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信号提取技术在脑机接口系统中的应用
目的 以 SSVEP为实例探讨脑机接口系统中输出信号的提取方法.方法 分别利用功率谱密度估计、独立分量分析和数字滤波器等技术提取脑电信号中的稳态视觉诱发电位,并对上述各种技术提取该信号的独到之处进行讨论.结果 本文利用图示方式直观展示了三种信号处理技术在 SSVEP提取中的特点.结论 将三种信号处理技术用于脑机接口研制与开发的不同阶段,给特征信号的确认、分析和提取带来很大方便.
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稳态视觉诱发脑机接口特征提取方法的研究
目的 为有效提取稳态视觉诱发脑机接口(SSVEP-based brain-computer interface)中的脑电特征,提出一种基于独立成分分析(independent component analysis,ICA)与希尔伯特黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)的特征提取方法.方法 对采集得到的脑电信号进行带通滤波,得到预处理的脑电信号,将滤波后的脑电信号作为ICA的输入,经过ICA实现独立成分的快速获取.引入HHT对独立成分进行经验模态分解(EMD),分解获取固有模态函数(intrinsic mode function,IMF),通过对IMF的频域分析,即可提取出特征.将ICA和HHT法同WT法、ICA法以及HHT法等常用的特征提取方法在频域、功率谱估计、在时间消耗等多方面进行比对分析.结果 频域分析和功率谱估计中,本文提出的方法明显优于WT法和ICA法,略优于HHT法.时间消耗方面,本文提出的方法略优于HHT法.结论 基于ICA和HHT的特征提取方法在稳态视觉诱发脑机接口的特征提取中是可行的,并有效去除了脑电信号中的噪声.
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数字信号处理器在脑-机接口系统中的应用
本文研究数字信号处理器(DSP)在基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口系统中的应用,同时详细介绍了系统的构成及各部分的设计与实现方法,并展示了初步的实验结果.本系统主要由刺激器、模拟放大电路、DSP核心电路和控制外设的红外发射电路组成.所选用的都是低功耗、高速的芯片,以满足实用性和实时性的要求.软件部分采用汇编语言编程,主要包括控制信号采集、50Hz陷波和带通滤波、快速傅立叶变换、特征提取和识别.经过测试,该系统不仅可以将输入的正弦波正确地检测出来,而且对于接入的实际脑电中的诱发响应也能很好地检测和识别.因此使用DSP使脑-机接口系统的小型化、实用化是可行的.
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结合颞肌肌电的虚拟家居控制系统设计与验证
目的 提出一种脑肌电结合的控制方式,用于对家居系统的控制,以提升控制的安全性和自主性.方法 提出一种结合稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential,SSVEP)和颞肌肌电的混合脑机接口控制方式,设计并实现了一个整合5种设备的虚拟家居控制系统.其中SSVEP用于实现指令选择功能,颞肌肌电用于实现系统开关、界面切换和指令确认功能.脑电和肌电信号分别采用典型相关分析和阈值法处理后,结合系统状态共同决定系统控制指令的生成.6位受试者进行了系统验证实验,定义控制指令比和误操作率等指标以评估系统性能.结果 6位受试者均成功完成对5种家居设备的控制,控制过程中未发生误操作.设备选择/操控指令的平均指令比为106.3％.结论 本文提出的脑肌电结合的控制方式可用于家居系统的控制,且能有效减少误操作的发生,提升控制的安全性.
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稳态视觉诱发电位频率响应特性研究
目的 稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential,SSVEP)是大脑对周期性视觉刺激产生的响应,已广泛应用于基于脑电(electroencephalogram,EEG)的脑-机接口(brain-computer interface,BCI).SSVEP频率响应曲线通常是以发光二极管(light emitting diode,LED)作为视觉刺激器的方式获得的.近年来,计算机显示器广泛用于产生闪烁刺激,然而基于计算机显示器的SSVEP频率响应曲线少有研究.为此,本文研究了基于计算机显示器的SSVEP频率响应特性.方法 利用采样正弦编码方法在普通LCD显示器上产生了42个刺激频率(频率范围4～45 Hz),并收集了10位健康受试者的脑电数据,以研究SSVEP幅值/信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)与刺激频率的关系.结果 较强SSVEP响应出现在大脑枕区.SSVEP基频幅值的峰值出现在10 Hz处,且第二峰值出现在20 Hz处.SSVEP二次谐波幅值的峰值出现在6 Hz且在高刺激频率处幅值较小.低、中频段的SSVEP基频信噪比处于相当的水平.结论 本文的实验结果可以为基于计算机显示器的SSVEP-BCIs的频率选择提供依据.
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基于高级控制策略的脑-机接口控制机械臂系统
目的 为了增加脑-机接口(brain-computer interface,BCI)控制机械臂完成诸如抓取和放置的复杂操作的能力,本文设计与实现了一套新颖的基于脑-机接口,控制的机械臂系统.方法 该系统主要包括计算机视觉、稳态视觉诱发电位脑-机接口和机械臂.计算机视觉用于识别工作区物体的形状和位置,低频稳态视觉诱发电位脑-机接口允许用户选择需要被操作的物体,机械臂则自主完成抓取和放置操作.为了验证机械臂系统,选取14名健康受试者,受试者均参加了离线实验,12名受试者参与在线实验.结果12名健康受试者的在线结果表明,所构建的系统能够在6.75 s内从4个可供选择的指令中输出一个命令,且获得(95.24±1.19)％的平均分类正确率.结论 稳态视觉诱发电位的脑-机接口能够为机械臂提供精确、有效的高级控制.
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稳态视觉刺激频率与诱发响应相关性的fMRI研究
稳态视觉诱发电位(SSVEP)及脑电逆问题(inverse EEG)的研究显示了大脑皮层对于不同频率的稳态视觉刺激的响应具有幅度及空间位置上的差异.本文利用功能性磁共振成像(fMRI)研究稳态视觉刺激频率与诱发响应之间的相关性.根据SSVEP的实验结果进行真fMRI实验设计,对5名被试者给予不同频率的稳态视觉刺激,同时进行了脑部的fMRI扫描,采用SPM软件进行数据处理和分析.结果显示,不同频率刺激下的响应区域均集中于初级视皮层(V1),并且均具有单侧优势效应,即右侧半球的响应强于左侧半球.该结果显示了初级视皮层单侧优势对于稳态视觉诱发响应的表现形式.本文讨论了单侧优势与刺激性质之间存在相关性的可能,以及对此做进一步研究和应用的前景.
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基于稳态视觉诱发电位的脑控轮椅的控制方式
电动轮椅已广泛用于改善运动障碍患者的行动能力,而严重运动障碍患者因丧失运动功能而无法实现自行控制轮椅.为解决这一问题,基于脑-机接口(brain-computer interface,BCI)的控制策略被引入轮椅控制中.基于稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential,SSVEP)的脑-机接口因具有高的信息传输率和较少的用户训练在脑-机接口领域备受关注.因此,本文综述了稳态视觉诱发电位脑-机接口驱动轮椅的现状,描述使用它们的人群,控制方式,脑控轮椅的特征提取和分类方法,以及系统性能评估方法.后,讨论了这一领域目前面临的挑战以及研究方向.
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脑机接口控制的下肢功能性电刺激系统研究
研发基于脑机接口控制的功能性电刺激系统,服务于下肢的运动康复.脑机接口采用的是基于稳态视觉诱发电位的脑电信号技术.使用线性判别分析分类器来处理脑电信号的频域特征,实现对下肢5种运动状态的控制意图识别,即开始、快速、慢速、停止和空闲状态.识别的意图转化为指令触发电刺激系统,刺激下肢的相关肌肉产生运动,并测量关节角度.设计的系统在6位正常受试者上进行了单纯的脑机接口实验,其中2位分别进行了脑机接口控制的小腿摆动与下肢行走的电刺激实验.在小腿摆动实验中刺激的是股直肌,行走运动实验中刺激的是两条腿的髂腰肌、臀大肌、股直肌和腘绳肌.实验分析了电刺激尾迹对脑电信号的影响,结果表明设计的脑机接口可以准确地识别运动意图(平均识别率高于85％),并能够实现电刺激作用下与该意图相对应的下肢期望运动.
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基于眼电和稳态视觉诱发电位分析的目光跟踪方法
眼动跟踪技术作为人机交互手段和行为检测方法已广泛应用于心理学和认知科学领域的研究,基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口也是一种备受关注的人机交互方法.本研究提出一种结合眼电和稳态视觉诱发电位同步分析的眼睛注视点位置跟踪方法,通过同步检测两种电生理信号:眼电信号(EOG)和脑电信号(EEG)来实现.主要的处理算法有:基于EOG的人机交互算法,包括基线去除、去噪声、角度变换、基准校正等；基于SSVEP的脑-机接口算法,通过典型相关分析法实现.由SSVEP判断出的目标对应的屏幕坐标可以作为眼动分析中基准校正的输入参数.实验结果表明:每0.5 sEOG-HCI可以对注视点位置进行一次识别；每2 sSSVEP-BCI可以对注视目标做一次判别；两者既可以独立运行,也可以协同工作,相比单一信号的人机交互方法,可以缩短判断时间和提高准确率.
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基于稳态视觉诱发电位的手机拨号系统研究
利用人体生物电作为人与外部设备沟通的桥梁,是一种新的人机交互方式.依此开展了基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的脑电手机拨号系统的研究.设计一种基于视觉诱发电位的实时脑-机接口系统,用于控制拨打手机号码.该系统采用单片机设计视觉刺激器,同时在LabVlEW平台上,利用功率谱估计实时提取诱发电位向量,产生脑-机接口控制命令,用于TC35无线模块拨打手机号码.通过5位受试者各10次实验验证,所设计的基于稳态视觉诱发电位的脑电手机拨号系统,识别正确率高达到100％,平均正确率98％,拨打任意一个11位手机号码的平均时间低于65 8,并且能保证正确拨打每一个号码.证明该系统的方案是可行的,具有较高的应用价值.
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基于脑-机接口的残疾人环境控制装置的设计
目的:脑-机接口是指大脑和外部设备间直接进行通讯的系统.本文基于此技术为有运动功能障碍的残疾人设计了一个环境控制器.方法:提取受试者的稳态视觉诱发脑电信号进行处理,分辨出受试者所注视的目标,并将该控制目标对应的命令代码发送给执行机构,执行机构接收命令并将其转化为相应的控制动作.结果:经过一般的训练过程后,使用者能正确地利用稳态视觉诱发脑电控制常规电器的起停,能通过红外遥控设备控制电视和空调,能拨打电话并启动语音播放.结论:该系统提供了一种全新的基于脑-机接口技术的环境控制器,为残疾人的日常生活带来了方便.
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便携式脑电信号采集与处理系统
目的 实现脑电信号的采集和处理,准确提取脑电信号中稳态视觉诱发电位(SSVEP)特征.方法 8通道脑电信号采集设备采集LED闪烁视觉刺激诱发的脑电信号,并实现原始脑电信号数字化;基于An-droid手机的数字信号处理平台通过蓝牙接收数字脑电信号并对其进行频谱分析,后提取出SSVEP特征.结果 10名志愿者参与实验,特征识别平均正确率高于90％.结论 脑电信号采集装置可以获得高信噪比的脑电信号,数字信号处理程序可以有效地检测到稳态视觉诱发电位.体积小、功耗低、便携等优点可使之用于开发诸多脑电相关应用,如睡眠监测,意念电话,智能轮椅控制等.
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面向星球探测的脑控无人车系统设计与实现
目的 研究基于带视频反馈和增强现实两种不同交互界面的脑控无人车系统及其操控方法.方法 针对建设星球基地过程中航天员与无人车交互可能面临的远程遥控和伴随操控任务,设计了两种基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口系统,分别使用带视频反馈的平面非沉浸式和基于增强现实的立体沉浸式交互方式;并利用滤波器组典型相关分析的方法提取出脑电图特征,结合异步控制的方法,实现对无人车的操控.结果 7名被试的离线实验中,非沉浸式和沉浸式交互所能实现的高信息传输率分别为45.4和25.04 bits/min;在线操控实验中,平均任务完成时间分别为4.13和4.03 min.结论 本文提出的两种脑-机交互方式对提高星球探测任务中的人机协同作业绩效有良好的参考价值.
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基于皮层诱发电位的脑机接口研究进展
脑机接口是一种不依赖于外周神经和肌肉等常规输出通道的信息交流系统.它可为神经肌肉障碍患者提供一条与外界沟通的途径,在虚拟现实、游戏娱乐以及航空等领域也具有重要的潜在价值.近年来,脑机接口的发展非常迅速,尤其对脑电信号的特征提取和特征转换等的研究较多.其中,稳态视觉诱发电位(SSVEP)和P300等皮层诱发电位信号因易于处理且不需要长时间训练而被广泛应用于脑机接口.本文总结了基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)和基于P300脑机接口的研究进展,重点分析了脑机接口的实验范式以及目前相关研究存在的困难.
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一种通过脑电信号实时检测双眼竞争的方法
目的 为实时准确地通过脑电信号分析双眼竞争中的意识交替感知,提供新的客观检测途径.方法 实验中,被试者的双眼分别给予闪烁频率略有不同的两幅图片刺激,产生双眼竞争现象,即被试者意识到的是两幅图片的交替转换;同时,被试者的脑电中也会产生和闪烁频率相同的稳态视觉诱发电位成份,该电位随感知交替变化.利用记录的多通道脑电信号,首先用一小段已知转换点的信号,训练两个能够捕捉切换点附近信号特性的检测模板,再用模板在整段信号上滑动,进行典型相关分析,给出其它未知的切换点,由此达到客观检测双眼竞争中主观意识的目的.结果 在仿真数据和真实实验数据的分析中,用本文提出方法得到的客观检测结果,和主观报告的匹配程度都好于用已有的谱分析方法.结论 这种基于模板检测方法,相比已有的谱分析方法具有更好的抗噪性能,并能够充分利用谐波的信息.在客观检测双眼竞争中具有实用价值.
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双眼竞争下面孔感知的客观评价及梭状回相关性分析
目的：研究双眼竞争的客观检测方法，并分析梭状回与视觉皮质的相关性。方法6名受试者进行双眼竞争试验，受试者一只眼呈现8．57 Hz 闪烁的平静表情面孔图片，另一只眼分别呈现12、15 Hz 闪烁的恐惧表情面孔图片，并记录脑电图（electroencephalogram，EEG）信号。两个不同频率闪烁的刺激诱发稳态视觉诱发电位（steady state visual evoked potential，SSVEP），通过短时傅里叶变换（short time Fourier transformation，STFT）的时频分析方法，解析面孔刺激中双眼竞争的持续时间和交替频率，比较两侧梭状回面孔识别区（fusiform face area，FFA）与视觉皮质的相关系数。结果双眼竞争下左眼观看平静表情面孔的时长平均（411．6±73．8）ms，右眼观看恐惧表情面孔的时长平均（547．6±126．7）ms，不同组合下交替频率没有差异，左侧 FFA 与右侧相比，对恐惧表情面孔的加工更敏感，两侧 FFA 对恐惧表情面孔的加工没有频率差异。结论SSVEP 能作为双眼竞争中优势态感知的频率标记，成功对双眼竞争下视觉感知进行客观评价，双眼竞争和 SSVEP 结合的方法可用于视觉感知神经机制的研究。
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视觉诱发的联合mVEP和SSVEP特征成分提取研究
目的 提出一种基于运动起始视觉诱发电位(mVEP)和稳态视觉诱发电位(SSVEP)的特征成分联合脑一机接口(HBCI)范式.方法 通过设计3×3字符拼写矩阵,矩阵纵列白色竖条按设定频率闪烁诱发相应的SSVEP,横行白色竖条随机运动诱发mVEP.利用时域、频域分析提取2类特征信号.利用支持向量机(SVM)对比联合范式和单一范式目标字符识别正确率.结果 受试者S1和S6在联合范式条件下平均目标字符识别正确率相对于单一范式提高约2％;其他受试者相应比较提高约6％;当同一字符重复刺激3次以上,所有受试者单一范式平均正确率为85.6％,联合范式的正确率能达91.4％.结论 HBCI刺激范式能同时有效地诱发多种特征脑电信号.联合范式在不同选择次数下的正确率均高于单一范式.联合刺激方式将运动诱发与固定频率闪烁相结合有效地节约了刺激诱发时间,加速了特征成分提取效率.
关键词： 运动起始视觉诱发电位 稳态视觉诱发电位 联合 特征成分 -
稳态视觉诱发电位脑-机接口控制机械臂系统的设计与实现
目的 近期利用非侵入式脑-机接口控制诸如计算机光标的虚拟对象及诸如轮椅的实际对象的研究已经证明了脑-机接口的前景.然而, 少有研究尝试利用基于头皮脑电的非侵入式脑-机接口控制机械臂.方法 引入了一个基于非侵入式脑-机接口的机械臂控制系统, 该系统由机械臂子系统和基于便携式无线脑电的脑-机接口子系统组成.机械臂子系统是一个配备有两指气动抓手的6轴Denso机械臂, 进而形成一个7自由度机械臂系统.针对机械臂的常用控制命令, 设计了一个15目标的稳态视觉诱发电位脑-机接口且只记录了顶枕区9个导联, 并用其控制一个7自由度的机械臂.为避免将刺激频率的谐波频率成分也作为刺激频率, 刺激频率范围为8.015.7 Hz, 频率间隔为0.55 Hz.无需任何训练数据的滤波器组典型相关分析方法被用于目标识别.由于机械臂由脑-机接口直接控制, 该系统允许用户通过脑-机接口的15个命令在三维空间中灵活进行机械臂运动控制.结果 来自10例健康受试者在线结果表明, 研究所构建的脑控机械臂系统具有较好的性能, 平均识别正确率高达93.87％, 高识别正确率达100.00％.结论 实验结果证明了基于非侵入式脑-机接口技术控制机械臂的可行性.
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基于脑机接口的脑卒中患者语音看护系统
脑卒中患者的语言障碍使得他们无法表达自己的意图,给患者的治疗和生活带来了巨大的困难.为了改善患者的语言状况,便于家人和看护人员的看护,本研究利用脑机接口技术设计实现了一种服务于脑卒中患者的语音看护系统.该系统利用Alpha波实现异步的工作方式,患者可以自主地选择何时启动系统运行;利用对稳态视觉诱发电位(steady－state visual evoked potential,SSVEP)信号的分析实现患者语言意图的识别;利用语音合成技术完成患者语言的语音表达输出.该系统的在线实验结果证实了该系统的可行性与有效性,四名被试者可以利用Alpha波控制系统的启动与空闲,系统启动后再利用SSVEP信号控制自身的表达意图,控制准确率高达90%以上.
