面向BCI系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信號處理方法研究.pdf

1、腦機接口（BCI）是一種不依賴于正常的外周神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路的通訊系統(tǒng)，形成于20世紀70年代?；贐CI原理設(shè)計的裝置有望幫助神經(jīng)肌肉系統(tǒng)癱瘓的病人實現(xiàn)與外界的交流。應(yīng)用于腦機接口系統(tǒng)眾多類型的腦電信號中，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）具有信噪比高，操作簡單，訓(xùn)練時間短等優(yōu)點。并且，它屬于一種非植入式腦電信號，不會對受試者造成創(chuàng)傷。因此，基于SSVEP信號的腦機接口系統(tǒng)得到了十分廣泛的應(yīng)用。
　　如何從復(fù)雜的腦電信號中提取

2、SSVEP相關(guān)信號是實現(xiàn)BCI控制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文依托新西蘭奧克蘭大學(xué)研究基金和新西蘭奧克蘭醫(yī)學(xué)研究基金等實際應(yīng)用項目開展面向腦機接口系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信號處理及其實際應(yīng)用研究。論文從提高 SSVEP信號的識別精度、識別速度和提高基于SSVEP信號的BCI系統(tǒng)的實用性等角度出發(fā)，對SSVEP信號特征提取、特征分類、信號濾波等內(nèi)容進行了理論分析和大量的實例驗證，實驗結(jié)果證明了相關(guān)算法在實際應(yīng)用中的可行性。在實驗室非屏蔽環(huán)境下，成功地

3、設(shè)計了基于SSVEP信號的BCI系統(tǒng)，該系統(tǒng)可適用于不同的測試人群。本文的主要研究工作體現(xiàn)在以下方面：
　?。?）針對FFT方法分辨率有限的問題，采用一種基于頻譜搬移的FFT細化技術(shù)，在提高頻率分辨率的同時，增加可識別的目標頻率總數(shù)。實際的SSVEP信號分析證明，該方法與常用的FFT補零法相比，可以提高目標頻率的識別準確率。為現(xiàn)實應(yīng)用中，更加復(fù)雜的指令控制打下基礎(chǔ)。
　　此外，結(jié)合單維信號諧波恢復(fù)相關(guān)理論，提出一種基于多信號

4、分類（MUSIC）的適用于多維SSVEP信號特征提取方法。相對于另一種性能較好的適用于多維信號處理的典型相關(guān)分析（CCA）方法，MUSIC方法在實際操作上較為簡單，實驗結(jié)果證明該方法可以獲得更高的識別準確率。
　?。?）針對SSVEP信號特征分類，尤其是需要對空閑狀態(tài)進行正確識別以降低假陽性的機率，提出一種基于自適應(yīng)閾值特征分類方法，來進行最終的目標判別?；赟SVEP信號具有一定的個體差異性，提出一種基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)最大識別準確率為

5、目標函數(shù)計算自適應(yīng)閾值的方法。實驗數(shù)據(jù)分析表明，基于自適應(yīng)閾值進行分類識別的效果優(yōu)于基于高斯分布的閾值分類識別方法。
　　此外，針對閾值法通常訓(xùn)練時間較長的缺點，從實際操作的簡便性來考慮，提出一種基于二層滑動窗模型的數(shù)據(jù)處理方法來進行最終的目標判別。該方法可以避免或者少量地使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)，降低系統(tǒng)的時間復(fù)雜度，實驗結(jié)果證明該方法也可以達到很好的識別效果。
　?。?）為了進一步提高識別準確率，確保系統(tǒng)在實際非屏蔽環(huán)境中的可靠性，

6、在信號濾波方面，提出基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）的濾波方法。該方法結(jié)合SSVEP信號頻率特征，可以簡便地確定 SSVEP相關(guān)固有模態(tài)函數(shù)進行信號重構(gòu)，達到濾波的效果。實驗結(jié)果表明該方法可以有效地提高 SSVEP信號識別準確率，對于SSVEP信號在空閑狀態(tài)時的處理效果尤其明顯。
　　然而，EMD方法存在計算量較大的缺點。針對某些特定BCI系統(tǒng)實時性較高的要求，提出了基于高斯白噪聲的自適應(yīng)濾波（AF）方法。針對自適應(yīng)濾波器中參考信號往往

7、不確定問題，將高斯白噪聲作為自適應(yīng)濾波器的輸入信號，原始的SSVEP信號作為參考信號，使得自適應(yīng)濾波器產(chǎn)生的差值信號作為去噪后信號。實驗結(jié)果表明該方法可以有效地降低噪聲的干擾。
　?。?）針對數(shù)據(jù)采集、信號處理和設(shè)備控制等功能進行模塊化設(shè)計，降低系統(tǒng)的耦合度，有利于后續(xù)功能的擴展。系統(tǒng)各個功能模塊之間通過網(wǎng)絡(luò)通信。同時，模塊化的設(shè)計也為后續(xù)開展其它類型的BCI系統(tǒng)研究提供了基礎(chǔ)和便利。
　　結(jié)合設(shè)備控制中存在的“速度匹配”問