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基于运动想象的在线脑—机接口系统的研究与实现

作　者: 李翔
导　师: 高上凯
学　校: 清华大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 脑—机接口运动想象在线运动起始时刻视觉诱发电位混合模式
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

脑—机接口（brain-computer interface, BCI）是一种使大脑能够不依赖于外周神经和肌肉通道，而与外部环境进行交互的系统。脑—机接口系统采集大脑的信号，通过信号处理算法进行分类，并将分类结果翻译成外部设备的控制命令。基于运动想象（motor imagery）的脑—机接口通过检测大脑想象不同肢体运动的脑电特征，完成分类和控制。运动想象作为一种由人主观进行的思维活动，不需要任何形式的外部刺激，应用范围较广，包括对于中风患者等具有运动功能障碍的患者进行康复训练也具有重要意义。现有的基于运动想象的脑—机接口系统在分类性能、任务设计等方面还有继续提高的空间，寻求进一步提高其性能的方法是一件富有意义的工作。本论文基于运动想象的神经生理学基础和目标特征，对目前几种常用的及最新提出的运动想象脑电特征提取和分类方法进行了介绍，通过实际的运动想象脑电数据集对它们的性能进行了离线的测试和比较，最终选用了共迭代时空模式（iterative common spatial-temporal patterns, ICSTP）结合支持向量机（support vectormachine, SVM）作为在线系统的特征提取和分类方法。基于离线的研究，本论文构建了一种运动想象在线脑—机接口系统，受试者通过进行左手和右手的运动想象，控制一个虚拟小球在水平方向上的运动。为了改善脑—机接口系统的性能，对其进行了任务异步化的改进，引入了新的任务和视觉反馈。通过受试者在线实验对系统进行了测试和验证，证明了系统的有效性。运动想象脑—机接口的一个固有缺陷是可识别任务种类少。为了解决这个问题，本论文通过引入运动起始时刻视觉诱发电位（motion-onset visualevoked potential, mVEP）这种新的范式与运动想象相结合，构建了一种不需要强烈视觉刺激的混合控制字符输入系统。系统通过运动起始时刻视觉诱发电位控制字符的输入，通过运动想象控制界面的开关和允许输入下一字符的控制。受试者无需借助任何非脑电的途径就可以完成对整个系统的操作。实验结果显示，经过一定训练的受试者能够较好地完成系统的操作，运动想象单步操作平均时间最短为3.9s，字符输入的正确率最高可达93.3%。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-15
  1.1 脑—机接口  9-11
    1.1.1 脑—机接口的定义和背景  9
    1.1.2 脑—机接口的系统构成  9-11
  1.2 不同类型的脑—机接口  11-12
  1.3 运动想象脑—机接口的发展现状  12-13
    1.3.1 一种基于 BCI 的轮椅控制模拟系统  12
    1.3.2 一种基于 EEG 的异步 BCI 小车导航系统  12-13
  1.4 论文工作的意义及各部分内容  13-15
第2章运动想象特征提取与分类算法  15-38
  2.1 相关的神经生理学基础  15-17
    2.1.1 ERD/ERS  15
    2.1.2 运动想象 mu/beta 节律的 ERD/ERS 特征  15-17
  2.2 ERD/ERS 能量特征提取方法  17-23
    2.2.1 计算对应导联 EEG 的带通能量  17-19
    2.2.2 共空间模式方法  19-21
    2.2.3 共迭代时空模式方法  21-23
  2.3 ERD/ERS 同步化特征提取方法  23-24
    2.3.1 计算相干函数  23
    2.3.2 计算相位锁定值  23-24
  2.4 常用的分类方法  24-28
    2.4.1 Fisher 线性判别分析  24-26
    2.4.2 支持向量机  26-28
  2.5 各种 ERD/ERS 特征提取方法的测试与比较  28-37
    2.5.1 基于能量的特征提取方法测试  29-33
    2.5.2 基于同步化的特征提取方法测试  33-35
    2.5.3 特征结合的测试  35-36
    2.5.4 测试小结  36-37
  2.6 本章小结  37-38
第3章运动想象在线脑—机接口系统的实现  38-47
  3.1 信号采集  38-39
  3.2 实验范式设计  39-41
  3.3 数据处理方法  41
  3.4 任务异步化的拓展  41-43
    3.4.1 同步和异步脑—机接口  41-42
    3.4.2 新的任务及视觉反馈  42-43
  3.5 实验情况及结果  43-45
  3.6 本章小结  45-47
第4章基于运动想象和运动起始时刻视觉诱发电位的混合脑—机接口系统  47-59
  4.1 混合模式脑—机接口的定义和分类  48-50
    4.1.1 混合模式脑—机接口定义  48
    4.1.2 混合模式脑—机接口研究的生理基础  48-49
    4.1.3 混合模式脑—机接口的分类  49
    4.1.4 现有的混合模式脑—机接口  49-50
  4.2 基于运动起始时刻视觉诱发电位的脑—机接口  50-53
    4.2.1 运动起始时刻视觉诱发电位及其生理基础  50-51
    4.2.2 常见的 mVEP 视觉运动刺激和特征提取方法  51-52
    4.2.3 现有的基于 mVEP 的脑—机接口系统  52-53
  4.3 混合模式脑—机接口的实验范式设计  53-55
  4.4 信号采集  55
  4.5 数据处理  55-56
  4.6 实验情况和结果讨论  56-58
  4.7 本章小结  58-59
第5章总结与展望  59-63
  5.1 论文主要成果和创新点  59-60
  5.2 课题研究展望  60-63
参考文献  63-67
致谢  67-69
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  69

基于运动想象的在线脑—机接口系统的研究与实现

内容摘要

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