基于声音骨传导方式的听觉脑机接口技术研究

摘要

脑机接口是一种不依赖于大脑外周神经与肌肉组织等正常输出通路，直接通过脑电信号控制外部设备，实现大脑与外界环境进行交流的技术。该技术是闭锁综合症患者与外界进行沟通的唯一途径。国内外科研机构对基于视觉通路以及基于空气传导方式的听觉通路的脑机接口技术进行了大量的研究，并取得了诸多成果。然而，闭锁综合征患者随着病情的加重，视听能力也会出现一定程度的退化，又或患者本身受中耳疾病的影响，空气传导听觉通路被完全阻塞，这都使得上述方式脑机接口系统的运行效果大打折扣，甚至完全不能发挥作用。针对空气传导听觉通路存在障碍的情况，本文以声音骨传导方式作为切入点，对听觉脑机接口技术进行了研究。骨传导方式相对于空气传导方式，具有抗干扰性强，不受中耳疾病影响的特点。该技术的研究，能拓宽听觉脑机接口技术的适用范围，提高脑机接口系统的运行效率。 本文对声音骨传导方式与空气传导方式的脑机接口技术进行了对比研究，主要完成了以下几项工作： 1、通过双耳分听的听觉诱发脑电实验，对被试在骨传导方式和空气传导方式声音刺激下的听觉诱发脑电进行了提取。 2、对骨传导方式与空气传导方式下的听觉诱发脑电波形进行对比分析。发现在两种声音传导方式下，靶刺激均能诱发出N200、P300以及差异波形N2ac，且骨传导方式下N200及N2ac的幅值显著高于空气传导方式，P300幅值两者则无显著性差异。 3、通过脑电地形图和脑网络特征等方法，对两种声音传导方式下听觉诱发脑电在空间分布以及时间上的动态变化特征进行了比较分析。 4、采用相干平均法将两种声音传导方式诱发的脑电信号N200与P300作为特征进行提取，采用支持向量机完成模式识别，进行了脑机接口技术的研究。结果表明，骨传导方式下的单个导联分类正确率显著高于空气传导方式。在采用多个导联上的特征进行分类时，骨传导方式依然显著高于空气传导方式分类效果。文中12名被试骨传导方式下最优电极以及组合电极分类正确率均可达80%以上，证明了骨传导方式听觉脑机接口技术是可行且有效的。

目录

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第一章 绪论

1.1 脑机接口技术概述

1.1.1 脑机接口技术的工作原理

1.1.2 脑机接口技术的特征脑电信号模式

1.1.3 脑机接口技术的应用

1.2 听觉脑机接口技术的国内外研究现状

1.3 听觉系统结构及功能原理

1.3.1 听觉系统结构

1.3.2 听觉的产生

1.4 本文研究目的与研究内容

第二章 实验设计与信号采集

2.1 听觉事件相关电位

2.2 脑电信号采集

2.2.1 10-20标准电极系统

2.2.2 脑电信号采集设备

2.3 听觉脑机接口实验设计

2.3.1 双耳分听范式实验设计

2.3.2 实验实施

2.4 本章小结

第三章 听觉诱发脑电信号特征分析

3.1 数据预处理

3.2 骨传导与空气传导听觉诱发电位分析

3.2.1 相干平均法简介

3.2.2 骨传导与空气传导N200成分幅值分析

3.2.3 骨传导与空气传导P300成分幅值分析

3.2.4 骨传导与空气传导N2ac成分幅值分析

3.3 骨传导与空气传导听觉刺激脑电地形图

3.4 骨传导与空气传导听觉刺激脑功能网络分析

3.4.1 脑功能网络构建

3.4.2 脑功能网络参数分析

3.5 本章小结

第四章 听觉脑机接口技术研究

4.1 听觉脑机接口实现原理

4.2 骨传导方式与空气传导方式特征提取

4.3 骨传导方式与空气传导方式基于支持向量机的特征分类

4.3.1 支持向量机

4.3.2 基于单电极的特征分类结果与分析

4.3.3 基于组合电极的特征分类结果与分析

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢