脑—机交互技术及脑控经穴磁刺激系统设计

发布时间：2017-09-01 00:20

  本文关键词：脑—机交互技术及脑控经穴磁刺激系统设计

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【摘要】：脑-机交互(BCI)技术是不依赖于常规脑外周神经及肌肉系统,在人脑和外部设备之间建立的一种通讯系统。它利用计算机等设备对特定任务下采集的脑电数据进行分析,将大脑信息转换为控制命令,实现人与外界的交流以及对外部环境的控制。BCI系统提供了一种全新的通讯方式,它可以帮助肢体残疾的人,恢复与外界的交流能力及实现对外部设备的控制,如康复轮椅、家用电器、电脑游戏等。目前研究和应用较多的BCI系统是基于运动想象的BCI系统,它可以根据想象动作进行外部设备控制。目前,异步运动想象BCI系统,由于它的灵活性和实用性,在脑-机交互技术中具有广泛的应用价值。本文主要对运动想象BCI系统的脑电信号采集、特征提取与识别,以及外部控制进行了深入研究,并以实验室开发的经穴磁刺激系统为载体,设计了基于脑-机交互的脑控经穴磁刺激系统及刺激参数调节方法。具体完成工作如下：(1)运动想象诱发脑电信号处理。提出了一种小波统计分析的方法进行运动想象诱发脑电特征提取,并使用支持向量机方法进行脑电特征分类。该方法在识别准确率及实时性上均能满足在线BCI系统的要求,左右手运动想象任务分类准确率达到了90.7%；(2)异步BCI系统运动想象脑电特征识别。设计了一种阈值判别结合支持向量机的二级分类器,实现了异步BCI运动想象脑电特征识别。该方法不仅减少了异步BCI系统运行时间开销,还提高了系统识别准确性。此外,基于该方法设计了一套在线异步运动想象BCI系统,利用模拟信号灯在线实现了运动想象任务的分类识别,为脑-机交互技术的实际应用提供了有效途径；(3)磁刺激线圈优化及脑控经穴磁刺激方法研究。针对实验室开发的经穴磁刺激系统,优化设计了一种喇叭状磁刺激线圈,此线圈无论在聚焦性及刺激深度上均达到了经穴磁刺激的要求；设计了基于大脑α波能量、动态脑电地形图反馈调节以及脑-机交互的经穴磁刺激系统,实验研究了刺激参数反馈调节方法,获得了最佳磁刺激参数,该方法可应用于运动功能康复,提高康复治疗效果。本文研究的运动想象脑电特征提取方法、异步BCI系统特征识别方法及脑控经穴磁刺激调节方法,为运动想象BCI系统的实际应用打下了坚实的基础。
【关键词】：脑-机交互技术 运动想象 特征识别 经穴磁刺激系统 反馈调节
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.04;TN911.7
【目录】：

• 中文摘要10-11
• ABSTRACT11-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 脑-机交互技术概述13-17
• 1.1.1 脑-机交互技术13-15
• 1.1.2 脑-机交互技术研究目的与意义15-16
• 1.1.3 国内外研究现状16-17
• 1.2 异步BCI系统概述17-18
• 1.2.1 异步BCI17
• 1.2.2 异步BCI研究现状17-18
• 1.3 经穴磁刺激技术概述18-19
• 1.3.1 经穴磁刺激理论18
• 1.3.2 国内外研究现状18-19
• 1.4 论文研究内容及结构19-21
• 1.4.1 研究内容19
• 1.4.2 论文结构19-21
• 第二章 运动想象诱发脑电信号处理21-37
• 2.1 脑电采集与预处理21-23
• 2.1.1 实验范式设计21-22
• 2.1.2 脑电信号采集22
• 2.1.3 脑电信号预处理22-23
• 2.2 小波统计分析理论23-26
• 2.2.1 小波变换理论23-25
• 2.2.2 统计分析理论25-26
• 2.3 运动想象诱发脑电特征提取26-31
• 2.3.1 ERD/ERS特征26-27
• 2.3.2 小波基及小波尺度选择27-28
• 2.3.3 小波统计分析提取运动想象诱发脑电特征28
• 2.3.4 仿真结果与分析28-31
• 2.4 运动想象诱发脑电特征分类31-36
• 2.4.1 支持向量机理论31-33
• 2.4.2 支持向量机特征分类33-34
• 2.4.3 仿真结果与分析34-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第三章 异步运动想象BCI系统研究37-54
• 3.1 脑电采集37-43
• 3.1.1 实验范式设计37-38
• 3.1.2 E-Prime软件平台38-40
• 3.1.3 脑电信号采集40-43
• 3.2 异步BCI运动想象诱发脑电特征识别43-48
• 3.2.1 脑电信号处理流程43-44
• 3.2.2 异步BCI运动想象诱发脑电特征提取44-46
• 3.2.3 运动想象诱发脑电特征分类46-48
• 3.3 在线异步BCI系统设计48-52
• 3.3.1 BCI2000软件平台48-49
• 3.3.2 在线异步BCI系统设计49-52
• 3.3.3 在线异步BCI系统模拟实现与结果分析52
• 3.4 本章小结52-54
• 第四章 脑控经穴磁刺激系统设计54-67
• 4.1 经穴磁刺激系统54-57
• 4.1.1 磁刺激发生模块设计54-55
• 4.1.2 磁刺激线圈设计55-57
• 4.2 动态脑电地形图调节的经穴磁刺激系统57-60
• 4.2.1 系统构成57-58
• 4.2.2 动态脑电地形图58-59
• 4.2.3 动态脑电地形图反馈调节59-60
• 4.3 大脑α波能量反馈调节的经穴磁刺激系统60-65
• 4.3.1 系统构成60-61
• 4.3.2 脑电信号处理61-62
• 4.3.3 大脑α波能量反馈调节62-64
• 4.3.4 仿真结果与分析64-65
• 4.4 基于脑-机交互的脑控经穴磁刺激系统设计65-66
• 4.4.1 系统组成65-66
• 4.4.2 系统实现66
• 4.5 本章小结66-67
• 第五章 总结与展望67-69
• 5.1 总结67-68
• 5.2 展望68-69
• 参考文献69-73
• 攻读学位期间取得的研究成果73-74
• 致谢74-75
• 个人简况及联系方式75-76
• 承诺书76-77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 高上凯;;神经工程与脑-机接口[J];生命科学;2009年02期

2 何庆华,彭承琳,吴宝明,王禾;基于视觉诱发电位的脑机接口实验研究[J];生物医学工程学杂志;2004年01期

3 李志伟,徐汀荣;数字化动态脑电地形图系统的应用研究[J];现代电子技术;2005年12期

4 周雅;何庆华;焦晓波;;基于LabVIEW运动想象的脑机接口系统[J];中国组织工程研究与临床康复;2011年39期

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1 林江凯;脑—机接口中运动想象脑电信号的特征提取和分类方法研究[D];重庆大学;2010年

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本文编号：768796