基于穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位相位的腦機(jī)接口研究.pdf

1、患有肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥、多發(fā)性硬化，腦癱和腦損傷等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病人大腦與外部環(huán)境進(jìn)行交流和控制的神經(jīng)肌肉通路已經(jīng)受到嚴(yán)重傷害，從而部分或全部失去自主的的肌肉控制能力。為了改善他們的生活質(zhì)量和減輕家庭與社會(huì)的負(fù)擔(dān)，腦機(jī)接口技術(shù)展現(xiàn)了光明前景。腦機(jī)接口(brain computer interface，BCI)是大腦與外部設(shè)備的直接通訊通路，不依賴(lài)于大腦的正常輸出通路即外周神經(jīng)和肌肉組織。在諸多的腦機(jī)接口模式中，基于穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的

2、BCI系統(tǒng)能提供更高的分類(lèi)準(zhǔn)確率和更快的信息傳輸率。因此，對(duì)此類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行研究無(wú)疑具有重大價(jià)值。
　　 當(dāng)視覺(jué)刺激以大于4 Hz的頻率閃爍時(shí)，大腦信號(hào)將被刺激調(diào)制，并產(chǎn)生周期性的節(jié)律，表現(xiàn)在腦電上是在對(duì)應(yīng)于刺激頻率或其諧波上出現(xiàn)譜峰，這就是穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(steady state visual evoked potential，SSVEP)。目前大部分基于SSVEP的BCI系統(tǒng)采用從4 Hz到30 Hz之間的頻率。該頻率段存在著

3、易誘發(fā)視覺(jué)疲勞、誘發(fā)癲癇的高危險(xiǎn)性和與自發(fā)腦電頻率段相重合等缺點(diǎn)。因此，高于30 Hz的頻率更實(shí)用，因?yàn)樗鼈兏咏谂R界融合頻率。但是，可供使用的頻率范圍有限。目前研究表明，SSVEP相位可以作為SSVEP的一個(gè)特征指標(biāo)。
　　 為了更有效提取SSVEP相位，本文首先提出了一種結(jié)合最大對(duì)比融合和共空間模式的名為平均最大對(duì)比融合的空域?yàn)V波器設(shè)計(jì)方法用于把多電極導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)融合為單通道數(shù)據(jù)來(lái)增強(qiáng)SSVEP信噪比，然后利用基于Hilber

4、t變換的相位同步分析方法提取SSVEP與刺激信號(hào)之間的相位差來(lái)描述SSVEP相位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能(分類(lèi)準(zhǔn)確率為94.47％±6.02％和信患傳輸率為36.03±5.42bits/minute)的實(shí)時(shí)四選項(xiàng)BCI系統(tǒng)。與其它研究相比，本文提出的SSVEP相位檢測(cè)方法所需的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度更短，而且檢測(cè)性能比單電極導(dǎo)聯(lián)更穩(wěn)定。
　　 針對(duì)單一頻率下可用相位數(shù)目的有限性，本文研究了編碼理論在提升刺激模式數(shù)目的可行性，提出了一種基于循環(huán)編碼

5、的循環(huán)類(lèi)糾錯(cuò)編碼。仿真數(shù)據(jù)和實(shí)例分析結(jié)果表明，該編碼能有效的提升刺激模式數(shù)目，而且在編碼中應(yīng)該去除相位變化為碼長(zhǎng)減去1的碼字。
　　 為了從背景腦電中更有效的識(shí)別出SSVEP信號(hào)，本文利用參數(shù)調(diào)節(jié)隨機(jī)共振方法來(lái)利用腦電信號(hào)中的噪聲來(lái)增強(qiáng)SSVEP的信噪比。該方法首先利用基于自回歸模型的白化濾波器去除腦電頻譜中存在的1/f趨勢(shì)；然后利用改變采樣頻率的頻率壓縮方法把SSVEP頻率線性轉(zhuǎn)換為小于1的頻率，使白化濾波后的信號(hào)符合隨機(jī)共振

6、產(chǎn)生的條件；最后，調(diào)節(jié)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振效應(yīng)，從而增強(qiáng)SSVEP信噪比。結(jié)果表明，采用本文所提出的方法處理后，原本淹沒(méi)在背景噪聲中的SSVEP頻率在頻譜中凸顯出來(lái)。該方法用于經(jīng)過(guò)空域?yàn)V波器處理后的信號(hào)時(shí)，SSVEP信號(hào)的信噪比依然得到了顯著提升。另外，本文研究了當(dāng)刺激信號(hào)中引入不同強(qiáng)度噪聲后SSVEP響應(yīng)的變化，發(fā)現(xiàn)了在某種噪聲強(qiáng)度下SSVEP響應(yīng)優(yōu)于無(wú)噪聲情況，存在著隨機(jī)共振現(xiàn)象。
　　 腦電信號(hào)是一種復(fù)雜的非線性信號(hào)

7、，既有確定性成分又含有隨機(jī)信號(hào)。本文采用樣本熵對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下獲得的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。首先是從背景腦電中識(shí)別SSVEP。當(dāng)利用樣本熵作為指標(biāo)時(shí)，SSVEP信號(hào)的樣本熵顯著低于靜息腦電，而且對(duì)于多名受試者，靜患腦電的樣本熵值比較接近，這說(shuō)明樣本熵能作為通用指標(biāo)來(lái)識(shí)別SSVEP。為了擴(kuò)展樣本熵的應(yīng)用，本文從腦電信號(hào)的復(fù)雜性角度來(lái)研究經(jīng)皮穴位鎮(zhèn)痛機(jī)制，對(duì)在靜患狀態(tài)、致痛狀態(tài)和治療狀態(tài)下進(jìn)行分析后得到：受試者致痛后，大腦的無(wú)序程度和復(fù)雜性升高