基于多特征脑电信号的联合脑—机接口范式研究

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1、万方数据分类号：R318．04密级：学位类别：科学学位团专业学位口O学校代码：1062学号：2011602047学科门类：工学又坪眚科袁号TIANJl■麓暑Dl‘¨啦U—n月疆tSllrY硕士学位论文MASTER’SDISSERTATIoN论文题目：基于多特征脑电信号的联合脑．机接口范式研究TITLETheStudyofaNovelHybridBCIParadigmBasedontheCombinationofMultipleEEGFeature一级学科：生物医学工程二级学科：论文作者：匡光涛指导教师：王索刚副教授导师组成员：天津医科大学研究生院二。一四年五月

2、万方数据学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下独立进行研究工作取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：匡丛I鸯日期：压咖多月孑日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津医科大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构

3、送交论文，并编入有关数据库。本论文属于保密口，在——年解密后适用本授权书。不保密匝r。学位论文作者签名：匡丝逵日期：Ⅵ乒年钿乡日导师签名：至妻因：'】日期动，4年多月乡日万方数据天津医科大学硕士学位论文中文摘要脑．机接口(Brain．ComputerInterface，BCI)为瘫痪病人提供了一种与外界环境通讯的新途径，在不依赖于正常的神经肌肉连接通路的情况下，建立人脑与外界交流，将人脑的活动信息转换成为直接对外部设备进行控制的命令。基于脑电信号(EEG)的脑一机接口具有成本低、易于实现、无创等优点，是当前脑一机接口研究的主要方向。基于脑电的脑．机接口系统范式

4、设计，通常采用一种特征脑电信号作为输入信号，但由于脑电信号具有各自的特点和局限性，使得系统性能存在一定的不足和缺陷。P300．Speller是采用P300特征作为输入信号实现文字选择输入的经典脑．机接口范式之一。传统的P300．Speller采用行／列闪烁刺激的方式来诱发P300特征，并通过P300特征的识别和检测来实现字符输入，但这种方式存在一些问题：所有字符遍历一遍闪烁次数较多，信息传输速率低，特征脑电信号信噪比低，本研究主要针对P300．Speller范式上述三方面问题来进行改进，提出并设计了一种新式的基于多特征脑电信号并行模式联合脑．机接口范式。具体研

5、究工作分为两个阶段：首先，提出了基于SSVEP和P300的联合脑．机接口预实验范式，即设计了一种3×3字符矩阵刺激模式。当人眼注视矩阵中某一字符时，所在行的蓝色框闪烁诱发了P300特征信号，字符列固定频率闪烁诱发了SSVEP特征信号。因此受试者两种脑电信号由空间行列相交的视觉刺激并行诱发出来，特征信号分布对应目标字符行．列刺激信息，通过对时域特征P300和频域特征SSVEP信号处理和分析，从而达到识别目标字符的目的。通过对实验采集脑电数据中两种特征脑电信号进行初步分类分析，本阶段结果验证了该范式设计和多特征信号处理的可行性。与传统P300．Speller范式对

6、比，这种范式模型采用不同的行／列刺激方式，字符遍历一遍所需的闪烁次数减少了一半，从而提高了闪烁刺激效率。从实用角度出发，提高待选字符信息量，在预实验范式基础上，设计了基于6x6的字符拼写脑．机接口范式，此外将6种颜色作为视觉刺激增强因素引入行框架刺激中，脑电数据离线分析结果表明当人眼主动注视某一字符时，行颜色框架刺激诱发了多种事件相关电位成分ERPs(P300和N200)，列固定频率诱发了SSVEP。为检验诱发特征信号分类效果，本文利用并设计了支持向量机模万方数据天津医科大学硕士学位论文型，对ERPs特征进行分类识别；对SSVEP特征分类，采用频域特征分析方法

7、对脑电信号目标频率进行识别，最终通过行列交叉来确定目标字符。字符识别结果表明在联合范式中字符识别正确率优于传统的P300的拼写范式，信息传输速率(ITR)明显提高，最高可达35bit／min。研究结果表明，本文提出的新式并行闪烁刺激模式与经典P300．Speller拼写范式相比，新范式能够减少一半闪烁刺激时间，从根本上提高了脑．机接口时间效率；并行闪烁刺激模式能够同时诱发多种特征脑电信号，通过融合多种信息特征，增加脑电特征信息量，并配合先进的信号提取和分类方法，在不降低字符识别正确率的基础上，提高了拼写范式系统信息传输速率，从而为脑．机接口范式的改进和新系统范

8、式的设计提供了一种理论基础和技术支持。