基于运动想象的双脑脑机接口系统设计与鼠标控制应用

脑机接口是在大脑与外部设备之间建立的直接交流通道,是脑科学的重要研究领域。目前,单被试脑机接口研究已经较为成熟,关于双脑协作的脑机接口研究还比较少。本文设计实现了一种基于运动想象的双脑协作在线脑机接口系统,利用两套脑电放大器、协同控制技术实现了系统的硬件平台搭建。算法控制部分采用信息论特征提取算法,选取共空间模式的最优空域模式和支持向量机分类,实现了双脑协作控制鼠标移动并到达指定目标。本文采用初始位置到目标位置的实际步长与理论最短步长比评价系统性能,4组(8人)的平均步长比值为1.32。研究提供了一种双脑协作脑机接口的设计方案,可用于协同控制多维度目标、提高信息传输速率、研究脑间同步、团队决策等方面的关键技术,为脑机接口进一步发展提供了新思路。     

基于运动想象脑电的在线脑机接口实验

针对脑机接口技术的研究和应用设计了基于运动想象脑电信号的在线机器人控制系统,包括USB脑电放大器、开放接口的采集和实验平台、基于小波变换和AR模型系数的特征提取算法、机器人控制电路、机器人.20位受试者在该系统上分别进行了80次在线试验,比较分析了3种不同手部运动想象脑电信号的区分度,运动想象脑电对机械手控制的平均准确度分别达到了85%,88%和90%.该控制系统为基于脑电信号的在线机器人控制系统的实现和识别率的提高提供了新思路,同时也为在线脑机接口技术的实验研究以及实际应用带来了方便.     

基于欧式空间-加权逻辑回归迁移学习的运动想象EEG信号解码

基于脑电图（Electroencephalography,EEG）信号的运动想象（Motor Imagery,MI）意图识别是脑机接口（BrainComputer Interface,BCI）研究中的重要问题.然而,EEG信号存在严重的个体性差异,不同被试之间的EEG信号特征空间分布差异很大,不同被试之间的分类模型不能通用.针对这一问题,提出一种基于欧式空间的加权逻辑回归迁移学习方法,算法首先将不同被试的EEG数据进行欧几里得空间对齐,使各信号更加相似,减少差异性,然后计算特定被试共空间模式（Common Spatial Pattern,CSP）获得不同的特征值,并计算这些特征值的KL(Kullback-Leibler)散度,进而利用KL散度调整迁移学习的加权逻辑回归算法,得到分类模型.实验结果表明：对于BCI竞赛IV中的数据集2a,提出的方法可以极大地提升BCI的学习性能,算法分类准确率比基线算法（线性判别分析）高出15%.在数据样本增多的情况下,被试的分类准确性也得到了明显的提升,和同类算法相比,分类准确率提升4%,说明提出的算法能进一步提高BCI的学习性能,改善分类模型的通用性问...     

单次运动想象脑电的特征提取和分类

为了实现脑-计算机接口(BCI)系统,对运动想象脑电信号的特征进行了提取和分类.将大脑C3,C4处采集的二路运动想象脑电信号分成4段,分别建立六阶AR参数模型进行功率谱估计,再对每段数据的功率谱求和构造特征矢量,提供给误差反向传播算法进行左右手运动想象脑电模式分类.结果表明,该方法提取的特征向量较好地反应了运动想象脑电信号的事件相关去同步(ERD)和事件相关同步(ERS)的变化时程.另外,该方法识别率高,复杂性低,适合在线脑-计算机接口的应用.     

基于概率协作表示的运动想象脑电分类算法

在脑机接口的研究中,针对运动想象脑电信号的特征识别,提出了一种基于概率协作表示的分类方法（probabilistic collaborative representation based classification, ProCRC）,通过比较测试样本在每个类别中的最大可能性,从而确定其所属的类别。采用BCI竞赛数据库Ⅲ中的数据集Ⅰ,利用S变换进行特征提取,然后对不同的分类器进行比较,以分类准确率作为评价标准验证了该算法的有效性。该算法的分类准确率能够达到90%,为脑机接口系统分类算法的研究提供了新思路。     

基于序贯似然比检验的运动想象脑电信号分类方法研究

快速准确地对脑电信号进行特征分类是脑-机接口研究的关键问题之一．从人脑决策模型出发,结合自适应小波基特征提取方法,提出了一种基于序贯似然比检验的运动想象脑电信号动态分类方法．该方法在分类中无须预先固定样本量,〖JP2〗而是逐次取样,累积分类信息,有利于解决脑-机接口的实时控制问题．为了更好地衡量该方法的有效性,进行了10次10折交叉验证,实验结果表明3个运动想象数据集共8位受试者的平均正确率达到87%以上,〖JP〗互信息和分类时间等指标也表明该方法能够有效提高脑-机接口系统的性能,具有较好的实用性．     

基于回溯搜索优化算法的运动想象 脑机接口频带选择

在基于运动想象的脑机接口(BCI)中,特征提取是影响整个系统性能的一个关键部分。共空域模式(CSP)是一种有效的特征提取算法,它能很好地提取与事件相关去同步/同步(ERD/ERS)生理特征相关的节律信息,因而在BCI系统中得到广泛应用。然而,CSP算法的分类性能极大地依赖于EEG信号的滤波频带。一般情况下,大都采用8~30 Hz的带通滤波器滤波,因为这个宽带包含了产生ERD/ERS想象的mu(8~12 Hz)和beta(18~26 Hz)节律。为了更加精准的定位最佳频带,将8~30 Hz的宽带滤波细分为大小不等的子带滤波,利用回溯搜索优化算法(BSA)与CSP相结合来选择最优频带,并以分类错误率作为BSA的适应度值(即频带选择标准)。使用该算法对5个受试者的实验数据进行了交叉验证分类实验。实验结果表明,最优频带的平均分类正确率比宽带(8~30 Hz)可高出7.91%。     

脑-机接口国内专利技术发展分析

脑-机接口是一种涉及多学科多领域的新颖的人机接口方式,标准的脑-机接口系统可以准确、快速地采集、识别出人脑在各种思想活动下的脑电信号,在医疗、航空、军事、生活娱乐等多个领域具有潜在应用价值.该文根据脑-机接口利用的脑电信号的来源和方式不同,对其研究方法中主要三个分类即视觉诱发电位、P300电位和运动想象进行了介绍,并对各分类国内主要申请人所申请的专利进行了分析,帮助更多申请人提升对技术的理解和把握,指导专利申请走向.     

基于降维Householder变换的多任务运动想象脑电信号特征提取研究

近年来,针对传统的左右手运动想象BCI系统信息传输速率低这一现状,众多脑-机接口(BCI)研究团队开始着眼于对多任务运动想象脑电信号的研究,相比于两类模式识别,多类模式识别能够有效提高BCI系统的信息传输速率。如何准确提取出多任务脑电信号的特征,是实现多任务BCI系统的关键。采用了基于初等反射变换(又称Householder变换)的矩阵近似联合对角化算法,将CSP算法应用于多任务运动想象脑电信号的特征提取,对EEG信号采集效果较好的受试者,四任务运动想象脑电信号的分类准确率提升至80%以上,为在线BCI系统的实现奠定了坚实的基础。     

基于SVM的四类运动想象脑电信号分类方法研究

针对传统支持向量机分类方法在脑电信号处理中存在分类正确率低的问题,将聚类思想与二叉树支持向量机结合构造多类SVM分类器。实验以“BCI Competition 2005”中的Dataset IIIa为例,先对C3/C4导采集的四类运动想象脑电信号应用小波变换进行去噪;再在分析小波包频带划分特点的基础上,利用小波包进行分解与重构,获取相应的能量特征;最后应用改进后的支持向量机(SVM)分类方法对特征信号进行分类。结果表明该方法分类正确率较高,可以达到91.12%,并且有效的减少了分类器的个数,最终达到较好的识别效果。     

时频分析在语言想像脑机接口中的应用

为了分析语言想像所诱导的脑电信号的时间和频率特性,利用事件相关谱扰动(ERSP)对信号进行时频分析.首先,经ERSP确定能量波动的频率范围;然后,根据该频率范围计算信号的事件相关(去)同步(ERD/ERS),并利用共空间模式和支持向量机分别对单次实验数据的特征值进行提取和分类.对8位被试的试验结果分析表明,被试间的频率范围具有显著的差异,其中4位被试的频率范围含有α波,3位被试含有α波和β波,1位被试的脑电信号在默读汉字时无明显变化.2个汉字默读时的脑电信号可产生相似的ERD/ERS.优化频率范围后针对这2个汉字的平均分类正确率分别提高了2.25%和1.39%.时频分析能更好地显示脑电信号的能量变化率,并能改善语言想像脑机接口的性能.     

脑机接口在康复医疗领域的应用研究综述

脑机接口(brain-computer interface,BCI)是在大脑与外部设备之间建立的不依赖于常规大脑信息输出通路(外周神经和肌肉组织)的一种人机交互技术,为肌肉或神经末稍受损的患者提供新的人机交互手段.作为智能康复机器人研究的方向之一,BCI在康复治疗和运动辅助中具有重要的研究价值,并在神经康复、功能假体辅...     

脑-机接口中空域滤波技术现状与进展

作为一种特殊的人-机交互模式,脑-机接口(brain-computer interface,简称BCI)技术已成为当前脑科学和智能信息处理领域的研究热点.其中,基于头皮脑电(electroencephalography,简称EEG)的BCI(EEGBCI)技术因具有良好的安全性和可操作性,吸引了研究者的广泛关注.但头皮EEG非常有限的空间分辨率和易受干扰等特性,很大程度上限制了EEG-BCI技术的实用化进程.因此,EEG信号处理和模式识别新方法研究已成为BCI领域的一个关键问题.在现有的信号处理方法中,空域滤波技术在EEG伪迹消除和任务相关神经活动获取方面表现出了较明显的优势,近年来在EEG-BCI系统实现研究中得到了广泛应用.论文以运动想象BCI(motor imagery BCI,简称MIBCI)为应用背景,对独立分量分析(independent component analysis,简称ICA)和共同空间模式(common spatial pattern,简称CSP)两种代表性空域滤波方法的原理及其性能进行介绍、分析和比较,总结出两种方法各自的优势和不足,并给出了改进思路.同时指出,ICA空域滤波方法在运动想象脑-机接口系统实现中更具应用潜力.     

Feature combination for classifying single-trial ECoG during motor imagery of different sessions

The input signals of brain-computer interfaces(BCIs)may be either scalp electroencephalogram(EEG)or electrocor- ticogram(ECoG)recorded from subdural electrodes.To make BCIs practical,the classifiers for discriminating different brain states must have the ability of session-to-session transfer.This paper proposes an algorithm for classifying single-trial ECoG during motor imagery of different sessions.Three features,derived from two physiological phenomena,movement-related potentials(MRP)and event-related desynchronization(ERD),and extracted by common spatial subspace decomposition(CSSD)and waveform mean,are combined to per- form classification tasks.The specific signal processing methods utilized are described in detail.The algorithm was successfully applied to Data SetⅠof BCI CompetitionⅢ,and achieved a classification accuracy of 91% on test set.     

自适应单次运动想像最优特征提取研究

为得到区分左右手运动想像脑电信号的最优特征,提出了一种自适应单次脑电特征提取方法.该算法先按运动想像电位生理学原理对不同被试寻找事件相关去同步/同步(ERD/ERS)现象最明显的频段与时间段,再按照这些参数提取C3,C4导脑电信号的能量,最后取其能量比值作为左右手想像分类的特征.采用公共标准数据集做测试,运用支持向量机(SVM)进行分类,并与AR特征提取法对照.结果表明,该法可有效提高分类正确率(平均90.7%,最佳98.7%),优于使用固定频段与时间段的AR特征提取法(平均77.4%,最佳92.8%),且算法复杂度低于AR特征提取法,适应性稍强于AR特征提取法,适合在线应用.     

探索思维的力量：脑机接口研究现状与展望

 脑机接口通过解码人类思维活动过程中的脑神经活动信息,构建人脑与外部世界的直接信息传输通路。近20年来,脑机接口领域迎来了快速发展,取得了一系列重要研究与应用成果。本文从信息交流与控制、功能康复与增强、状态识别与监测3个主要发展方向综述了脑机接口的研究现状,并对脑机接口的发展所面临的机遇和挑战进行了展望。