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文檔簡介
1、腦-機接口(BCI)是近年來出現(xiàn)的一種新的通信與控制方式,它直接使用大腦思維活動信號作為通信載體,實現(xiàn)人-機交互。BCI技術(shù)不僅可以幫助肢體癱瘓的病人與外界交流、控制外圍設(shè)備、完成康復(fù)訓(xùn)練等,還可以幫助人類完成很多危險任務(wù),而且它在娛樂等方面的應(yīng)用給人們的生活帶來一定的樂趣,此外它還可以促進(jìn)很多學(xué)科的深入研究。
從腦電信號是否被實時處理,BCI系統(tǒng)被分為兩種:在線式系統(tǒng)和離線式系統(tǒng)。在線式系統(tǒng)對采集到的腦電信號立即進(jìn)行處理,可
2、以實時地控制外圍設(shè)備,此外它還可以將處理結(jié)果等信息反饋給受試者,構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。離線式系統(tǒng)則是將腦電信號的采集和處理分開進(jìn)行,一般只用來評估系統(tǒng)的性能。因此,從實際的使用價值方面來講,只有在線式系統(tǒng)才能滿足人們的要求。
本文使用自制腦電采集板基于“模擬閱讀”實驗?zāi)J皆O(shè)計了一種在線式BCI系統(tǒng),即基于“模擬閱讀”的腦-機接口系統(tǒng)(IR_BCI)該系統(tǒng)包括三個部分:腦電信號采集、信號處理和外圍設(shè)備控制。在個人計算機上基于VS2
3、010設(shè)計一個在線BCI系統(tǒng)軟件,覆蓋了從腦電信號采集、預(yù)處理、特征選擇、模式識別到用戶界面控制等整個過程。具體工作包括:
?。?)系統(tǒng)總體框架的設(shè)計。整個系統(tǒng)劃分的功能模塊有:視覺誘發(fā)、信號采集、信號處理、特征選擇與模式識別和信息輸出等模塊。
?。?)每個功能模塊的設(shè)計及實現(xiàn)。視覺誘發(fā)模塊主要是在用戶界面設(shè)計視覺刺激器,實現(xiàn)了“模擬閱讀”視覺誘發(fā)事件相關(guān)腦電位的腦-機接口實驗?zāi)J?,使人腦通過腦電波直接控制虛擬鍵盤,達(dá)到
4、人機交互的目的。信號采集模塊是上位機從下位機讀取采集的數(shù)據(jù),然后將讀取到的數(shù)據(jù)按一定的排列規(guī)則拆分、合并成原始的腦電信號,最后將該信號存儲到指定的文件中。信號處理模塊分為:預(yù)處理、特征選擇與模式識別。首先對原始腦電信號進(jìn)行預(yù)處理,包括:確定參考電極、確定基線、20Hz的低通濾波、降4采樣等基本處理。特征選擇與模式識別是根據(jù)腦電信號N2-P3成分出現(xiàn)的時域特點提取特征向量,然后使用支持向量機完成分類識別。信息輸出模塊則是將特征選擇與模式識
5、別模塊的識別結(jié)果反饋給受試者,或?qū)⒆R別結(jié)果轉(zhuǎn)換成特定的控制指令,實現(xiàn)對外圍設(shè)備的實時控制。
?。?)系統(tǒng)測試。系統(tǒng)測試分為功能測試和性能測試。功能測試是驗證每個模塊能否正常工作;性能測試是驗證整個系統(tǒng)能否正常工作及系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確率。系統(tǒng)設(shè)計完成后,首先進(jìn)行一系列測試來驗證上述五個功能模塊設(shè)計的準(zhǔn)確性;然后選擇一個被試者,分別完成了五次四鍵實驗和五次七鍵實驗,其中,四鍵實驗的準(zhǔn)確率為88%,92%,88%,90%,92%,平均準(zhǔn)確
6、率為90%。七鍵實驗的準(zhǔn)確率為68%,70%,66%,68%,66%,平均準(zhǔn)確率為67.6%,證明了該在線系統(tǒng)的正確性。
?。?)系統(tǒng)應(yīng)用。在系統(tǒng)測試基礎(chǔ)上,受試者使用該系統(tǒng)控制實驗小車的運動,即通過大腦思維活動控制其左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)和后退,其準(zhǔn)確率最高可達(dá)90%以上。說明了本文的在線系統(tǒng)對BCI系統(tǒng)的實用化有一定的促進(jìn)作用。
實驗表明,該系統(tǒng)所有操作在一個PC機上完成,具有較高的識別準(zhǔn)確率,且可以實時控制外圍設(shè)備,即
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