实用化多模态脑-机接口中若干关键技术的研究
发布时间：2021-08-21 19:00
脑-机接口（Brain-Computer Interface,BCI）是一种特殊的人机交互技术,其以头皮表面检测到的脑电信号（Electroencephalogram,EEG）为信息载体,实现人脑对外部设备的直接控制。BCI技术的研究具有重要的理论意义和广阔的应用前景。基于EEG的BCI系统主要有四种类型:稳态视觉诱发电位（Steady-State Visual Evoked Potentials,SSVEPs）、运动想象（Motor Imagery,MI）、基于事件相关电位的P300和慢皮质电位。不同类型的BCI系统各有优缺点。混合BCI技术是通过结合两种或两种以上的传统BCI模式来弥补单一模式的缺点,开发出功能更强、稳定性更好的多模态BCI系统。尽管脑-机接口系统的性能方面获得了很大的突破,但就目前而言,BCI系统在可靠性和普适性方面还不够完美。这些不足主要是由于脑电信号低的信噪比,易受噪声干扰和非稳态特性引起的。本论文主要对BCI研究领域的运动想象和稳态视觉诱发两大方向展开相关研究。以脑-机交互的自主可控性和稳定性改善为主要目标,并注重训练和操作过程的“自然性”和“舒适性”等指标...
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：189 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
同步和异步BCI工作状态[29]
安徽大学博士学位论文7图1.5脑电放大器和对应的电极帽Fig.1.540ChannelEEGAmplifierandQick-Cap1.2.2EEG信号的分类常见脑电图分为自发脑电和诱发脑电两部分。(a)自发脑电自发脑电是人的大脑皮层自发的电活动，其电位可随时间发生变化。大脑中的电活动一部分是有节律的，另一部分是无节律的。脑电图的波形很不规则，可视为由许多节律波合成。现代脑电图学中，根据脑电频率与幅度的不同，将脑电波分α波、β波、θ波、δ波和γ波5种类型，各种波形如图1.6所示：图1.6自发脑电信号波形[22]Fig.1.6ThewaveformofspontaneousEEG(1)Alpha(α)波：可在头颅枕部监测到，频率为8~13Hz，振幅为20~100μV，它是节律性脑电波中最明显的波，整个皮层均可产生α波。α波在清醒、安静和闭眼时即可出现，波幅由小到大，再由大到小作规律性梭形变化，每个梭形持续1~2秒。睁眼、思考问题时，或接受其它刺激时，α波消失而出现快波，这一现象称为α波的阻断，如果被测又安静闭目，则α波又重新出现。
第一章绪论10图1.8奥地利GrazBCI研究小组运动想象控制游戏场景Fig.1.8GrazBCIGameController-WorldofWarcraftMindcontrolled(fromYouTube)ERP现象是人脑对刺激信息进行认知加工时诱发产生的一系列电活动，反映感知、记忆、理解、判断、情感多层次的心理活动。P300是事件相关电位使用较多的一种类型，在新奇事件刺激后的300毫秒左右出现正向锋电位而得名，主要分布于大脑皮层中央区和顶区。基于P300的BCI系统的相关原理如图1.9所示[39]。基于P300-BCI系统的优点是所需训练少，目标选择数目多，识别精度高。缺点是由于此系统多数采用矩阵虚拟键盘并轮流闪烁，长时间的刺激容易引起受试者视觉疲劳；其次诱发信号振幅较为微弱，通常采用相干平均的方法进行特征提取，需要多次叠加才能提取到有效特征参数，难以进一步缩减单次目标提取时间[39,40]。123456789101112图1.9P300的6*6拼写矩阵和对应的波形[39]Fig.1.9The6x6matrixusedintheP300-SpellerandP300waveSCP是指在真实或者想象运动发生时，大脑的运动感觉皮层记录的脑电图中会发现缓慢的负电压的改变，而正向的慢皮层电位与皮层兴奋程度的下降有关，频率范围为0.1~2Hz。德国的Tübingen大学的Birbaumer等人在2000年左右开发了TTD（ThoughtTranslationDevice）的BCI系统，不断通过两分类判断实现文字输入和上网浏览等功能，其实验框架如图1.10所示[41]。基于SCP的BCI系统的优点是系统采用自发的脑电信号，控制方式自然。缺点是目标选择数目少，单次任务耗时较长，通常需要1～5个月的长期
【参考文献】：
期刊论文
[1]脑-机接口中空域滤波技术现状与进展[J]. 吴小培,周蚌艳,张磊,宋杰. 安徽大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]基于独立分量分析的在线脑-机接口系统[J]. 胡盼,张磊,周蚌艳,吴小培. 生物医学工程学杂志. 2017(01)
[3]基于CSP的多类运动想象脑电特征自动选择算法[J]. 康莎莎,周蚌艳,吕钊,吴小培. 北京生物医学工程. 2016(04)
[4]运动想象脑-机接口中的ICA滤波器设计[J]. 吴小培,周蚌艳,张磊,郭晓静,吕钊. 生物物理学报. 2014(07)
[5]异步脑机接口技术现状及发展趋势[J]. 杨红宇,徐鹏,陈彦. 中国生物医学工程学报. 2011(05)
本文编号：3356159
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：189 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
同步和异步BCI工作状态[29]
安徽大学博士学位论文7图1.5脑电放大器和对应的电极帽Fig.1.540ChannelEEGAmplifierandQick-Cap1.2.2EEG信号的分类常见脑电图分为自发脑电和诱发脑电两部分。(a)自发脑电自发脑电是人的大脑皮层自发的电活动，其电位可随时间发生变化。大脑中的电活动一部分是有节律的，另一部分是无节律的。脑电图的波形很不规则，可视为由许多节律波合成。现代脑电图学中，根据脑电频率与幅度的不同，将脑电波分α波、β波、θ波、δ波和γ波5种类型，各种波形如图1.6所示：图1.6自发脑电信号波形[22]Fig.1.6ThewaveformofspontaneousEEG(1)Alpha(α)波：可在头颅枕部监测到，频率为8~13Hz，振幅为20~100μV，它是节律性脑电波中最明显的波，整个皮层均可产生α波。α波在清醒、安静和闭眼时即可出现，波幅由小到大，再由大到小作规律性梭形变化，每个梭形持续1~2秒。睁眼、思考问题时，或接受其它刺激时，α波消失而出现快波，这一现象称为α波的阻断，如果被测又安静闭目，则α波又重新出现。
第一章绪论10图1.8奥地利GrazBCI研究小组运动想象控制游戏场景Fig.1.8GrazBCIGameController-WorldofWarcraftMindcontrolled(fromYouTube)ERP现象是人脑对刺激信息进行认知加工时诱发产生的一系列电活动，反映感知、记忆、理解、判断、情感多层次的心理活动。P300是事件相关电位使用较多的一种类型，在新奇事件刺激后的300毫秒左右出现正向锋电位而得名，主要分布于大脑皮层中央区和顶区。基于P300的BCI系统的相关原理如图1.9所示[39]。基于P300-BCI系统的优点是所需训练少，目标选择数目多，识别精度高。缺点是由于此系统多数采用矩阵虚拟键盘并轮流闪烁，长时间的刺激容易引起受试者视觉疲劳；其次诱发信号振幅较为微弱，通常采用相干平均的方法进行特征提取，需要多次叠加才能提取到有效特征参数，难以进一步缩减单次目标提取时间[39,40]。123456789101112图1.9P300的6*6拼写矩阵和对应的波形[39]Fig.1.9The6x6matrixusedintheP300-SpellerandP300waveSCP是指在真实或者想象运动发生时，大脑的运动感觉皮层记录的脑电图中会发现缓慢的负电压的改变，而正向的慢皮层电位与皮层兴奋程度的下降有关，频率范围为0.1~2Hz。德国的Tübingen大学的Birbaumer等人在2000年左右开发了TTD（ThoughtTranslationDevice）的BCI系统，不断通过两分类判断实现文字输入和上网浏览等功能，其实验框架如图1.10所示[41]。基于SCP的BCI系统的优点是系统采用自发的脑电信号，控制方式自然。缺点是目标选择数目少，单次任务耗时较长，通常需要1～5个月的长期
【参考文献】：
期刊论文
[1]脑-机接口中空域滤波技术现状与进展[J]. 吴小培,周蚌艳,张磊,宋杰. 安徽大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]基于独立分量分析的在线脑-机接口系统[J]. 胡盼,张磊,周蚌艳,吴小培. 生物医学工程学杂志. 2017(01)
[3]基于CSP的多类运动想象脑电特征自动选择算法[J]. 康莎莎,周蚌艳,吕钊,吴小培. 北京生物医学工程. 2016(04)
[4]运动想象脑-机接口中的ICA滤波器设计[J]. 吴小培,周蚌艳,张磊,郭晓静,吕钊. 生物物理学报. 2014(07)
[5]异步脑机接口技术现状及发展趋势[J]. 杨红宇,徐鹏,陈彦. 中国生物医学工程学报. 2011(05)
本文编号：3356159
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