基于Golay序列调制的视觉诱发电位脑机接口系统

脑机-接口是一种新型的人机交互方式,不依赖于外周神经和肌肉,而是直接将脑电信号翻译成计算机的控制命令。针对传统脑机-接口系统识别准确率低、可识别目标少等问题,提出了一种基于Golay序列调制的视觉诱发电位脑机接口系统。首先受试者必须注视着屏幕上闪烁的目标,通过脑电放大器对人脑表皮层产生的信号进行采集、放大、A/D转换等预处理操作,然后经过实时分析软件对预处理后的脑电信号进行分类识别,取出大脑特定获得下的特征;最后将其转换为计算机的控制命令,并将输出结果反馈给用户。系统选取了Golay序列对刺激目标进行调制,且运用模板匹配法对目标进行识别。实验结果表明,该方法能有效的识别刺激目标,且获得了93.75%的识别准确率。     

可穿戴式干电极脑机接口系统设计

针对现有脑电设备便携性差的问题,提出了一种基于嵌入式的可穿戴干电极脑机接口(BCI)系统。该系统首先通过干电极配合24位模数转换芯片采集脑电信号,然后使用FIR数字滤波的方法进行3～35Hz带通滤波,最后通过嵌入式处理器进行脑电识别。在识别算法方面,首先对脑电信号进行截断处理,去除视觉刺激延迟以及FIR滤波造成的群延迟;然后采用皮尔逊相关系数法进行在线脑电识别,并分析刺激时长对正确率和信息传输率的影响。实验结果表明:该系统采集信号的平均信噪比为74.86dB,50Hz处共模抑制比为-132.57dB,所用的相关系数法平均识别时间为0.13s,四目标在线稳态视觉诱发电位实验的平均正确率为69.54%。与使用标准典型相关分析(CCA)算法的便携式BCI系统相比,该系统的平均识别时间缩短0.27s,平均正确率提高了10%,可为干电极脑机接口系统应用提供思路。     

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。     

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。     

基于多种灰度闪光刺激的P300脑-机接口性能研究

因P300脑-机接口系统的准确率和信息传输率较高,已被广泛应用。研究表明,视觉刺激的强度会影响脑-机接口系统的性能,本文对此展开了相关范式研究。首先,按人眼感知灰度的敏锐度将视觉刺激强度划分为9种灰度值并设计刺激范式;然后,通过实验采集9种灰度值刺激源诱发的P300电位数据;最后,对数据进行分析,得到灰度值与P300电位强度和电位分类准确率的关系信息。实验结果表明,振幅、潜伏期与灰度值之间存在一种波动增长关系,同样,灰度值与电位分类准确率也呈现此种关系,为P300脑-机接口系统的刺激源设计提供了重要依据。     

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。     

基于脑电的脑机接口刺激系统的研制

脑机接口(BCI)是在人脑和外界之间建立不依赖于常规大脑信息输出通路的一种通讯系统.脑机接口刺激系统的作用是通过对受试者施加一定的外界刺激来诱发具有一定特征的脑电波.本研究基于多种刺激模式的脑机接口视觉刺激器,采用计算机编程,在计算机屏幕上实现了基于VEP、P300、想象运动的3类刺激模式.该系统能够通过特定的刺激从而有效地诱发出可识别特征的脑电信号,采用XML技术使得该刺激系统具有较强的可扩展性,可以满足脑机接口实验的需要.     

骨传导听觉脑机接口技术研究

听觉脑机接口技术为视觉通路存在障碍的闭锁综合征患者提供了与外界交流的新通道.为了使空气传导通路受损的病患也能应用此项技术,本文将声音骨传导方式引入到听觉脑机接口实验研究中.本研究设计了左右耳分别呈现不同声音序列的双耳分听实验范式,对骨传导及空气传导方式所诱发脑电信号进行了特征提取和分类比较.实验结果表明两种传导方式下靶刺激均可稳定的诱发出N200与P300电位,骨传导方式下,N200的幅值较空气传导方式更显著.两种方式都获得较高的分类正确率,均可用于听觉脑机接口系统,且骨传导方式优于空气传导方式.     

语义匹配性及刺激间隔对视听双模态脑控字符输入系统的影响

近年来,基于事件相关电位(ERP)的脑控字符输入系统的研究越来越多,视觉与听觉的多模态刺激范式作为一种新型的复合刺激越来越受到关注.然而,研究视听双模态刺激的脑控字符输入系统性能因素的文章却很少报道.本研究旨在初步探究视听觉刺激的语义匹配性以及刺激间隔(SOA)对视听双模态脑控字符输入系统的影响.为此,本研究设计了语义匹配、语义失配两种刺激范式,每种范式又设置两种不同的刺激间隔(200,ms或400,ms).10名健康被试参与了本实验,通过对比事件相关电位特征、可分性及分类正确率发现视听觉匹配性、刺激间隔以及两者交互作用对非目标刺激大脑反应、目标刺激大脑反应及其可分性都有显著性影响,且视听觉的匹配性对视听联合脑控字符输入系统分类正确率影响显著,但是不同刺激间隔脑机接口分类正确率之间并无显著性差异.本研究的结果能够为基于双模态刺激脑控字符输入系统的范式选择和优化提供一定的指导意见.     

相位集聚指数在脑-机接口特征提取中的应用

脑-机接口(BCI)可以用来帮助运动障碍的病人建立大脑与外部世界直接交互的通道。提取判别特征对提高脑-机接口的性能有重要意义。该文研究了在不同刺激循环中的相位一致性在脑-机接口分类中的作用,将相位聚集指数(PCI)特征引入基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的脑-机接口应用中。通过相同的分类方法,比较传统的功率谱(PSD)特征和相位聚集指数特征的分类正确率。结果表明:在一个6分类的脑-机接口系统中,相位集聚指数特征的分类正确率显著(p0.05)好于功率谱特征,相位集聚指数特征在脑-机接口分类任务中更为有效。     

基于P300的脑-机接口: 视觉刺激强度对性能的影响

脑-机接口(BCI)是大脑与外部世界直接的交流通道.为了研究视觉刺激强度对基于P300的脑-机接口性能的影响,设计并实现了一种基于5个选择oddball的P300诱发电位范式的脑-机接口系统,并在此系统中研究2种不同强度下视觉刺激(高强度和低强度)下脑-机接口的信息传输率差异.9名受试者参加了实验,每位受试者在高低2种强度视觉刺激下各采集40组数据,数据在预处理后使用支持向量机进行分类,最终的目标识别率分别为84%和81%.平均波形表明在所设计的范式下2种强度视觉刺激均可以诱发出稳健的P300电位,离线分析表明高强度视觉刺激下平均信息传输率可以达到4.9 bit/min, 而低强度视觉刺激下为 4.5 bit/min.     

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。     

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。     

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。     

基于多个伪随机序列调制的视觉脑机接口研究

传统的基于编码调制的视觉脑机接口(BCI)使用一种编码及其移位来调制不同的视觉目标,限制了目标数的增加,因而限制了系统的信息传输率。基于两种不同类型的三个伪随机序列调制实现了一个48个刺激目标的BCI系统。采用两个不同的Golay码和一个近完美序列对目标进行调制,使得每个码的自相关特性和每个码之间的互相关特性都很好,大大提高了刺激目标数。通过模板匹配法对训练数据进行分类识别获得了很高的识别准确率,并和一类支持向量机方法进行了比较。选取了8个受试者进行了实验膜板匹配法的平均识别准确率达到93.49%,证明了这是一种提高刺激目标数的好方法。     

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。     

基于卡尔曼滤波的ECoG信号去噪方法研究

脑电信号反映了生物体的大脑活动,在采集和处理过程中极易受到各种噪声的干扰,如眨眼、快速眼动、心电、肌电等,这些噪声给脑电信号的分析处理带来了很大的困难。本文提出了卡尔曼滤波模型和模型参数估计的方法,将其应用于脑电ECoG信号去噪预处理。实验所用的数据是公开的脑机接口竞赛实验数据(BCI Competition Ⅲ dataset Ⅰ),分类正确率为92%。实验结果表明通过本方法去噪预处理后,分类正确率比竞赛第一名高,并且优于小波去噪与谱减法等预处理方法。     

改进的Wigner-ville分布提取P300视觉诱发电位

对视觉诱发电位P300快速有效提取是脑-机接口技术研究的重要问题.针对脑电信号非平稳性的特点,采用改进的Wigner-ville分布(WVD)提取视觉诱发电位P300.首先,以Oddball实验范式作为视觉诱发刺激范式,获取脑电测量信号;然后,利用共平均参考、带通滤波、数据分割等方法对采集的脑电信号进行预处理,以去除各种噪声和干扰,获得诱发脑电数据.最后,采用少次相干平均结合改进的Wigner-ville分布方法,提取P300视觉诱发电位.仿真结果表明:对比传统的Wigner-ville分布,改进的方法能够有效地获得视觉诱发电位P300,同时抑制交叉项干扰,克服了长时间视觉刺激引起神经系统疲劳而导致P300电位产生误差,为建立在线脑-机接口系统提供支持.     

基于半自主导航与运动想象的多旋翼飞行器二维空间目标搜索

提出一种脑-机接口系统实现多旋翼飞行器室内二维空间目标搜索.系统由半自主导航与决策子系统组成.半自主导航子系统用于为决策子系统提供可行飞行方向并实现多旋翼飞行器半自主避障.决策子系统采用互相关方法与逻辑回归方法完成运动想象的脑电特征提取与分类.实际的室内目标搜索实验验证了使用该系统是可行且有效的.相比其他方法,减少了被试者负担,降低控制难度,控制精度约提高 ±10 cm.