稳态视觉诱发电位的脑机接口范式及其信号处理方法研究

在概述国内外稳态视觉诱发电位脑机接口技术研究的基础上,针对传统稳态视觉诱发电位(SSVEP)在脑-机接口(BCI)系统应用中存在的问题,在范式设计方面,分别提出了基于牛顿环、高频组合编码和幅值调制的SSVEP的3种BCI范式。针对脑电信号微弱、辨识困难的问题,提出了基于随机共振机制的稳态运动视觉诱发电位增强方法;针对高频组合编码稳态视觉诱发电位(CCH-SSVEP)新范式响应信号的非平稳、弱信号特征,提出基于改进的希尔伯特黄变换的CCHSSVEP响应信号处理方法,提高了识别率。在系统应用方面,将牛顿环运动刺激范式与运动场景相结合,设计了场景结合导航技术,相对于传统方法,将刺激目标关联具体的物理位置,导航效率显著提升,将运动场景与刺激目标结合的所见即所得的方式提升了用户预选目标效率以及路线规划能力,同时也有利于用户集中注意力,提高脑电信噪比。最终,将该技术成功地应用于残疾轮椅的脑电导航控制中,取得了令人满意的效果。     

基于视觉双特征的并行联合脑-机接口范式的研究

基于多特征的并行联合脑-机接口与单一特征脑-机接口相比,能利用更多信息和并行方式提高特征提取和系统执行效率。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)的双特征并行联合脑-机接口范式,通过设计3×3字符拼写范式,矩阵中纵列白色竖条按设定频率闪烁诱发SSVEP,横行中白色竖条随机运动诱发MVEP。实验表明,被试者关注目标字符时,两种特征脑电信号被同时诱发出来,并且对两种脑电信号进行特征识别能够检测出被试者选取的目标字符。联合范式并行的刺激编码方式有效节约了刺激诱发时间,为构建更为实用的联合脑-机接口提供了一种实现方法。     

基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口实验研究

为提取应用于脑-机接口系统的稳态视觉诱发电位信号(SSVEP),运用叠加平均与快速傅里叶变换(FFT)相结合的方法,由其频谱图上得到作为输入信号的稳态视觉诱发电位信号.通过实验确定了叠加平均次数与最佳视觉刺激颜色,并对混合闪光刺激下SSVEP的提取进行了研究.实验结果表明,该方法提取出的SSVEP信号能够反映使用者的控制意图,可应用于脑-机接口系统.     

相位同步方法用于稳态视觉诱发电位的测量

稳态视觉诱发电位(SSVEP)被广泛用于脑-机接口和脑电的稳态标记频率检测中.在这些研究中,都需要解决一个问题:当视觉刺激的频率发生变化时,如何通过分析SSVEP信号,快速准确地跟踪上这种变化.解决这个问题通常的分析方法是利用信号的频谱特征.该文依据稳态视觉诱发电位与视觉刺激之间的时间锁定关系,提出用相位同步化方法来解决这个问题.实验结果表明,相位同步化方法能够更加准确地定位刺激频率的变化时刻.在SSVEP研究中,相位同步化可以作为一个新的可资利用的特征.     

稳态视觉诱发电位脑机接口的现场可编程逻辑门阵列实现

针对稳态视觉诱发电位(SSVEP)脑机接口(BCI)系统对计算机性能要求较高的问题,提出一种以现场可编程门阵列(FPGA)和商用脑电采集设备为核心的SSVEP-BCI系统。该系统通过FPGA独立的显示模块,实现了视频图形矩阵(VGA)接口的控制;按照显示刷新帧的方式分配闪烁频率对应的范式图案,实现了诱发SSVEP信号所需范式的稳定显示。通过实验对所设计的VGA视觉刺激器光闪烁频率进行采集分析可知,视觉刺激器范式显示频率与所设计的频率基本一致,可用于SSVEP诱发实验。结合所设计的视觉刺激器,完成了基于FPGA的脑电信号处理和特征识别。设计方案使用串口将脑电信号传输到FPGA端,采用快速傅里叶变换分析频率成分,对视觉刺激器对应的频率进行分析比较,最终通过实验对系统进行验证。结果表明:设计的系统在4个刺激目标和单次实验时长2s的情况下,实现了平均85.25%的识别正确率,表明系统能够实现SSVEP信号的诱发和有效识别,并且能够达到较好的效果。     

基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口研究

实现了一个以液晶显示器(LED)产生刺激频率的稳态视觉诱发电位(SSVEP)脑-机接口系统(BCIs)。为了从脑电中提取出稳态视觉诱发电位(SSVEP)信号,运用基于快速傅里叶变换(FFT)的方法和基于Mallat小波及AR模型分析法这两种处理方法对脑电信号进行离线分析。实验结果表明,用这两种方法提取SSVEP信号都可以达到很高的准确率;而基于FFT的方法更适用于脑-机接口系统。因此用基于FFT的方法完成了这个SSVEPBCIs的在线实验。     

基于稳态视觉诱发电位的脑电控制上肢康复机器人

针对现阶段基于脑机接口(brain-computer interface,BCI)的康复机器人存在多目标分类时间长、识别准确率仍有待提升的问题,设计了一种由脑电信号控制的上肢康复机器人,对脑电信号中的稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked po-tential,SSVEP)分类,进而判断出受试意图并输出相应动作指令.基于MATLAB的Psychtoolbox工具箱设计了包含5个刺激矩形的频闪界面作为视觉刺激器,刺激大脑生成SSVEP信号,对应上肢康复机器人的5个控制指令.运用多导联同步指数(multivariate synchronization index,MSI)算法对采集到的信号进行分类并输出控制指令,机器人在接收指令后执行特定动作.实验得到的机器人动作正确率最佳为98.33％,平均信息传输速率为23.11 bit/min.结果表明:SSVEP信号控制的上肢康复机器人在辅助治疗的方面具有良好的应用前景,可以有效提高肢体偏瘫患者的康复效果.     

基于稳态视觉诱发电位的脑电信号分类算法比较

基于稳态视觉诱发电位(steady state visual evoked potential,SSVEP)的脑-机接口(brain computer interface,BCI)系统具有分类准确率高、用户不用长时间训练等优点而广受关注.如何高效地对SSVEP信号频率识别而实现更好的分类效果是SS-VEP-BCI的核心问题.采用滤波器组典型相关分析(filter bank canonical correlation analysis,FBCCA)与任务相关成分分析(task-related component analysis,TRCA)对SSVEP信号分类比较研究,探讨了两种方法在数据长度、子带数以及通道数对SS-VEP信号分类效果的影响.35位被试者的数据表明:在数据长度小、时间短的情况下,TRCA具有更高的分类准确率,且子带数设置为5时,分类准确率达到最大.通道数越多分类准确率越高,但是通道个数较少时,TRCA分类效果明显优于FBCCA.研究为SSVEP脑电数据有效性分析以及提高基于SSVEP的脑电信号分类准确率提供了新的思路.     

用于稳态视觉诱发电位脑机接口目标识别的深度学习方法

针对稳态视觉诱发电位(SSVEP)脑电信号存在个体差异性强、信噪比低等特点而导致其识别困难等问题,提出一种用于SSVEP信号分类识别的深度学习方法。该方法以原始多通道SSVEP信号为输入,利用SSVEP信号的时空特性,首先使用一维时间卷积核对输入信号的时域进行卷积操作;然后使用一维空间卷积核进行空域卷积,对多通道信息进行融合;最后采用降采样、多尺度卷积、全连接等操作完成SSVEP信号的分类识别。实验结果表明:利用该方法在较短时间的视觉刺激下即可实现对被试者SSVEP信号的有效识别;在1 s刺激时长时,该方法的平均离线信息传输率为94.17 b/min,平均识别准确率为93.3%,相比于无监督典型相关分析方法和有监督支持向量机分析方法,识别准确率分别提升了48.73%、41.21%。该方法具有较高的目标识别效率及鲁棒性,有效提高了基于稳态视觉诱发电位信号的脑-机接口的性能。     

一种基于SSVEP的脑-机接口阅读系统

针对目前基于脑-机接口(BCI)的应用系统较少的问题,设计了一个可以帮助严重运动障碍残疾人实现书籍阅读的系统。系统基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)脑-机接口,采用CPLD平台设计视觉刺激模块,运用典型相关分析(CCA)算法在Visual C++平台上设计一个实时在线程序采集,分析脑电信号,并产生控制信号用于控制鼠标移动和阅读器翻页等操作。通过八位受试者的实验数据表明,设计的SSVEP脑-机接口阅读系统,产生控制指令的正确率高达94.8%,信息传输率(ITR)为40.98比特/分钟。该系统可以有效改善严重运动障碍残疾人无法与外界交流的生活现状,提高残疾人的生活品质。     

闭孔泡沫铝准静态压缩试验的有限元仿真

根据泡沫铝孔洞的结构特点,建立了单一孔十八面体力学框架模型,进而组建泡沫铝力学矩阵模型。通过有限元分析软件对其进行纵向加载准静态模拟仿真试验,得到了力学矩阵模型的应力分布图、位移与变形分布图以及应力-应变曲线。将仿真试验得到的应力-应变曲线分为4个阶段,分析了各阶段的产生过程和力学原理,得到泡沫铝纵向准静态压缩时的力学相关性能,为进一步实体试验和工程应用提供了技术参考。     

纯铝弯曲的单晶体塑性有限元模拟

借助有限元软件ABAQUS前处理功能建立铝板的几何模型,构建了纯铝单晶模型的用户材料子程序,并将其嵌入到ABAQUS有限元程序中,实现对铝板弯曲过程的模拟。该模拟过程分析了在采用单晶体塑性本构理论不同压下程度的铝板弯曲情况,得出在采用单晶模型理论时能够很好的反映出材料变化的不均匀性,以及压下程度的不同对滑移系启动的影响。     

泡状金属控制气流噪声源的实验研究与分析

本文从理论分析与实验两个方面对泡状金属的降噪效果进行了研究,认为泡状金属所具有的三维连通微孔是一种较理想的降低气流噪声的材料.其降噪机理是利用微孔抑制喷射气流的高强噪声的产生,同时使难以消除的中、低频段噪声移向便于消除的高频段.     

泡沫铝夹芯材料抗爆抗侵彻性能研究进展

泡沫铝及其复合材料具有质量轻、比强度高、比刚度高和功能可设计性等优点,在轻质防护领域具有广泛的应用。为全面了解泡沫铝夹芯材料在爆炸与冲击侵彻载荷作用下的毁伤机理和防护性能,概述了泡沫铝及夹芯复合材料的制备方法和应用,从理论研究、实验研究和数值研究三方面介绍了泡沫铝夹芯复合材料的抗爆抗侵彻性能,重点讨论了泡沫铝自身结构、夹板材质和组合方式等因素对材料毁伤机理和防护性能的影响。结合实际应用,指出当前研究工作中存在的不足,并提出有待进一步研究的方向。     

轧制制度对闭孔泡沫铝材料塑性的影响

研究了采用熔体发泡法制备的闭孔泡沫铝材料的轧制过程,分析了不同道次压下量条件下泡沫铝的变形特点与破坏方式,探讨了影响泡沫铝轧制能力的主要因素.结果表明:闭孔泡沫铝的轧制应遵循多道次、小变形的原则.道次压下量为0.1 mm时,Si质量分数为12%的泡沫铝(厚度约11 mm)经10道次变形后可实现1 mm的总变形量.道次压下量过大时泡沫铝的破坏方式为典型的脆性断裂,适宜的压下量则有利于发挥泡沫铝良好的吸能性,但小变形时易出现弯曲而使材料最终发生剪切破坏.提高泡沫铝轧制能力的具体方法为降低基体中的Si含量,提高材料组织性能的均一性,轧制工艺中采用适宜的道次压下量和较低的轧制速度.     

闭孔泡沫铝压缩力学性能的实验和三维有限元模拟

基于X射线电子计算机断层扫描技术,建立了反映闭孔泡沫铝真实结构的三维有限元模型.对闭孔泡沫铝准静态和动态压缩力学性能进行了实验和数值模拟,分析了闭孔泡沫铝的变形特性及力学性能,验证了模型的可靠性.结果表明,准静态压缩下,试件主要沿加载轴45°方向产生塑性变形.压缩速率为低速时,其变形模式与准静态相同.闭孔泡沫铝试件截面上结构薄弱处首先出现应力集中,材料达到塑性屈服.在高速压缩下,试件加载端首先达到塑性屈服.比较闭孔泡沫铝不同应变率下的屈服强度,动态压缩下的屈服强度远高于准静态压缩下的.应变率280~700 s-1下,其屈服强度变化不明显,应变率继续升高至2 000 s-1,屈服强度略微提高.      

泡沫铝材料的一维粘塑性本构关系

通过对不同初始密度的泡沫铝进行准静态压缩和动态冲击试验,得到了泡沫铝材料在中低应变率下的力学行为,结合分析含多种内变量的粘塑性本构模型的物理意义,推荐了适合于泡沫铝材料的一维粘塑性本构模型,并对推荐模型进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合比较好,该模型和实验结果均反映了泡沫铝材料的应变率负敏感特性。     

基于HyperMesh的汽车中控台装配变形仿真分析与优化

针对汽车中控台在装配时泡棉压缩所引起的变形问题,通过压缩试验测得泡棉的应力-应变曲线,基于HyperMesh建立（computer aided engineering,CAE）模型并使用LS-DYNA进行求解。同时建立实际模型,以相关安装点的变形量为基准,对比实际值与仿真值,对仿真模型进行验证。基于验证后的仿真模型,研究泡棉材料、仪表板材料和仪表板厚度对安装点变形量的影响,得到最优参数方案。结果表明：仿真值与实际值的误差在±20%以内,符合工程应用要求,验证了CAE模型的合理性;在模型中,泡棉材料对安装点变形量的影响最大,仪表板厚度次之,仪表板材料最小;泡棉材料为聚乙烯（polyethylene,PE）,仪表板材料为聚碳酸酯（polycarbonate,PC）+丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile butadiene styrene,ABS）,仪表板厚度为3 mm时,相关安装点变形量的平均值为1.041 mm,方差为0.062 mm²,变形量最接近目标值,且分布最均匀。     

盘式制动器刹车片钢背结构对制动噪声影响研究

通过改变刹车片钢背形状方法来研究汽车制动噪声,主要分为2阶段:1)通过建立实体和运动学模型进行分析和仿真研究; 2)采用声振实验进行验证.在声振实验过程中,采取激光测振仪以及LMS冲击锤2个实验,同仿真分析结果交叉对比以证明仿真分析的准确性; 采用3层结构的刹车片,相比传统的2层结构刹车片,该刹车片在不改变制动强度、保证安全系数的基础上具有更好的阻尼特性,有效地抑制噪声的发生.根据制动器噪声台架试验的结果,确定了刹车片固有频率对制动器噪声的贡献,并在此基础上,设计了不同结构形状的钢背刹车片来改变刹车片固有频率,利用ANSYS进行模态分析并制作样品进行噪声实验.仿真和实验结果表明,新设计的钢背刹车片能有效地减小汽车制动噪声的产生.     

镁颗粒在烧结过程中的变化方式及其对泡沫铝制备的影响

 研究了粉末冶金法制备泡沫铝材料过程中,提高可发泡预制坯致密度的方法.分析了预制坯制备过程中影响致密度的因素以及致密化过程;研究了烧结处理过程中烧结温度、烧结时间对预制坯内部组织结构及其致密度的影响.着重分析了烧结处理对Mg颗粒以及泡沫铝孔径结构的影响.对于粉末粒度为75~150μm的原料粉末来说,将在400MPa的压制压力下制备的预制坯进行450℃烧结处理2h以上,可提高预制坯的致密度并能够增加基体的连续性,烧结后Mg颗粒尺寸为原来的2~3倍.实验结果表明：采用冷压的方式,在400MPa的压力下,对经过450℃烧结2h后的预制坯进行发泡,可以得到孔径均匀、孔隙率高的泡沫铝材料.