基于运动想象的脑机接口特征提取与模式分类方法研究

摘要

近些年来，随着神经科学、信号处理、计算机科学等领域的不断地深入发展，作为这些学科的交叉学科——脑机接口，目前已成为了当前国际上科学研究的热门领域。脑机接口是一种不同于人脑神经与肢体肌肉组织的正常通道，而是通过解析人脑神经活动信息来与外界设备交流的通讯控制系统。由于脑电信号具有幅值微弱、非平稳、噪声干扰强等特点，导致该类信号特征提取与模式分类的复杂性以及构建在线脑机接口系统的困难。经过充分调研与研究，本文采用了对二分类与四分类脑机接口更加有效的特征提取方法，并构建一套基于运动想象的在线足球射门脑机接口系统。
　　本文试图从分析当前特征提取算法与模式分类算法对脑电信号适应性入手，通过优化脑电信号预处理，构建一组特征提取算法与模式分类算法。在二分类脑机接口系统中，首先，针对共同空间模式(Commom Spatial Pattern，CSP)计算过程缺乏频域信息，且信号中混淆了大量的无关频率信号。为此本文结合了张量分解，它能够保留多维数据以及各维数据之间的关联信息。与此同时，针对提取后的特征分别使用了线性判别分析(Linear Discriminant Analysis，LDA)、支持向量机(Support Vector Machine，SVM)进行分析比较。其次，在四分类运动想象脑机接口系统中，本文采取子带能量和时域参数的方法，分别采用LDA和SVM两种分类器，并且在训练集中选择取最优的参数组合，并应用到四分类的脑机接口系统中。
　　实验表明，在二分类脑机接口系统中，本文使用的方法平均准确率能比一般方法有所提高;在四分类脑机接口系统中，结果显示在不同的受试者数据中都取得良好的分类效果，进而采用Emotive EPOC脑电信号采集系统设计了一套基于运动想象的在线足球射门脑机接口系统。该方案及其拓展改进在家庭娱乐、医疗康复等方面有着良好的前景和价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 脑机接口概述

1．2．1 脑机接口系统组成

1．2．2 脑电信号生理基础

1．3 国内外研究现状

1．4 论文的主要工作及章节安排

第2章 基于运动想象的脑机接口系统设计

2．1 概述

2．2 运动想象实验范式

2．2．1 离线左右手运动想象实验范式

2．2．2 在线左右手运动想象实验范式

2．3 脑电信号预处理

2．4 特征提取理论分析

2．5 脑机接口的评价标准

2．6 交叉验证法

2．7 本章小节

第3章 基于运动想象脑机接口特征提取与分类算法研究

3．1 概述

3．2 特征提取方法研究

3．2．1 张量分解与共同空间模式

3．2．2 子带能量特征提取

3．2．3 时域参数特征提取

3．3 分类方法研究

3．4 基于运动想象的二分类脑机接口实验仿真

3．4．1 张量分解与共同空间模式特征提取

3．4．2 仿真结果分析

3．5 基于运动想象的四分类脑机接口实验仿真

3．5．1 子带能量特征提取与参数选择

3．5．2 时域参数特征提取与参数选择

3．5．3 仿真结果分析

3．6 本章小节

第4章 在线脑机接口系统应用设计

4．1 概述

4．2 实验平台介绍

4．3 基于运动想象在线足球射门脑机接口系统设计

4．3．1 在线足球射门脑机接口系统设计框架

4．3．2 脑电信号处理电脑平台

4．3．3 在线足球射门脑机接口系统验证

4．4 本章小节

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文