基于视觉双特征的并行脑-机接口范式的研究

摘要

脑-机接口这一概念在二十世纪七十年代被首次提出，至今已有几十年的发展历史。从最开始的旨在帮助残疾人或严重神经肌肉受损而生活不能自理的人重新建立与外界的正常交流，到如今的多元领域发展和应用，如在康复医学领域、娱乐领域、特殊作业领域及生物身份识别领域等等。
　　传统脑-机接口系统仅采用单一的脑电信号作为输入信号，常常存在一定的缺陷和不足，如在传统的P300speller中，系统需要遍历所有行列刺激才能最终确定所选字符，存在传输速率低、执行效率差等问题。
　　联合脑-机接口就是将不同类型的脑-机接口相结合，或在一种脑-机接口的基础上加入其他控制系统，以实现混合控制方式，它与传统单一的脑-机接口系统相比，能在多任务情况下提高执行效率，因此本文提出了一种基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)和运动起始视觉诱发电位(MVEP)的并行脑-机接口范式。
　　刺激范式为一种新型的3*3字符矩阵，使其纵列矩阵方框内的竖条按照同一频率闪烁以诱发 SSVEP，横行方框内竖条按行随机运动以诱发 MVEP。8位被试者参与了联合范式和单一的基于MVEP的范式实验，并从时域、频域和时-频域上对其进行了特征分析。联合范式下，通过对各导联采集到的脑电信号经过多次叠加平均，发现时域上顶颞叶区的MVEP的特征成分 N200电位在靶刺激出现后的200ms左右被明显的诱发出来，并作不同时刻的脑地形幅值图发现联合范式在300ms左右较单一范式还诱发了明显的P300，同时比较联合范式与单一范式N200的潜伏期，发现联合范式N200的潜伏期明显延长(P<0.05)；采用周期图法对枕区导联在频域上进行数据处理，发现明显诱发了与目标字符闪烁频率对应的SSVEP，枕区导联的幅值随着离Oz导联距离的增加而降低；对Oz导联上获取的数据进行短时傅里叶变换，发现大多数被试者诱发脑电的频率随着时间变化保持不变且不间断，但其中有2位被试者出现了SSVEP阻断的现象，为了进一步验证运动刺激的出现是否会对SSVEP的诱发起到抑制作用，采用典型相关分析方法对枕区信号进行处理，结果表明当运动刺激出现时，枕区脑电信号与刺激频率的相关系数ρ值小于运动刺激不出现时，验证了运动刺激的出现会在一定程度上抑制SSVEP的诱发，但这一特性个体差异较大。最后对两种范式得到的脑电信号利用支持向量机进行分类，分别计算分类正确率和信息传输速率。结果显示，联合范式在分类正确率及信息传输速率上均优于单一范式，并且选择次数2次以上，联合范式的平均正确率提高了3％以上，当相同目标字符刺激重复3次以上，数据平均后，联合范式的正确率达90%以上，联合范式的最高ITR达40bit/min。
　　研究结果表明，这种新型的联合脑-机接口范式并行的刺激方式能同时有效的诱发多种特征脑电信号，并且对采集到的脑电信号在时域上提取目标字符所在位置的行信息，在频域上提取列信息，通过分类器对特征信号进行识别最终确定了目标字符的位置，实现目标识别。与单一的基于MVEP的范式相比，有效的节约了刺激诱发时间，提高了系统的信息传输速率，为构建更为实用的联合脑-机接口提供了一种理论基础和技术支持。

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一、绪论

1.1脑-机接口技术

1.1.1脑-机接口的定义

1.1.2脑-机接口的分类

1.1.3脑-机接口的应用

1.2基于视觉诱发电位的脑-机接口研究

1.3基于事件相关电位的脑-机接口的研究

1.4基于多特征联合的EEG脑-机接口研究

1.5论文目的和内容

二、基于视觉双特征的联合脑-机接口范式研究

2.1 N200的研究

2.2 SSVEP视觉诱发电位的研究

2.3 基于N200和SSVEP的联合脑-机接口

2.4 实验方法

2.4.1 视觉刺激模式

2.4.2 受试者的选择和要求

2.4.3 信号的采集

2.4.4 信号预处理

2.4.5 目标字符识别策略

2.5 N200特征的提取

2.5.1 叠加平均技术

2.6 SSVEP特征的提取

2.6.1 短时傅立叶变换

2.6.2 典型相关分析

2.7 分类方法——支持向量机分类

2.8 实验结果

2.8.1 N200波形特征

2.8.2 SSVEP识别

2.8.3 时频特性

2.8.4 字符识别

2.8.5 信息传输速率

三、结论与讨论

3.1 结论

3.2讨论

四、总结与展望

4.1 全文工作总结

4.2 未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述：视觉诱发电位脑-机接口的研究进展

致谢