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《华南理工大学》 2013年
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多模态与多自由度脑机接口研究

余天佑  
【摘要】:脑机接口(brain-computer interface,BCI)能够提供一种非神经肌肉传导的通道,直接把从人头皮上采集到的脑电(electroencephalography,EEG)信号转换成计算机或其他外部设备的控制指令,从而为运动功能障碍残疾人提供一种与外界交流或控制外部设备的方式。多维控制能够提供更强的人机交互能力,是BCI研究领域的一个重要问题,而且还有很多潜在的应用,如基于BCI的鼠标、轮椅和神经假肢的控制等。到目前为止,大部分能够进行多维控制的脑机接口都是植入式或者需要昂贵的采集设备(如脑磁图(magnetoencephalography,MEG)等)。另一方面,很难从具有高噪声和低空间分辨率特点的EEG信号中获得多个独立的信号的情况,也阻碍了对基于非植入式脑机接口的多维控制的研究。 多项研究表明,混合BCI经常能够提供比仅使用一种脑信号(单模态)的BCI更高的性能。本文研究的主要目标通过多模态(Multi-modal)或者混合(Hybrid)脑机接口的方式来提供多个自由度的输出。其中一个典型的问题是通过BCI来控制计算机鼠标。要做到这一点,首先需要从EEG信号中寻找到两个独立的控制信号,分别控制鼠标在垂直和水平方向上的运动,从而进一步来控制鼠标从屏幕上任意的初始位置移动到任意的目标位置。其次,需要能够控制鼠标尽量快速而且准确的选择感兴趣的目标以及拒绝不感兴趣的目标。 通过结合P300与运动想象mu节律,我们提出了一个基于混合BCI的二维光标控制系统。该系统同时进行P300和运动想象的检测,并且用检测输出来控制鼠标在一个二维的工作区域内运动。在一个专门设计的系统界面上,用户可以通过关注界面上三个“UP”(“DOWN”)按钮之一来控制鼠标向上(下)移动。同时,用户可以通过想象自己右(左)手的运动来控制鼠标向右(左)移动。而一旦鼠标移动到了目标位置,系统就要进行选择与拒绝的决策。如果当前目标是感兴趣目标,那么用户可以通过注意左边的“STOP”按钮,同时不做运动想象来选择该目标;否则,用户可以通过继续运动想象,且同时不要注意任何闪烁按钮来拒绝该目标。通过这些方法,我们就能够实现一个基于BCI控制的鼠标了。 在BCI控制的鼠标基础上,我们开发了脑控的因特网浏览器。用户可以使用该浏览器从包含有多个目标(链接、按钮和菜单等)的网页中选择一个自己感兴趣的目标。在该系统中,我们引入了一个基于自适应P300字符输入系统的目标过滤器来过滤大部分不感兴趣的目标。然后,通过一系列的鼠标移动和目标选择(拒绝)的决策,用户就可以选择到想要激活的目标。7位健康受试者参与了在线实验,所有人都能够使用该系统打开想要的网页。 另外,基于混合BCI控制的鼠标,我们还设计了BCI邮件客户端用来进行电子邮件通讯。自适应P300字符输入系统被用来进行快速的输入邮件内容。6位受试者参与了在线实验,并且都能够成功使用该客户端接收、阅读、撰写邮件以及添加附件。 然后,我们提出了基于P300的自适应字符输入系统。该系统能够根据用户的状态,自动选择P300检测时平均的次数,从而提高系统的输出速度。通过这个系统,我们获得了首届中国脑机接口比赛中字符输入项目的第一名。受试者在6分钟内输入了72个字符,仅错误1个字符。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TP11

【共引文献】
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