誘發(fā)式腦-機(jī)接口的設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、腦-機(jī)接口(brain-computer interface, BCI)是一種新的不依賴于外周神經(jīng)和肌肉，與大腦直連的通信接口技術(shù)。誘發(fā)式BCI作為BCI領(lǐng)域的主要分支之一，其簡單、高效和多目標(biāo)的信息傳輸特點(diǎn)，已經(jīng)引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。但是近年來，盡管誘發(fā)式BCI技術(shù)的研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，人機(jī)通信工效得到了顯著提高，其系統(tǒng)的通信控制能力仍難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。為了推動(dòng)誘發(fā)式 BCI向?qū)嵱没霓D(zhuǎn)變，本文以人機(jī)通信工效的提高為目標(biāo)牽引

2、，以基于事件相關(guān)電位(event-related potential, ERP)和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(steady-state visually evoked potential, SSVEP)的BCI系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別在多模態(tài)刺激、多模態(tài)特征電位，以及被試對(duì)BCI操控任務(wù)的主觀能動(dòng)性三個(gè)方面展開了研究。主要成果如下：
　　聽觸覺雙模態(tài)刺激研究與非視覺ERP-BCI系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證多模態(tài)刺激對(duì)提高誘發(fā)式 BCI性能的作用，本文提

3、出了一種基于聽覺和觸覺刺激的雙模態(tài)ERP-BCI方法。在該方法中，我們通過在同一方向上同時(shí)施加聽覺和觸覺隨機(jī)刺激的方式，設(shè)計(jì)了一個(gè)方向一致雙模態(tài)范式。由于該系統(tǒng)的操控不需要被試的視覺交互，故將其稱之為非視覺BCI。為了提高系統(tǒng)在線性能，我們?yōu)槊棵辉囘x擇了最佳EEG通道和最優(yōu)的trial。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的雙模態(tài)ERP-BCI相比于單模態(tài)的聽覺和觸覺ERP-BCI方法，在線平均ITR分別提高了45.43％和51.05%。據(jù)我們所知，在

4、視線獨(dú)立ERP-BCI研究中，我們所提出的雙模態(tài)ERP-BCI系統(tǒng)達(dá)到了至今最高的在線ITR(10.77 bits/min)。該雙模態(tài)ERP-BCI方法為非視覺BCI提供了一個(gè)新的研究方向。
　　SSVEP-BCI的實(shí)時(shí)信息反饋與動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。為了提高系統(tǒng)性能，本文提出一種帶實(shí)時(shí)信息反饋機(jī)制的動(dòng)態(tài)優(yōu)化 SSVEP-BCI。在該方法中，我們首先基于實(shí)時(shí)目標(biāo)識(shí)別結(jié)果設(shè)計(jì)了一種生物反饋機(jī)制，用于提高被試對(duì)目標(biāo)刺激的注意力。其次，我們

5、將行列(row/column, RC)范式引入到SSVEP-BCI中，采用6個(gè)頻率的閃爍刺激，設(shè)計(jì)了一個(gè)36選項(xiàng) SSVEP-BCI拼寫器。此外，我們設(shè)計(jì)了目標(biāo)選擇時(shí)間動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，并與固定優(yōu)化方法進(jìn)行了在線性能的對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明我們所提出的SSVEP-BCI拼寫器的性能與傳統(tǒng)方法相比有了顯著的提高。具體地說，實(shí)時(shí)信息反饋通過增強(qiáng)被試對(duì)目標(biāo)刺激的注意力，有效提高了拼寫準(zhǔn)確率。動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法相比于固定優(yōu)化達(dá)到了更高的PITR。
　　

6、基于P300與SSVEP的混合BCI研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)。在誘發(fā)式BCI研究領(lǐng)域，大多數(shù)研究僅集中在對(duì)單模態(tài)特征電位的分析識(shí)別上，系統(tǒng)性能正處于瓶頸狀態(tài)。為了進(jìn)一步提升BCI的性能，我們基于P300和SSVEP兩種特征電位提出了三個(gè)混合BCI方法。具體內(nèi)容如下：
　　首先，我們論證了同時(shí)誘發(fā)P300與SSVEP特征電位的可行性，并將SSVEP特征引入P300拼寫器，提出了一種新型的混合BCI方法。在該方法中，我們設(shè)計(jì)了一種由隨機(jī)閃爍和周

7、期閃爍構(gòu)成的混合刺激機(jī)制。所述混合 BCI拼寫器中目標(biāo)字符由三維時(shí)頻信號(hào)的融合結(jié)果識(shí)別得到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所述混合 BCI拼寫器的單 trial在線拼寫準(zhǔn)確率達(dá)到了93.85%。這表明 SSVEP特征的引入有效提高了P300拼寫器的目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率，達(dá)到了更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定的拼寫效果。
　　第二，為了提高拼寫速度，我們采用P300和SSVEP平行輸入的方式，提出一種新的快速混合BCI拼寫方法。在該方法中，目標(biāo)字符坐標(biāo)由P300和SSVE

8、P兩個(gè)子拼寫器同時(shí)輸出的二維坐標(biāo)確定。我們基于該方法設(shè)計(jì)了兩種 BCI拼寫器范式：SL和RC范式。此外，我們設(shè)計(jì)了基于PITR曲線的最優(yōu)trial優(yōu)化選擇方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的混合BCI方法相比于P300和SSVEP BCI，拼寫速度有了明顯的提高。其中，該混合BCI方法RC范式的平均PITR達(dá)到了53.06 bits/min。
　　最后，為了達(dá)到 P300和 SSVEP特征信息更合理的運(yùn)用，我們基于 P300和SSVEP的得

9、分融合提出了一種新的64選項(xiàng)混合BCI。在該方法中，我們將P300拼寫器的RC范式和SSVEP-BCI的兩步選擇范式相結(jié)合，提出了兩個(gè)混合BCI，即DRC和4-D范式。此外，我們提出了一種MPE融合方法用來實(shí)現(xiàn)P300和SSVEP得分級(jí)的信息融合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明4-D混合范式相比于 DRC范式性能更優(yōu)越；MPE融合方法相比于其它四種常用的得分融合方法達(dá)到了更高的準(zhǔn)確率。此外，13名被試中的12名采用4-D范式的單trial在線準(zhǔn)確率均超過