基于事件相关电位的脑机接口系统研究与设计

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脑-机接口(brain-computer interface, BCI)是一种新的信息交流系统,不需要语言或者动作,就可以在人脑和计算机之间进行直接的交流和控制。脑机接口技术涉及到神经学、心理认知科学、康复工程、生物医学工程和计算机科学等多个学科的交叉。可以通过脑电图(EEG)、皮层脑电图(EcoG)、功能性磁共振成像(fMRI)、功能性近红外光学成像(fNIR)等方法来对BCI进行研究。在对近年来国内外的BCI系统进行分析之后,本文对基于事件相关电位(ERP)的脑机接口系统进行了研究。采用无创伤的基于EEG的BCI研究方法,设计了基于事件相关电位的新型输入系统,可以直接通过脑电信号而不用手就能进行密码的输入。本文研究的内容包括输入系统实验范式的设计,系统整体的设计与实现,脑电信号的分析与处理等。在设计实验范式时,针对ERP中P300的电位特性,分别对输入字符的形式及颜色进行了对比,并在此基础上采用不同的实验参数进行了多次实验。本文在根据实验范式进行系统实现时,主要利用VC++中的MFC来进行编程。该系统集刺激界面的产生、脑电信号采集、存储及分析于一体,可以实时的将被试者所注视的目标字符输出到显示界面上。本文在对第三届BCI竞赛中P300数据进行分析的基础上,确定出对自采集脑电信号的处理方案。对于竞赛数据,首先利用数字滤波器进行滤波,采用降采样及时间窗进行降维,然后利用Fisher线性判别、正则化Fisher、核Fisher、支持向量机、贝叶斯线性判别进行分类。结果表面正则化Fisher在较短的时间内使用较少的叠加次数就达到最高的正确率,Fisher线性判别所达到的效果次之。所以,在对自采集数据使用叠加平均、独立成份分析(ICA)等方法去除干扰之后,采用Fisher线性判别及正则化Fisher进行分类。最终确定出最佳的输入方式、实验参数及脑电信号处理方案。
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