基于腦電與眼電的電動(dòng)輪椅控制方法研究.pdf

1、腦電(Electroencephalogram，EEG)是由大腦神經(jīng)元活動(dòng)引起有節(jié)律性變化的生物電信號(hào)，其中蘊(yùn)含了人類思維活動(dòng)的相關(guān)信息。眼是人類心靈活動(dòng)的窗戶，眼電(Electro-oculogram，EOG)是一種由視網(wǎng)膜與角膜之間的電勢(shì)差形成的生物電信號(hào)，由眼球活動(dòng)引發(fā)，與大腦思維活動(dòng)密切相關(guān)。如何有效提取腦電和眼電信號(hào)中蘊(yùn)含的信息，進(jìn)而開發(fā)出由腦電和眼電控制的康復(fù)輔助裝置，服務(wù)于肢體運(yùn)動(dòng)控制障礙患者，已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)、腦機(jī)接口、

2、康復(fù)工程等領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向。
　　在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61172134)的支持下，本文按照課題“基于腦電與眼電的電動(dòng)輪椅控制方法研究”的要求，闡述了人機(jī)交互的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了腦電與眼電信號(hào)的生理學(xué)基礎(chǔ)，研究分析了腦電與眼電信號(hào)的預(yù)處理、特征提取及模式分類的算法，探討了基于腦電與眼電的電動(dòng)輪椅控制方法。本文在研究過程中所取得的主要成果如下：
　　(1)為消除混雜在腦電信號(hào)中的噪聲，提出了一種EEMD與改進(jìn)的自適應(yīng)閾

3、值提升小波算法相結(jié)合的腦電信號(hào)消噪方法。首先利用EEMD算法將含噪腦電信號(hào)分解為若干個(gè)IMF分量，然后通過自相關(guān)函數(shù)特性法提取出由噪聲主導(dǎo)的高頻IMF分量，并運(yùn)用改進(jìn)的自適應(yīng)閾值提升小波算法進(jìn)行消噪處理，最后將保留的低頻IMF分量與消噪后的高頻IMF分量進(jìn)行重構(gòu)，得到消噪后的腦電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)提升小波的軟閾值消噪和改進(jìn)提升小波的軟閾值消噪兩種方法相比，該消噪方法的信噪比和均方根誤差都有明顯改善，為后續(xù)腦電信號(hào)的特征提取和模式

4、識(shí)別奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　(2)針對(duì)共空間模式(CommonSpatialPatterns，CSP)算法容易遺漏腦電信號(hào)頻率某些關(guān)鍵特征的缺點(diǎn)，結(jié)合腦電信號(hào)的頻率特性、導(dǎo)聯(lián)間的相關(guān)性及小波包變換良好的頻率特性分析能力，提出了一種基于小波包變換的CSP腦電信號(hào)特征提取方法。首先利用小波包對(duì)C3、C4和Cz導(dǎo)聯(lián)的原始腦電信號(hào)進(jìn)行分解，提取出與δ波、θ波、α波和β波頻率成分相似的四個(gè)頻帶，進(jìn)行小波包重構(gòu)，從而獲得腦電信號(hào)的四種節(jié)律成分

5、，最后將C3、C4和Cz導(dǎo)聯(lián)的四種節(jié)律成分作為CSP濾波器的輸入進(jìn)行特征提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于小波包變換的CSP腦電信號(hào)特征提取方法的分類識(shí)別率高于傳統(tǒng)的CSP算法。
　　(3)在模式識(shí)別方面，提出了一種支持向量機(jī)(SupportVectorMachine，SVM)和D-S證據(jù)推理相結(jié)合的模式分類方法。首先利用SVM分別對(duì)腦電信號(hào)和眼電信號(hào)進(jìn)行模式分類，然后利用D-S證據(jù)推理算法進(jìn)行決策層融合，最后將融合后的分類結(jié)果映射為控制命

6、令來控制電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，腦電與眼電信號(hào)決策層融合后的識(shí)別率明顯高于單純的腦電信號(hào)，且稍高于單純的眼電信號(hào)，從而為電動(dòng)輪椅的控制方法研究提供了一種思路。
　　(4)設(shè)計(jì)了基于腦電與眼電信號(hào)融合的電動(dòng)輪椅控制實(shí)驗(yàn)方案。改進(jìn)了視覺刺激軟件，從而能夠在單次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)采集受試者運(yùn)動(dòng)想象下的腦電信號(hào)和眼球掃視下的眼電信號(hào)，完成了腦電與眼電信號(hào)的預(yù)處理、特征提取和模式分類，并將模式分類結(jié)果映射為命令，進(jìn)而控制電動(dòng)輪椅前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)