基于双耳分听范式的听觉脑机接口技术研究

摘要

脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）是一种不依赖于大脑的正常输出通路，通过直接提取大脑活动信号控制外部设备，实现大脑和外部环境直接通讯的技术。国内外对基于视觉范式的BCI技术进行了大量研究，取得了很多成果。然而，很多患者在失去自主肌肉控制能力的同时，视觉能力也会出现一定的退化，运用基于视觉范式的BCI系统很难很好的发挥作用。幸运的是，对于大部分闭锁病人来说，其听觉系统的功能往往是完好的，可以运用听觉BCI技术来改善他们的生活质量。
　　本文在听觉生理机制研究的基础上，将双耳分听实验引入BCI研究中，进行了基于双耳分听范式的听觉BCI技术研究。具体工作如下：
　　1、设计了三个基于双耳分听范式的实验任务。给被试双耳同时播放不同的声音刺激序列，被试通过关注其中一只耳朵中的声音序列，进而做出选择。
　　2、采用相干平均方法进行特征提取，在靶刺激波形中出现了N200和P300特征成分以及差异波形N2ac。对3个实验任务进行对比分析，探索了刺激声音频率、靶刺激出现频率、电极位置等因素对听觉诱发电位的影响。
　　3、采用支持向量机进行特征分类。将N200和P300两个成分结合用于特征分类，比传统单独运用P300特征分类的方法取得了更高的分类正确率。分析表明，靶刺激出现频率降低时，分类正确率会提高，但信息传输率会有所下降。采用多个电极上的特征信号进行分类，能够达到或超过单个电极的分类效果。文中六名被试的特征电极的分类正确率和基于多电极特征的分类正确率均达到了80％以上，实验表明了双耳分听范式的有效性和可行性。
　　4、本文以患者的日常生活需求为应用背景，设计了在线BCI系统界面。为适应在线BCI系统对实时性的要求，在左、右耳声音序列中分别加入一种声音，提高了选择种类。通过对六名被试的训练实现了基于双耳分听范式的在线控制。

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第一章 绪论

1.1 BCI技术概述

1.2 听觉BCI技术的研究现状及存在的问题

1.3 双耳分听实验

1.4 本文的研究目的与主要工作

第二章 双耳分听范式实验设计与信号采集

2.1 脑电信号的特点及采集

2.2 听觉事件相关电位

2.3 双耳分听范式实验设计

2.4 本章小结

第三章 脑电信号特征提取

3.1 脑电信号预处理

3.2 相干平均法简介

3.3 特征提取结果及分析

3.4 特征可分性判据r2分析

3.5 本章小结

第四章 基于支持向量机的脑电信号分类

4.1 电信号分类方法

4.2 基于SVM的脑电信号分类

4.3 信息传输率分析

4.4 本章小结

第五章 基于双耳分听范式的在线BCI系统设计

5.1 在线实验方案

5.2 在线BCI系统设计

5.3 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果

致谢