基于节律调制的脑－机接口系统-swartzcenterforcomputational

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1、基于节律调制的脑－机接口系统—从离线到在线的跨越(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：医学院学科：生物医学工程研究生：王毅军指导教师：高上凯教授二○○七年四月基于节律调制的脑ᶔ机接口系统从离线到在线的跨越王毅军Brain-ComputerInterfacesBasedonModulationofBrainRhythms:ProgressfromOfflineAnalysistoOnlineApplicationDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversity

2、inpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofEngineeringbyWangYijun(BiomedicalEngineering)DissertationSupervisor:ProfessorGaoShangkaiApril,2007关于学位论文使用授权的说明本人完全了解清华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：清华大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包括：（1）已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文

3、，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；（2）为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内容；（3）根据《中华人民共和国学位条例暂行实施办法》，向国家图书馆报送可以公开的学位论文。本人保证遵守上述规定。（保密的论文在解密后遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要脑－机接口是不依赖于外周神经和肌肉的信息传输通道，它为瘫痪病人提供了一种与外界环境通讯的新途径。基于脑电信号的脑－机接口具有成

4、本低、操作方便、对大脑无损伤等优点，是当前脑－机接口研究的主要方向。脑－机接口的研究有明确的临床应用背景，因此研究开发具备实时性以及脑－机交互学习功能的实用在线系统具有十分重要的意义。本论文以基于脑电节律调制的在线脑－机接口系统为研究对象，对大脑感觉运动皮层的mu节律和视皮层的稳态视觉诱发电位进行了深入的研究。以脑电节律调制为生理背景，论文提出并实现了多种基于节律调制的脑－机接口系统。脑电信号处理是在线脑－机接口系统的核心。本论文以节律调制的神经生理背景为基础提出了一种综合时－频－空域信息的特征

5、提取方法，并采用多特征结合的方法，显著提高了对不同脑电模式分类的正确率。这一方法在2003年第二届国际脑－机接口竞赛的“单次手指运动脑电数据集”中获得了第一名。机器学习算法是在线系统的另一个重要环节。基于统计学习理论，本论文提出了一系列适用于在线脑－机接口的机器学习算法，成功解决了在线系统的小样本学习和休息状态的自动检测等问题。这些方法应用在2005年第三届国际脑－机接口竞赛的“小样本想象运动脑电数据集”和“休息状态自动检测数据集”中均获得了第一名。在算法研究的基础上，本论文进一步设计实现了基于

6、想象运动、大脑同步化、稳态视觉诱发电位的三种在线脑－机接口系统。基于想象运动的在线系统实现了脑－机交互适应学习的训练模式，获得了稳定的性能；三分类系统被成功应用于机器人的运动控制。大脑同步化系统可用于进一步提高想象运动脑－机接口系统的性能。基于稳态视觉诱发电位的在线系统达到了43bits/min的平均信息传输速率，临床脊髓损伤病人试用结果表明系统的设计是非常成功的。以单一模式的脑－机接口系统为基础，本论文还首次提出了多模式脑－机接口的设想，并通过实验研究验证了基于多模式注意的脑－机接口的可行性。

7、关键词：脑－机接口；mu节律；稳态视觉诱发电位；在线机器学习；多模式注意IAbstractAbstractBrain-computerinterface(BCI)isacommunicationchannelwhichdoesnotdependonthebrain’snormaloutputpathwaysofperipheralnervesandmuscles.Itsuppliestheparalyzedpatientswithatotallynewapproachtocommunicatew

8、iththeenvironment.Theelectroencephalogram(EEG)basedmethodisthemaininterestofcurrentBCIresearchduetoitsadvantagesoflowcost,convenientoperationandnon-invasiveness.DesignandimplementationofanonlinesystemplaysanimportantroleinBCIresearchwiththepurposeofp