, analyse discriminante quadratique, analyse discriminante linéaire (LDA), Bayes naïfs, machine à vecteurs de support (SVM)) ont été testées. Les précisions de classification obtenues à partir de SVM en utilisant le hrf étaient significativement plus élevées (p < 0,01) que celles des autres combinaisons de classificateur/ filtre. Ces précisions étaient de 77,5, 72,5, 68,3, 74,2, 73,3, 80,8, 65, 76,7 et 86,7 % pour les neuf sujets, respectivement. Les commandes de contrôle générées à l'aide des classificateurs ont initié et arrêté le cycle de marche de la jambe prothétique, dont les couples du genou et de la hanche ont été contrôlés à l'aide du PD-CTC pour minimiser l'erreur de position. Le schéma proposé peut être utilisé efficacement pour la formation au neurofeedback et la réadaptation des amputés des membres inférieurs et des patients paralysés.Translated Description (Spanish)
En este artículo, se presenta un nuevo marco de interfaz cerebro-computadora (BCI)basado en espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS) para el control de piernas protésicas y la rehabilitación de pacientes que sufren trastornos locomotores. Las señales fNIRS se utilizan para iniciar y detener el ciclo de la marcha, mientras que un controlador de par calculado derivado proporcional no lineal (PD-CTC) con compensación de gravedad se utiliza para controlar los pares de las articulaciones de la cadera y la rodilla para minimizar el error de posición. En el presente estudio, las señales cerebrales de la intención de caminar y las tareas de descanso se adquirieron de la corteza motora primaria del hemisferio izquierdo para nueve sujetos. A partir de entonces, para la eliminación de artefactos de movimiento y ruidos fisiológicos, se evaluaron los rendimientos de seis filtros diferentes (es decir, Kalman, Wiener, Gaussian, filtro de respuesta hemodinámica (hrf), paso de banda, respuesta de impulso finito). Luego, se extrajeron seis características diferentes de las señales de hemoglobina oxigenada y se utilizaron sus diferentes combinaciones para la clasificación. Además, se probaron los rendimientos de clasificación de cinco clasificadores diferentes (es decir, k-Nearest Neighbor, análisis discriminante cuadrático, análisis discriminante lineal (LDA), Naive Bayes, máquina de vectores de soporte (SVM)). Las precisiones de clasificación obtenidas de SVM utilizando el hrf fueron significativamente mayores (p < 0.01) que las de las otras combinaciones de clasificador/ filtro. Esas precisiones fueron 77.5, 72.5, 68.3, 74.2, 73.3, 80.8, 65, 76.7 y 86.7% para los nueve sujetos, respectivamente. Los comandos de control generados utilizando los clasificadores iniciaron y detuvieron el ciclo de marcha de la pierna protésica, cuyos pares de rodilla y cadera se controlaron utilizando el PD-CTC para minimizar el error de posición. El esquema propuesto se puede utilizar de manera efectiva para el entrenamiento de neurofeedback y la rehabilitación de amputados de miembros inferiores y pacientes paralizados.Files
      
        s12984-018-0346-2.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (2.9 MB)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| md5:3b3a11e48d38e2353004af5876274794 | 2.9 MB | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- واجهة روبوتية عصبية قائمة على fNIRS لإعادة تأهيل المشي
- Translated title (French)
- interface neurorobotique basée sur fNIRS pour la rééducation de la démarche
- Translated title (Spanish)
- interfaz neurorobótica basada en fNIRS para la rehabilitación de la marcha
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2796397123
- DOI
- 10.1186/s12984-018-0346-2
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W109432563
- https://openalex.org/W1522883886
- https://openalex.org/W1566472057
- https://openalex.org/W1967512849
- https://openalex.org/W1968911628
- https://openalex.org/W1970487831
- https://openalex.org/W1979421079
- https://openalex.org/W1987143349
- https://openalex.org/W1987390005
- https://openalex.org/W1991550546
- https://openalex.org/W1993750289
- https://openalex.org/W1999340799
- https://openalex.org/W1999667678
- https://openalex.org/W2002147726
- https://openalex.org/W2005517233
- https://openalex.org/W2006239447
- https://openalex.org/W2010872261
- https://openalex.org/W2011111213
- https://openalex.org/W2013351502
- https://openalex.org/W2013468866
- https://openalex.org/W2022021629
- https://openalex.org/W2032877455
- https://openalex.org/W2035907019
- https://openalex.org/W2037458212
- https://openalex.org/W2037640378
- https://openalex.org/W2045561515
- https://openalex.org/W2046401462
- https://openalex.org/W2048302501
- https://openalex.org/W2050261482
- https://openalex.org/W2052521734
- https://openalex.org/W2053356496
- https://openalex.org/W2053963261
- https://openalex.org/W2055177383
- https://openalex.org/W2058339527
- https://openalex.org/W2059556898
- https://openalex.org/W2066303625
- https://openalex.org/W2067052386
- https://openalex.org/W2068904026
- https://openalex.org/W2069216639
- https://openalex.org/W2075647286
- https://openalex.org/W2076708394
- https://openalex.org/W2085844694
- https://openalex.org/W2089282851
- https://openalex.org/W2090771768
- https://openalex.org/W2091953004
- https://openalex.org/W2092890379
- https://openalex.org/W2098021555
- https://openalex.org/W2098392726
- https://openalex.org/W2099255026
- https://openalex.org/W2101287692
- https://openalex.org/W2105921162
- https://openalex.org/W2112686332
- https://openalex.org/W2117151438
- https://openalex.org/W2125119229
- https://openalex.org/W2126185017
- https://openalex.org/W2127182635
- https://openalex.org/W2128909182
- https://openalex.org/W2129417063
- https://openalex.org/W2131111491
- https://openalex.org/W2132122905
- https://openalex.org/W2139212933
- https://openalex.org/W2146222196
- https://openalex.org/W2149351353
- https://openalex.org/W2163208146
- https://openalex.org/W2172328071
- https://openalex.org/W2192199050
- https://openalex.org/W2205134163
- https://openalex.org/W2284871757
- https://openalex.org/W2292302374
- https://openalex.org/W2314354413
- https://openalex.org/W2331293741
- https://openalex.org/W2340207538
- https://openalex.org/W2403091650
- https://openalex.org/W2521873691
- https://openalex.org/W2562207568
- https://openalex.org/W2599638598
- https://openalex.org/W2735558480
- https://openalex.org/W2764315683
- https://openalex.org/W3191602236
- https://openalex.org/W4252031641
- https://openalex.org/W73496765