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《重庆大学》 2003年
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基于视觉诱发电位的脑机接口实验研究

何庆华  
【摘要】: 脑机接口(brain-computer interface, BCI)是近十年发展起来的一种新颖的人机接口方式。它是不依赖于脑的正常输出通路(外周神经系统及肌肉组织)的脑-机(计算机或其它装置)通讯系统。脑机接口的一个重要用途是为那些思维正常但有严重运动障碍的患者提供语言交流和环境控制途径,提高其生存质量。脑机接口技术在工业、航空、军事等领域也有潜在的应用价值。它正成为脑科学、康复工程、生物医学工程及人机自动控制研究领域的一个研究热点。目前,脑机接口的研究正处于发展阶段,现有的脑机接口系统还存在通讯速度低、效果不稳定等技术障碍。 本文开展了基于视觉诱发电位信号的脑机接口研究。视觉诱发电位是神经系统接受视觉刺激所产生的特定电活动,发生于特定的时间及特定的部位,相对比较容易检测,适合于脑机接口应用。只要使用者视觉功能正常,就可以利用视觉诱发电位信号实现脑机接口。采用该方法,使用者无需训练或只需少量训练。 目前,基于稳态视觉诱发电位的脑机接口技术已有研究。针对稳态视觉诱发电位用于脑机接口的局限性,本文首次提出并探索了采用瞬态视觉诱发电位实现脑机接口的方法。该方法是一种新的脑机接口技术,是对现有技术的一个有益补充。 基于视觉的基本特性,阐述了视觉诱发电位用于脑机接口的原理,并利用计算机软件编程的方式在计算机监视器上设计了脑机接口视觉刺激器。屏幕上多个闪烁的视觉刺激模块代表脑机接口的多种可能选择,受试者通过注视其中一个模块,作出选择或控制。本文提出了一种新的同频次复合刺激方法,当屏幕上同时存在多个刺激模块时,该方法能提高刺激效率,特别适于瞬态诱发电位脑机接口应用。 利用双计算机和Active One生理信号测量系统建立了一个基于视觉诱发电位的脑机接口实验系统。本研究采用头皮电极记录枕部的皮层视觉诱发电位,该记录方式无创,容易被人接受。 本文研究了采用小波变换提取强噪声背景下视觉诱发电位的方法。根据诱发电位信号及背景噪声不同的时频分布特征,设计了小波时频滤波器,结合少量次的累加平均,可以有效地提高信噪比,实验结果表明,大约只需9-25次视觉刺激数据,就可以提取出波形特征显著的视觉诱发电位信号,有利于提高脑机接口的通讯准确性和速度。 本文提出了在小波变换域中特征向量的提取方法,该方法有效地实现了信号的去噪、降维和特征提取,是一种适合脑机接口应用的提取瞬态视觉诱发电位特征的方法。 WP=5 本文提出了三种产生脑机接口控制信号的方法: (1) 基于时域波形特征的信号识别方法; (2) 基于特征向量数量积的线性判别方法; (3) 基于神经网络的VEP模糊识别方法。 实验表明,采用小波变换域的特征向量以及基于神经网络的VEP模糊识别方法来识别视觉诱发电位,产生脑机接口的控制信号,是一种有效的并且易实现的适用于脑机接口的信号模式识别方法。 本文对刺激模块的颜色、大小、闪烁频率等不同因素对视觉诱发电位信号的影响进行了相关的实验研究,通过实验及理论分析,得出了对设计脑机接口视觉刺激器有参考价值的结论。 作者成功地开展了脑机接口实验。研究结果表明,采用本文提出的方法实现脑机接口,能够达到比较高的通讯速率。离线数据分析表明,当脑机接口实验有12个可选择的项目时,最高通讯速率超过每分钟40比特,而目前国际上的大多数脑机接口系统的最高通讯速率为每分钟10-25比特。实验证明了本文提出的脑机接口视觉刺激器及实验系统的设计是成功的,同时验证了作者所提出的视觉诱发电位信号的提取方法及识别方法的有效性。 综上所述,采用瞬态视觉诱发电位实现脑机接口的方法是切实可行的。本文提出的视觉刺激方法以及信号提取与识别算法,为最终实现脑机接口应用奠定了比较坚实的理论和实验基础。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:R-39

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前5条
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2 王永;何庆华;田逢春;徐江;冯正权;;基于FPGA的脑机接口实时系统[J];电子技术应用;2009年04期
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4 倪原;沈艳辉;侯帅格;陆文总;;大鼠嗅觉区脑电信号检测与处理技术研究[J];西安工业大学学报;2012年02期
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中国博士学位论文全文数据库 前5条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 钟丽辉;SD大鼠闪光视觉诱发电位的少次提取和神经元放电的初步研究[D];郑州大学;2010年
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8 权苏会;基于LabVIEW的实时脑—机接口系统实现[D];重庆大学;2008年
9 王永;基于FPGA的脑机接口实时系统实现技术研究[D];重庆大学;2009年
10 刘青峰;视觉诱发电位测量系统的研究[D];重庆大学;2009年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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6 路树超;陈思思;刘炜;王朝阳;刘清国;;针刺捻转补泻手法对人体胫后神经体感诱发电位N45、P60影响的研究[A];2011中国针灸学会年会论文集(摘要)[C];2011年
7 袁红;陈榕;黄大鹏;王文远;陈占禄;陈锋;;平衡针镇痛即时效应的机制研究[A];2011中国针灸学会年会论文集(摘要)[C];2011年
8 何正嘉;訾艳阳;陈雪峰;王晓冬;;内积变换原理与机械故障诊断[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
9 段培超;;基于小波变换和CB形态学的航空图像边缘检测[A];图像图形技术与应用进展——第三届图像图形技术与应用学术会议论文集[C];2008年
10 李丽;杨乐平;;一种新的盲均衡算法的研究[A];第九届全国信号处理学术年会(CCSP-99)论文集[C];1999年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王杰;基于人工智能的乒乓球比赛技战术诊断与评估研究[D];上海体育学院;2010年
2 王咏胜;复数轮廓波变换的构造、扩展及其图像处理应用[D];哈尔滨工程大学;2009年
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4 汪春梅;癫痫脑电信号特征提取与自动检测方法研究[D];华东理工大学;2011年
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7 张峰;输电线路行波故障测距优化算法研究[D];山东大学;2010年
8 王儒芳;当代情绪心理学视角下的中医七情理论与实践研究[D];成都中医药大学;2010年
9 刘义;对抗条件下被动雷达制导技术及效能评估方法研究[D];国防科学技术大学;2010年
10 陶勇;知识辅助的SAR图像目标特性分析与识别研究[D];国防科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 沈昊;基于DSP图像处理的鸡蛋新鲜度实时无损检测研究[D];华中农业大学;2010年
2 严海燕;光学相干断层扫描仪在垂体瘤中的应用研究[D];南京医科大学;2009年
3 岑忠;体感诱发电位实验系统的设计、测量与分析[D];南京医科大学;2010年
4 蒲锰;非侵入式矿井提升机PLC电控系统实时故障诊断方法的研究[D];山东科技大学;2010年
5 杨焱麟;基于小波变换理论与比值分析法的变压器励磁涌流识别的研究[D];山东科技大学;2010年
6 陈林;基于GIS的流域水文数据的时空分析[D];山东科技大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 高湘萍;吴小培;沈谦;;基于脑电的意识活动特征提取与识别[J];安徽大学学报(自然科学版);2006年02期
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中国重要会议论文全文数据库 前3条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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9 伍亚舟;基于想象左右手运动思维脑电BCI实验及识别分类研究[D];第三军医大学;2007年
10 张莉;基于自发脑电信号的脑—机接口的研究[D];重庆大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 安兴伟;基于数字拼写的视—听联合刺激诱发ERP研究[D];天津大学;2010年
2 郭晓静;基于独立分量分析的思维脑电和诱发脑电的特征提取[D];安徽大学;2003年
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4 朱新建;新型移动式心电远程监护系统的终端研制[D];第三军医大学;2003年
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 吴宝明,李刚,朱凌云,朱新建,阎庆广,卓豫;移动远程心电监护系统监护中心的设计[J];北京生物医学工程;2005年06期
2 吴海静;何庆华;田逢春;;基于瞬态视觉诱发电位的识别算法研究[J];传感器与微系统;2012年04期
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中国博士学位论文全文数据库 前8条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
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【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 孙燕燕;洪波:脑机接口传递思维[N];北京科技报;2010年
2 环科;意念移物-脑机接口技术演绎科技神话[N];福建科技报;2008年
3 本报记者 马文方;脑机接口:互联网遥远的疆界[N];中国计算机报;2010年
4 本报记者 罗朝淑;脑机接口:唤起神经康复的新希望[N];科技日报;2011年
5 实习生 陈明立;脑机接口,开启“心灵感应”时代[N];科技日报;2010年
6 猛犸;可见的大脑“意念控制”[N];电脑报;2009年
7 徐娜;神奇发带为大脑做体检[N];大众科技报;2010年
8 清水 编译;超人并非遥不可及[N];计算机世界;2010年
9 记者 刘正午;贺斌:站在读脑技术前沿[N];医药经济报;2010年
10 ;人脑能与电脑直接相连吗?[N];上海科技报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 何庆华;基于视觉诱发电位的脑机接口实验研究[D];重庆大学;2003年
2 龙锦益;脑信号分析的算法研究与多模态脑机接口[D];华南理工大学;2012年
3 朱丹华;基于稳态视觉诱发电位相位的脑机接口研究[D];浙江大学;2011年
4 吴婷;自发脑电脑机接口模式识别关键技术与实验研究[D];上海交通大学;2008年
5 朱晓源;EEG脑机接口的连续预测方法研究[D];中国科学技术大学;2007年
6 苏煜;基于SCF范式的在线P300脑机接口研究[D];浙江大学;2010年
7 赵丽;基于脑电信号的脑-机接口技术研究[D];天津大学;2004年
8 王鹏;脑机接口中植入式无线遥控遥测技术的研究[D];浙江大学;2012年
9 程明;基于脑电信号的脑—计算机接口的研究[D];清华大学;2004年
10 冯菁菁;婴幼儿期和学龄前期早产儿视觉诱发电位研究[D];复旦大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吴太银;基于瞬态视觉诱发电位的实时无线脑机接口系统的研究与设计[D];重庆大学;2010年
2 徐江;基于实时脑机接口的无线遥控车系统[D];重庆大学;2010年
3 刘家乐;基于稳态视觉诱发电位的脑机接口系统的设计与研究[D];安徽大学;2011年
4 李勇昌;基于MPI并行框架的实时注意力监测脑机接口的研究与应用[D];兰州大学;2012年
5 刘佳进;三维视觉刺激器在运动想象脑机接口中的应用研究[D];重庆大学;2010年
6 周丽娜;基于脑磁图的脑机接口方法研究[D];燕山大学;2011年
7 章怀坚;基于大鼠的植入式脑机接口神经信号处理方法研究[D];浙江大学;2011年
8 王永;基于FPGA的脑机接口实时系统实现技术研究[D];重庆大学;2009年
9 王晶;基于小波分解的左右想象脑电特征分类研究[D];华东交通大学;2009年
10 王清波;基于信息压缩的无线植入式脑机接口中算法及系统研究[D];浙江大学;2011年
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