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《华南理工大学》 2015年
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混合脑机接口实现及其应用研究

王洪涛  
【摘要】:本文主要内容为混合脑机接口实现及其应用研究,包括在线脑机接口系统设计和脑电信号分析方法研究两大主要部分。研究过程中实现了脑机接口系统从离线到在线系统的跨越,完成了三个在线脑机接口算法与实时在线系统设计,包括基于事件关联电位脑机接口的电视遥控异步系统、基于语音与脑电协同控制的轮椅、基于脑电-眼电控制的混合脑机接口系统。特别是针对目前运动想象脑机接口无法实现多自由控制为突破口,提出持续-轻快运动想象脑机接口新范式,并对其采用二级控制模式获取离散指令和连续指令,以突破传统运动想象脑机接口无法实现多自由控制的限制;进一步采用异步协议参与调控分类器的输出,实现运动想象脑机接口的异步控制,脑机接口异步控制的实现可以克服同步脑机接口系统实时性差、错误触发的缺陷,为脑机接口实用化迈出坚实的一步。具体表现为:第一,设计了基于事件关联电位脑机接口的电视遥控异步系统,包括脑电信号预处理、特征提取、分类识别实时算法,开发了具有通讯功能的遥控器,实现了脑机接口电视遥控异步系统。受试者可以利用脑电波来遥控电视选择频道和调整音量,这为重症瘫痪病人拓展其与自然的直接交流开辟了新的通道。5位健康的受试者参与了训练实验和在线实验,实验结果表明经过特定的训练,受试者均可有效控制该脑机接口电视遥控系统,其统计平均准确率达87%,平均传输速率(Information Transfer Rate,ITR)达35 bits/min,满足了系统实时性的需求。第二,我们提出了一个基于脑机接口和语音识别的混合脑机接口控制策略,并成功应用于轮椅协同控制。通过执行相关的活动,受试者可以在轮椅上实现四个控制行为(启动、停止、右转、左转)。五位健康的受试者参与室内实验,实验结果表明:通过混合脑机接口的协调控制机制,取得了较高的最优路径比和最优时间比,同时也显示了语音识别是脑机接口的一个有价值的补充(快速、准确),可用于辅助脑机接口控制系统,该智能轮椅目标群体为能主动发出单音(如:“啊”)的失语瘫痪患者。此外,我们还提出了一种基于超声波传感器的辅助避障方法,设计了多路超声波传感器避障系统和避障提示反馈界面。用户可借助反馈界面上实时提示的信息做出有效的避障决策。若无法成功避障,轮椅控制系统则立即启动紧急停车功能,避免与其它障碍物发生碰撞,以保证脑控轮椅及用户的安全。第三,为满足轮椅多自由度、实时性强的实际控制需求,提出融合事件关联电位(Event Related Potential,ERP)、运动想象(Motor Imagery,MI)和眨眼的混合脑机接口范式,该混合脑机接口集成了事件关联电位识别准确率高,运动想象及眨眼识别速度快优点,可有效克服单模态脑机接口的不足。由于混合脑机接口所选特征相互独立,采用并行算法实时处理,将明显提高系统整体信息传输率。这恰好可以满足轮椅多自由度、实时控制的需要,为多自由度控制系统研究开拓了新的途径。通过执行相关的意识任务,用户可以控制轮椅实现七个操作行为。四位健康的受试者参与了实验,实验结果不仅表明脑控轮椅系统本身的可操作性,鲁棒性,同时也进一步表明,该轮椅完全由受试者脑电自主控制,而不要借助其他辅助设备(如:自动导航系统)。第四,提出了一种时-空-频运动想象脑电数据分析方法,通过训练集数据交叉验证,筛选出与受试者匹配的时间窗与频带,进一步釆用共空域模式算法进行空间滤波和特征提取,最后采用相关向量机分类。通过对BCI Competition III Data IVa(Motor Imagery,Small Training Sets)进行测试,其平均分类准确为90.28%,为运动想象脑电信号两分类在线算法研究提供了一种新方法。此外针对事件关联电位,利用BCI competition III Data set II:(P300 Speller Paradigm)数据,提取8通道脑电信号,组成数据集和测试集。采用随机初始化和去噪自编码初始化两种方法初始化神经网络,实验结果表明:七项评估指标均较为理想,同时也验证了降噪自编码初始化比随机初始化效果要更好。以识别准确率(Recognition Rate)一项指标说明,采用随机初始化:受试者A,B分别为93.9%,94.1%;采用降噪自编码初始化:受试者A,B分别为95.4%,96.1%。本文研究的开展可望为脑机接口多自由度实时控制的研究开拓新的途径,为延伸和提高人类行为控制能力提供新技术。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:R338;TN911.7

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