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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

用于稳态视觉诱发电位目标识别的多尺度特征融合卷积神经网络方法

针对传统稳态视觉诱发电位(SSVEP)脑电信号目标识别方法分类精度低、提取特征不充分、方法复杂且耗时等问题,提出一种基于多尺度特征融合卷积神经网络的SSVEP信号分类识别方法(SSVEP-MF)。利用小波变换将多通道SSVEP信号整合转化为二维图像作为输入样本集;建立多尺度特征融合卷积神经网络模型(MFCNN),该模型利用三层二维卷积核实现图像样本不同尺度特征的充分提取,构建多尺度特征融合单元对不同层级特征进行融合,并通过全连接等操作完成模型的训练;将样本集输入到MFCNN模型中实现脑电信号特征自适应提取及端到端分类。所提SSVEP-MF方法能够充分提取信号各层级特征,实现短时间视觉刺激下SSVEP信号的有效识别,并具有较高的目标识别效率。实验结果表明,在1 s刺激时长时,相比传统功率谱密度分析方法、典型相关分析方法以及普通卷积结构方法,所提方法的识别准确率分别提升了18.57%、20.08%及7.03%,有效提高了基于稳态视觉诱发电位范式下脑机接口的信号识别性能。     

稳态运动视觉诱发电位的诱发及在脑机接口中的应用进展

基于稳态运动视觉诱发电位(SSMVEP)的脑机接口(BCI)能够减少使用者的视觉疲劳,但其信号强度和系统性能仍不能代替基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的BCI.本文对提高SSMVEP信噪比的两种思路以及SSMVEP在BCI中的应用进行了综述.首先归纳和总结了影响SSMVEP诱导和性能的3个主要因素,即运动视觉刺激方式...     

用于稳态视觉诱发电位特征频率提取的同步压缩短时傅里叶变换方法

针对稳态视觉诱发电位(steady state visual evoked potential,SSVEP)范式下脑电信号(electroencephalograph,EEG)信噪比低、限制其识别正确率提高及脑-机接口应用等问题,根据EEG随机性、近似平稳的特点,提出了用于SSVEP特征频率提取的同步压缩短时傅里叶变换方法。该方法利用短时傅里叶变换对EEG进行时频分析,并通过同步压缩变换对时频平面的能量在频率方向进行重新分配,获得频率曲线更加集中的时频表达;同时为提高EEG信噪比,提取SSVEP脑电中特征频率附近信号进行重构,并利用典型相关分析进行分类识别,有效提高了最终识别正确率。仿真和实验结果表明,该方法极大地提高了信号的信噪比,具有良好的抗噪声性能和信号提取精度,且与传统的经验模态分解和常规滤波方法相比,该方法平均识别正确率最多分别提高了9.98%和4.38%,平均信息传输率最多分别提高了7.57bit/min和2.69bit/min,有效提高了SSVEP范式下脑-机接口的工作性能。     

一种基于稳态视觉诱发电位的脑-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40.98bit/min。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。     

数据区间优化对SSVEP算法性能的影响

稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential, SSVEP)响应的个体差异性较大,不同环境下各被试者脑电信号的质量有差别.针对这个问题,研究了SSVEP中数据区间的优化对CCA(典型相关分析)和ECCA(扩展典型相关分析)方法分类结果的影响.首先通过网格搜索方法找到脑电信号的最优数据区间,然后使用CCA和ECCA方法对该区间数据进行特征识别,使得识别效果得到提升.实验结果表明,同时对数据区间起始点和终点进行优化能够有效提升信息传输率(ITR),数据区间优化后的CCA和ECCA分类平均ITRs为(61.18±27.20)bit/min和(71.37±32.24)bit/min,比使用传统的仅优化数据区间终点的方法提高了29.89%和8.3%,证明了通过数据区间优化能够提升SSVEP算法的性能.     

稳态视觉诱发电位频率与相位特性的脑电研究

以往的研究发现,头皮脑电在枕区电极处所测得的稳态视觉诱发响应的幅度随着刺激频率的变化而变化。为了解释这一现象,该文采用一个3层的边界元头模型以及基于该模型的求逆算法,通过真实脑电数据分析,发现位于左、右侧枕区的皮层源在稳态视觉诱发响应上存在着时间差,由此提出假设:左、右侧枕区的皮层源在不同刺激频率下,在时间相位上存在着差异,这是造成不同刺激频率下脑电响应幅度存在差异的原因之一。通过仿真实验进一步验证了该假设的合理性。     

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.     

改进的多变量同步指数脑机接口分类算法

近年来,稳态视觉诱发电位（steady-state visual evoked potential, SSVEP）范式脑机接口（Brain-computer interface, BCI）得到了日益广泛的研究。如何选择不同的分类特征,对于提高频率识别的准确率,改善SSVEP-BCI系统至关重要。针对少目标刺激范式的SSVEP-BCI系统,本文提出小波包变换（wavelet packet transform, WPT）同多变量同步指数（multivariate synchronization index,MSI）相结合的方法,对10名被试者的400组SSVEP数据进行特征提取并分类。在分类过程中,讨论了在导联数量和数据长度两个参数对改进算法的影响。实验结果表明：在数据长度为1.5 s,导联7导的条件下,基于WPT-MSI的SSVEP算法的分类准确率达到98.94%,信息传输率为76.24 bit/min。明显优于典型的MSI算法和其他改进算法,具有显著提高的频率识别正确率。     

基于模型组件技术的通用离散事件动态系统仿真模型

针对传统离散事件动态仿真软件可重用性差的缺陷，提出了基于组件技术的设计方法，给出了基于组件技术的离散事件动态系统通用的模型接口及原型实现，开发了类似Matlab的离散事件动态系统仿真环境，该仿真工具通过拖放创建模型，联线建立模型间逻辑联系，并在炼钢连铸车间物流仿真中得到了运用。该设计方法还可以推广到其他柔性制造系统的仿真应用中。     

Neural suppression of distractors surrounding the spotlight: Evidence from steady-state visual evoked potentials

The present study investigated the allocation of spatial attention using steady-state visual evoked potentials(SSVEPs).The SSVEP is elicited in visual cortical areas by a repetitive flicker having the same fundamental frequency as the driving stimulus.Two flickers were applied with the letter stream presented in the center of the monitor and the distractor presented on either the left or right side of the target.Participants were instructed to detect the target letter in the letter stream.The distance of the two flickers was manipulated.The results show that the amplitudes of the SSVEPs elicited by the distractor were enhanced when it was in the closest position and suppressed when it was at a farther distance.But the amplitudes rebounded at the farthest distance.Meanwhile,the SSVEP elicited by the target flicker remained stable independent of the distance of the distractor.Thus,the present study indicates that focused attention involves neural suppression surrounding the classic "spotlight",and the SSVEP paradigms open new avenues for studying the attentional suppression mechanism.     

基于PSD特征的FBCCA脑电信号识别方法

:当前基于稳态视觉诱发电位 (Steady-State Visual Evoked Potential,SSVEP）的脑机接口使用的都是单一识别算法,针对不同时间长度的识别准确率较低。本文提出了一种基于滤波器组的典型相关分析（Filter Bank Canonical Correlation Analysis,FBCCA）与功率谱密度（Power Spectral Density,PSD）分析相结合的SSVEP识别算法,可以提高SSVEP识别的普适性与准确率。该方法使用FBCCA寻找高相似度的参考频率信号,再通过多组PSD分析来锁定最终的响应频率,完成频率识别。该方法无需经过训练就能得到较高的识别准确率。实验结果表明,在刺激时长为1s时,该方法能达到86.61%的准确率,比PSD分析的方法提升了5.44%,比典型相关性分析方法(Canonical Correlation Analysis,CCA)提升了10.38%的准确率,比FBCCA提升了8.86%的准确率。     

基于直接数字频率合成的变频条纹生成方法

针对时间相位重建算法存在的实时性差的缺点，提出了一种可以快速生成并获取二维编码条纹图的方法．该方法利用直接数字合成器驱动的声光偏转器使2束相干光分别发生布喇格衍射，2束衍射光相交后发生干涉，获得干涉条纹．通过调节直接数字合成器的频率控制字改变干涉条纹的空间频率．依据该原理建立的系统可以完成变频条纹图的实时投影与采集，对采集到的变频条纹图进行处理后可以获得物体的三维数字像．实验表明每幅条纹图的投影及采集用时10ms左右，该投影及采集装置可以应用于实时性要求高的三维传感系统中．