多分类算法在MI-EEG信号识别中的应用研究
发布时间：2021-06-18 15:48
脑-机接口（Brain-Computer Interface,BCI）是一项不依靠自身的神经和肌肉组织实现脑电信号对外部设备的控制和通信的技术。《Nature》在2019年发表了一项突破性的研究成果,科学家成功解码脑电波,将大脑活动合成语音表达出来,真正将“读心术”变成现实。未来,脑-机接口技术在智能家居、军事、教育及康复医疗等领域都将会有着广泛的应用。基于近年来对大脑的研究和认识,脑电信号的研究成果也逐渐用于脑部疾病的诊断及神经系统疾病的干预治疗。基于运动想象的BCI（Motor Imagery-based BCI system,MI-BCI）系统将被试者想象自身运动产生的脑电信号作为控制信号输入到BCI系统,经过计算机一系列的算法处理实现对外部设备的控制和信息交互,通过外部硬件设备正确表达被试者的意图。BCI系统的信号处理部分主要是将脑电信号处理成为计算机能够识别并执行的命令,如何能够快速的提取并识别脑电信号中携带的信息是BCI系统研究的一个重要课题。基于2008年国际竞赛数据IV中2a数据,本文设计了基于四类脑电信号的信号处理系统。主要工作有:（1）预处理运用独立成分分析滤除脑电...
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
BCI系统完整框图
山东师范大学硕士学位论文4产生周期性的诱发电位称为SSVEP[2]。在VEP为范式的BCI系统中，SSVEP的刺激方式研究的更多。1996-2000年，美国Wright-Patterson空军基地和空军实验室合作研发了利用SSVEP作为控制信号来操纵飞行模拟器的BCI系统[16,17]。2002年，清华大学研究团队采用SSVEP作为BCI系统的控制信号，成功的输入电话号码。BCI系统的计算机屏幕13个方块构成虚拟的电话拨号盘，被试者观察拨号盘的闪烁产生SSVEP信号，不同的频率对应不同的按键，通过调制解调器连接电话，实现输入特定的数字号码完成拨号过程[18]。2017年，中国科研团队使用任务相关成分分析（TRCA）算法提升了基于SSVEP的BCI系统的通讯速率，这也是目前已有报道的最快的头皮BCI系统[19]。（2）P300电位P300电位反映了大脑的认知过程或心理变化过程中产生的脑电信号，它表示的是人在接收到新异刺激约300ms后，大脑皮层会产生一个正向的波峰，P300的波幅与相关靶刺激出现的概率成反比，如图1-2所示[20]。P300电位在实验中不需要训练，但脑电信号属于弱电信号，其中夹杂着多种噪声干扰，信噪比（SNR）较低，所以P300通常需要多次反复实验叠加平均进行电位提取，从而提高目标识别的精确度[21]。图1-2Pz电极的P300波形基于P300电位的相关研究在较早时期就取得了较好的成果。在1988年，美国伊利诺伊大学研究组成功的采用P300电位设计出一款虚拟打字机。计算机屏幕上显示一个6×6的字符矩阵，随机闪烁某整行或整列，闪烁间隔为125ms，计算P300幅值最大的行和列的
山东师范大学硕士学位论文5交点即为目标字符[22]。除了视觉刺激诱发P300电位，对于一些患有特殊疾病的患者，可以通过其他感官（听觉刺激、触觉刺激）来诱发P300电位，进而构建完整的BCI系统。2010年，Rebsamen等人利用P300电位实现了智能轮椅在已知环境下的自主导航[23]。而我国在2012年以成功将MI信号与P300结合，实现了Internet浏览器、二维平面光标的移动以及智能轮椅控制功能的混合模式的BCI系统[24，25]。（3）慢皮层电位慢皮层电位是自发式的BCI脑电信号，反映的是产生于皮层I、II层的兴奋情况最缓慢的电位变化的情况，持续时间从几百毫秒到几秒不等[26]。如图1-3所示，SCP可以自发产生正负压变化反映了大脑皮层兴奋性的阈值那个调节状态，当大脑皮层处于兴奋，SCP为负值，且随着大脑皮层兴奋强度增加SCP发生负向偏移，大脑皮层兴奋度减弱SCP向正向偏移[27]。图1-3SCP波形图过去的几十年中，对SCP的神经生理学基础和自我控制系统已经有了充分的研究，并且形成了完整的SCP生理心理学模型。其中最为著名的是德国的N.Birbaumer在1999年采用SCP设计出一款思维翻译器（Thoughttranslationdevice,TTD）的转换设备,为ALS患者提供了与外界进行文字交流的途径。这是一次通过SCP波帮助残疾患者实现与外部沟通的一次成功实验[28]。但是，基于SCP的BCI系统的研究往往需要长时间的训练，且SCP波形状态单一，信号易受干扰，信息传输速率较差，所以，目前对于SCP相关的研究较少。（4）事件相关去同步（ERD）和事件相关同步（ERS）人体运动或运动想象通常与大脑皮层的感知节律有关，当人进行运动或者将要进行运动时通常伴随这mu节律（8-12Hz）和beta节律(18-35Hz)的变化。当人在进行某一想象任
【参考文献】：
期刊论文
[1]深度卷积神经网络在计算机视觉中的应用研究综述[J]. 卢宏涛,张秦川. 数据采集与处理. 2016(01)
[2]从DARPA资助BCI技术研发看未来军事变革[J]. 林涵,石海明,曾华锋. 国防科技. 2011(05)
[3]一种高效的面向轻量级入侵检测系统的特征选择算法[J]. 陈友,沈华伟,李洋,程学旗. 计算机学报. 2007(08)
[4]脑-机接口技术综述[J]. 杨立才,李佰敏,李光林,贾磊. 电子学报. 2005(07)
[5]基于遗传算法的SVM参数选取[J]. 杨旭,纪玉波,田雪. 辽宁石油化工大学学报. 2004(01)
博士论文
[1]混合脑机接口实现及其应用研究[D]. 王洪涛.华南理工大学 2015
[2]猴子伸—抓动作在大脑运动皮层中的表征及解码[D]. 郝耀耀.浙江大学 2013
[3]自发脑电脑机接口模式识别关键技术与实验研究[D]. 吴婷.上海交通大学 2008
[4]基于运动想象的脑—机接口分类算法的研究[D]. 魏庆国.清华大学 2006
[5]基于脑电信号的脑—计算机接口的研究[D]. 程明.清华大学 2004
硕士论文
[1]基于极限学习机的脑卒中TCD数据分类研究[D]. 耿银凤.太原理工大学 2019
[2]基于深度网络的脑电信号分类方法研究[D]. 徐朝阳.中国海洋大学 2015
本文编号：3236940
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
BCI系统完整框图
山东师范大学硕士学位论文4产生周期性的诱发电位称为SSVEP[2]。在VEP为范式的BCI系统中，SSVEP的刺激方式研究的更多。1996-2000年，美国Wright-Patterson空军基地和空军实验室合作研发了利用SSVEP作为控制信号来操纵飞行模拟器的BCI系统[16,17]。2002年，清华大学研究团队采用SSVEP作为BCI系统的控制信号，成功的输入电话号码。BCI系统的计算机屏幕13个方块构成虚拟的电话拨号盘，被试者观察拨号盘的闪烁产生SSVEP信号，不同的频率对应不同的按键，通过调制解调器连接电话，实现输入特定的数字号码完成拨号过程[18]。2017年，中国科研团队使用任务相关成分分析（TRCA）算法提升了基于SSVEP的BCI系统的通讯速率，这也是目前已有报道的最快的头皮BCI系统[19]。（2）P300电位P300电位反映了大脑的认知过程或心理变化过程中产生的脑电信号，它表示的是人在接收到新异刺激约300ms后，大脑皮层会产生一个正向的波峰，P300的波幅与相关靶刺激出现的概率成反比，如图1-2所示[20]。P300电位在实验中不需要训练，但脑电信号属于弱电信号，其中夹杂着多种噪声干扰，信噪比（SNR）较低，所以P300通常需要多次反复实验叠加平均进行电位提取，从而提高目标识别的精确度[21]。图1-2Pz电极的P300波形基于P300电位的相关研究在较早时期就取得了较好的成果。在1988年，美国伊利诺伊大学研究组成功的采用P300电位设计出一款虚拟打字机。计算机屏幕上显示一个6×6的字符矩阵，随机闪烁某整行或整列，闪烁间隔为125ms，计算P300幅值最大的行和列的
山东师范大学硕士学位论文5交点即为目标字符[22]。除了视觉刺激诱发P300电位，对于一些患有特殊疾病的患者，可以通过其他感官（听觉刺激、触觉刺激）来诱发P300电位，进而构建完整的BCI系统。2010年，Rebsamen等人利用P300电位实现了智能轮椅在已知环境下的自主导航[23]。而我国在2012年以成功将MI信号与P300结合，实现了Internet浏览器、二维平面光标的移动以及智能轮椅控制功能的混合模式的BCI系统[24，25]。（3）慢皮层电位慢皮层电位是自发式的BCI脑电信号，反映的是产生于皮层I、II层的兴奋情况最缓慢的电位变化的情况，持续时间从几百毫秒到几秒不等[26]。如图1-3所示，SCP可以自发产生正负压变化反映了大脑皮层兴奋性的阈值那个调节状态，当大脑皮层处于兴奋，SCP为负值，且随着大脑皮层兴奋强度增加SCP发生负向偏移，大脑皮层兴奋度减弱SCP向正向偏移[27]。图1-3SCP波形图过去的几十年中，对SCP的神经生理学基础和自我控制系统已经有了充分的研究，并且形成了完整的SCP生理心理学模型。其中最为著名的是德国的N.Birbaumer在1999年采用SCP设计出一款思维翻译器（Thoughttranslationdevice,TTD）的转换设备,为ALS患者提供了与外界进行文字交流的途径。这是一次通过SCP波帮助残疾患者实现与外部沟通的一次成功实验[28]。但是，基于SCP的BCI系统的研究往往需要长时间的训练，且SCP波形状态单一，信号易受干扰，信息传输速率较差，所以，目前对于SCP相关的研究较少。（4）事件相关去同步（ERD）和事件相关同步（ERS）人体运动或运动想象通常与大脑皮层的感知节律有关，当人进行运动或者将要进行运动时通常伴随这mu节律（8-12Hz）和beta节律(18-35Hz)的变化。当人在进行某一想象任
【参考文献】：
期刊论文
[1]深度卷积神经网络在计算机视觉中的应用研究综述[J]. 卢宏涛,张秦川. 数据采集与处理. 2016(01)
[2]从DARPA资助BCI技术研发看未来军事变革[J]. 林涵,石海明,曾华锋. 国防科技. 2011(05)
[3]一种高效的面向轻量级入侵检测系统的特征选择算法[J]. 陈友,沈华伟,李洋,程学旗. 计算机学报. 2007(08)
[4]脑-机接口技术综述[J]. 杨立才,李佰敏,李光林,贾磊. 电子学报. 2005(07)
[5]基于遗传算法的SVM参数选取[J]. 杨旭,纪玉波,田雪. 辽宁石油化工大学学报. 2004(01)
博士论文
[1]混合脑机接口实现及其应用研究[D]. 王洪涛.华南理工大学 2015
[2]猴子伸—抓动作在大脑运动皮层中的表征及解码[D]. 郝耀耀.浙江大学 2013
[3]自发脑电脑机接口模式识别关键技术与实验研究[D]. 吴婷.上海交通大学 2008
[4]基于运动想象的脑—机接口分类算法的研究[D]. 魏庆国.清华大学 2006
[5]基于脑电信号的脑—计算机接口的研究[D]. 程明.清华大学 2004
硕士论文
[1]基于极限学习机的脑卒中TCD数据分类研究[D]. 耿银凤.太原理工大学 2019
[2]基于深度网络的脑电信号分类方法研究[D]. 徐朝阳.中国海洋大学 2015
本文编号：3236940
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