基于脑电的脑机接口关键技术研究及微波脑功能成像技术初探

摘要

随着科技进步，“意念控制”正逐步由科幻变成现实，这得益于脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）的快速发展。脑机接口，作为脑科学与认知科学领域的一个分支，架起了生物脑与外围设备之间的直接交流渠道。就目前的脑机接口而言，建立在脑电信号基础之上的脑机接口是其发展的主流方向。一方面，鉴于脑电信号的非平稳、非线性、随机性等特征，故需要借助优良的信号处理算法，方可提取脑电信号的特征向量；另一方面，原始脑电信号的质量，直接影响着后续信号处理的效果，但是脑电信号自身特性决定了采集装置性能的提升和实验范式的优化所能提高的原始信号质量的幅度是有限的，脑电自身的弊病难以完全消除，如空间分辨率差。为此，从优化脑电信号处理算法和探索其他可表征大脑活动的信号这两个角度出发，本文围绕基于脑电的脑机接口的关键技术开展了如下研究： （1）开展了脑电信号采集实验。针对两种目标脑电信号，设计了实验采集方案，搭建了脑电信号采集实验平台，开展了基于左右手运动想象和alpha波的信号采集实验，获取了两种目标脑电信号。其中左右手运动想象脑电信号可用以控制运动方向，而alpha波则作为状态转换开关。 （2）研究了脑电信号处理算法。设计了5阶椭圆数字带通滤波器，对原始脑电信号进行滤波处理，保留8-30Hz有用分析频段。针对运动想象脑电信号，首先采用10阶的基于burg算法的AR功率谱估计方法提炼脑电信号的明显频段，在此基础上，借助3层小波包分析，获得了归一化后的小波包能量值作为运动想象脑电的特征向量，以输入到Fisher线性判别分类器，进行左右手分类识别。针对alpha波信号，由频谱分析，观察到了alpha的节律性和睁眼闭眼状态信号差异。分别截取2秒睁眼闭眼数据，计算了O1通道处的能量值，设定了两种状态下能量值的算数平均为判断阈值，判断alpha波的存在。 （3）开展了基于微波脑功能成像技术的大脑活动探究性实验研究。考虑到脑电信号空间分辨率差、易受头骨衰减等内源性不足，因此本文从信号源头上出发，选取了10只经麻醉处于睡眠状态的大鼠，搭建了基于微波脑功能成像技术的大脑活动探究性实验平台，设置了头皮脑电对照组，同步采集了脑电信号和微波信号。经过FFT变换和相关分析，验证了该方法用于大脑活动检测的可行性。

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第一章 绪论

§1.1引言

§1.2脑机接口国内外研究现状

§1.3现有技术难点

§1.4本文主要研究内容及创新点

第二章 脑电生理学基础及脑机接口

§2.1脑电生理学基础

§2.2脑机接口技术

§2.3本章小结

第三章 脑电信号采集及预处理

§3.1 alpha波及运动想象脑电信号的生理特征

§3.2脑电信号采集

§3.3 脑电信号预处理

§3.4本章小结

第四章 信号特征提取及模式识别

§4.1信号特征提取

§4.2脑电信号模式识别

§4.3 本章小结

第五章 基于微波脑功能成像技术的脑活动探究性实验研究

§5.1提出课题

§5.2设计实验

§5.3结果与讨论

§5.4本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 全文总结

§6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要研究成果