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30000字硕士毕业论文稳态视觉诱发电位脑机接口小波分析及参数模型的研究与设计

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:电位,刺激,诱发
论文概述:

一机接口基本概念和研究意义1.1.1脑一机接口的基本概念大脑是人类思维活动的中枢,是我们接受外界信号从而进一步形成意识、发出指令并产生相应行为的指挥部。脑电是大脑神经元突触后电

论文正文:

  1绪论脑        一机接口基本概念和研究意义1.1.1脑一机接口的基本概念大脑是人类思维活动的中枢,是我们接受外界信号从而进一步形成意识、发出指令并产生相应行为的指挥部。脑电是大脑神经元突触后电位的综合,是大脑电活动产生的电场经容积导体(由皮层、颅骨、脑膜及头皮构成)传导后在头皮上的电位分布,脑电信号可分为自发脑电(SpontaneousEEG)和诱发脑电(EvokedPotential}EP)两种。自发脑电是指在没有特定外界刺激条件下大脑神经细胞自发产生的电位变化,而诱发脑电是指人为地对感觉器官施加光、声、电等刺激所引起的脑电位变化。自1929年HansBergen首次发现EEG以来,人们即开始尝试利用EEG与外界进行通讯,形成对外界设备的控制。但由于其自发性较强并难于控制的特点,在研究上始终没有很大的突破。EP信号不同于EEG,是中枢神经系统在感受外界或内在刺激过程中所产生的生物电活动。而事件相关电位(EventRelatedpotentialERP)则是一种特殊的诱发脑电信号,它能反映出当外加某种特定的刺激,并作用于感觉系统或脑的某一部分,在给予刺激或撤销刺激时,在大脑区域内所引起的电位变化。它与EP的区别主要在于ERP是在受试者主动参与的情况下获得的诱发电位,具有更高的灵活性和可操作性〔’】。        实现脑电控制的关键技术是脑一计算机接口(Brain-computerinterface}BCI),简称脑一机接口。脑一机接口BCI的严格定义是:一种不依赖于大脑外周神经与肌肉正常输出通道的通讯控制系统。它通过采集和分析人脑生物电信号,在人脑与计算机或其它电子设备之间建立起直接交流和控制的通道,这样人就可以通过脑来表达意愿或操纵设备,而不需要语言或肢体动作。它不依赖于脑的正常生理输出通路(外周神经系统及肌肉组织),是一种全新的对外信息交流及控制方式。脑一机接口涉及脑科学、信号处理、模式识别、计算机科学与技术等众多学科。它是一种帮助人脑与外界环境进行相互交流的重要的辅助手段。可被广泛应用于医疗、远程控制、人工智能等多个研究领域[fZlf3101.1.2脑一机接口的研究意义经过五十多年的研究,科学家们发现了与注意、信号感知、分析判断、决策,以及工作记忆内容更新等认知过程相关连的自发以及诱发脑电成分,并得出与疾病、老化,甚至与智力差异相关连的特征性变化。因此,脑电信号,特别是事件相关电位越来越引起有相关研究人员的兴趣和关注。特别是ERP具有毫秒级的时间分辨率、需要的设备较为简单以及环境适应性强等优点。BCI系统及其相关技术将在涉及人脑的各个领域发挥重要的作用,尤其是对于活动能力严重缺失患者的能力恢复和功能训练具有重要的意义。因此对脑一机接口中脑电特征信号的无创可靠快速提取新方法的深入研究和理解是十分必要,且有着很大的实际意义的。2国内外发展现状与研究进展1.2.1脑一机接口中脑电信号的研究方法(1)利用视听觉诱发电位视觉诱发电位(visualevokedpotential,VEP)是神经系统接受如图像或闪光等视觉刺激,在大脑皮层处所产生的特定电活动。         视觉诱发电位信号的稳定性相对较好,比较容易检测。这种方法多采用计算机编程,在屏幕产生多种刺激模式及图案,屏幕上闪烁的不同图案代表多种选择,受试者通过注视其中一个目标来做出选择。通过对显示方式进行处理,可以使人在注视不同选项时产生不同的脑电信号。头皮电极采集枕骨粗隆部位的诱发电位信号,通过分析该诱发电位信号就可以判别出受试者注视的目标。听觉诱发电位(auditoryevokedpotentials,AEP)是指给予听觉器官一定强度的声音刺激,听觉系统所产生的一系列的电位变化。根据诱发电位出现的时间(潜伏期)可分为听觉短、中、长潜伏期诱发电位。听觉脑干诱发电位(auditorybrainstemresponseABR)是短潜伏期听觉诱发电位中最常用的一种测试方法。它不受被检者主观意识、睡眠、药物的影响,作为听功能障碍的客观检测方法,是目前AEP检查中应用最广、也是技术最为成熟的客观测听方法;ABR能较好的反映中低频听阂,具有频率特异性,接近主观听阂,可以反应听神经至皮层下(联合皮层)的电反应,是听觉高级中枢活动的重要反映指标。(2)利用事件相关电位(eventrelatedpotential,ERP)①利用P300电位P300是ERP中的一种,这种信号的峰值一般出现在相关事件发生后大约300ms的时刻。它是脑一机接口中经常使用的一种ERP信号,常通过Oddball范式诱发。且相关事件出现概率越小,其所引起的P300就越显著。P300电位研究的明显优势在于:首先是受试者不需要进行训练即可诱发出P300电位;其次是由于P300的延迟很短,所以单次实验的时间也可以很短。②利用事件相关去同步/同步(eventrelateddesynchronization/synchronization,ERD/ERS) 参考文献[1]张莉,何传红.脑一机接口的研究现状与挑战【J].现代科学仪器,2007, 17 (2) : 23-26. YIJUN WANG, RUIPING WANG, XIAORONG GAO, BO HONG, SHANGKAI GAO. A PracticalVEP-BasedBrain-Computer Interface[J].IEEE TransacRehabilitation Engineering.  2006,  Vol. 14(2) :234-240魏文庆.基于EEG的BCI的研究与设计【D).杭州:浙江大学,2007.[4)程明,高上凯,张琳.基于脑电信号的脑一计算机接口【J].北京生物医学工程,2000,19 (2):113-118. K R MULLER, B BLANKERTZ. Toward noninvasive brain-computer interfaces [J].IEEESignal Processing Magazine,  2006.23(5):128.  摘要 4-6 Abstract 6-7 1 绪论 10-16     1.1 脑-机接口基本概念和研究意义 10-11         1.1.1 脑-机接口的基本概念 10         1.1.2 脑-机接口的研究意义 10-11     1.2 国内外发展现状与研究进展 11-14         1.2.1 脑-机接口中脑电信号的研究方法 11-12         1.2.2 国内外研究概况 12-14     1.3 脑-机接口研究中主要存在的问题与改进方向 14-15     1.4 本文的主要工作 15-16 2 基于SSVEP的脑机接口系统设计方案 16-25     2.1 SSVEP的基本概念及研究意义 16-18         2.1.1 SSVEP的基本概念 16-17         2.1.2 SSVEP的主要优点及研究意义 17-18     2.2 视觉刺激器与脑电采集系统 18-21         2.2.1 视觉刺激器 18-19         2.2.2 脑电采集系统与开发软件 19-20         2.2.3 实验平台设计 20-21     2.3 实验方法介绍 21-23         2.3.1 单一频率刺激SSVEP的实验方法 22-23         2.3.2 四选项的单频SSVEP频率刺激 23         2.3.3 混合频率刺激SSVEP的实验方法 23     2.4 实验步骤 23-25 3 单频刺激的SSVEP信号分析结果 25-38     3.1 基于滑动平均与软域值提取的单频SSVEP信号检测 25-27         3.1.1 滑动平均分析方法介绍 25-27         3.1.2 阈值判断方法介绍 27     3.2 基于小波分析与AR模型的单频SSVEP信号检测 27-34         3.2.1 小波分析方法介绍 27-28         3.2.2 多分辨率Mallat算法(MltiResolution Mallat Analysis) 28-29         3.2.3 AR参数模型介绍 29-34     3.3 结果分析 34-37         3.3.1 滑动平均与软域值选取处理方法检测结果 34         3.3.2 小波分析与AR模型分析处理方法检测结果 34-37     3.4 实验结果分析 37-38 4 多选项刺激与混合频率刺激的SSVEP信号分析结果 38-47     4.1 多选项SSVEP刺激实验与分析结果 38-41         4.1.1 多选项SSVEP刺激实验方案 38-40         4.1.2 实验结果分析 40-41     4.2 混合频率刺激的SSVEP实验与信号分析结果 41-45         4.2.1 混合频率刺激SSVEP刺激实验方案 41-42         4.2.2 混合频率刺激SSVEP实验结果 42-44         4.2.3 实验结果分析 44-45     4.3 基于混合频率刺激的视觉拨号系统 45-47         4.3.1 拨号系统界面设计 45-46         4.3.2 拨号系统实验流程 46         4.3.3 拨号系统实验结果分析 46-47 5 总结与展望 47-50     5.1 研究总结