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事件相关电位脑—机接口的最优设计

刘杨  
【摘要】:基于事件相关电位(event-related potential, ERP)的脑—机接口(brain-computer interface, BCI)是一类重要的BCI实现形式。自从Farwell和Donchin在1988年提出P300字符拼写范式以来,ERP-BCI得到了研究者的广泛关注,并在其基础上开发了丰富的应用。全面考察ERP-BCI设计中的各方面因素对系统性能的影响规律,通过优化设计,充分挖掘该范式的潜力,进一步提高其性能,具有很高的理论和应用价值,也是本论文主要的研究目标。 论文在系统分析ERP-BCI设计的一般原理、数据分析方法和性能评价指标等相关问题的基础上,将ERP-BCI的设计分为几个相对独立的要素,即视觉设计、刺激编码和刺激时间控制。通过对这些要素的明确定义和划分,提出了ERP-BCI的设计框架,并在这个框架下,分别针对各个要素开展了深入的优化工作。 在视觉设计方面,论文重点研究了对诱发ERP成分的种类及其特征的时空分布有重要影响的因素——刺激类型。在研究中,把刺激类型按照两种方式进行了分类:一是根据目标图像在刺激中改变的属性,如颜色、位置、尺寸、纹理和清晰度等,相应地分为闪烁、平移、旋转、缩放、图案变换和锐化等刺激类型;二是根据目标在刺激前后状态切换的方式,分为脉冲和阶跃两种类型。对实验结果的对比分析表明,除了oddball任务所诱发的P300成分外,运动相关的刺激可诱发N200等早期运动视觉诱发电位成分,而需要较多精神投入的锐化刺激可诱发出更多晚期正成分。针对被试选择最优的刺激类型可有效提高系统性能。 刺激编码和时间控制是决定ERP-BCI的刺激效率和分类性能的关键因素。论文特别指出了在相关研究中没有得到足够重视的一个参数,即待选择的目标数目。选项数目由系统的功能需求所直接决定,并对其它因素的优化有重大的影响。论文设计了任意维cube编码方案,提出了嵌入cube编码的统一框架,并利用基于有限训练数据的预测策略,对不同选项数进行了cube编码和刺激序列数的综合优化。结果表明,任意维嵌入cube编码的性能一致地超过了经典行列编码。优化的过程揭示了不同编码对ERP特征分布的影响规律,得到的最优编码对ERP-BCI在实际应用中编码的选择和设计具有重大的实用价值。 BCI的一类重要服务人群是运动机能受损患者,对丧失眼动功能的患者,开发不依赖于视线移动的范式具有十分重要的意义。论文引入了oddball视觉搜索任务,提出了一种新型的独立ERP-BCI范式。该范式的特点是:一方面,把刺激在小视角范围内呈现,充分利用了中心视觉区空间锐度高的优势;另一方面,视觉搜索任务要求使用者主动的精神投入,有利于P300及晚期正成分的诱发,从而有助于提高分类性能。实验表明在视线固定条件下,对随机位置和固定位置两种刺激模式,系统的分类正确率分别达到了87.8%和84.1%,考虑纠错过程的写入字符率达到了1.38 symbols/min。这一结果超过了文献报道的其它不依赖于视线移动的BCI范式。


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