一種利用心算任務(wù)增強(qiáng)腦電信號特征的腦—機(jī)接口研究.pdf

1、研究目的:
　　 事件相關(guān)電位（EventRelatedPotential,ERP）與認(rèn)知過程中的大腦活動緊密相關(guān)，反映了認(rèn)知過程中大腦的神經(jīng)電生理改變。以其作為腦電信號特征載體的腦-機(jī)接口（BrainComputerInterface，BCI）系統(tǒng)具有無創(chuàng)采集、操作簡單的優(yōu)點以及獨特的時間分辨率優(yōu)勢。但由于空間分辨率相對欠缺，信噪比很低，導(dǎo)致了BCI系統(tǒng)存在分類正確率低、通訊速度慢等問題，成為制約實際應(yīng)用發(fā)展的瓶頸。
　

2、　 心算是大腦多個腦區(qū)共同參與的一項高級認(rèn)知加工活動，心算任務(wù)的類型、內(nèi)容、難度等特性對誘發(fā)的事件相關(guān)電位在時頻域上的特征成分有很大影響，這些受影響的特征成分是否能夠在一定程度上提高腦-機(jī)接口的信號識別率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的最終性能是本研究的重點。
　　 本研究在神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)基于事件相關(guān)電位P300的腦-機(jī)接口系統(tǒng)中，采集信號信噪比低，特征腦電信號提供的信息量少的問題，提出一種視覺刺激下，利用大腦處

3、理特定認(rèn)知任務(wù)（即心算任務(wù)）時能有效激活相關(guān)腦區(qū)和響應(yīng)信號的特性，進(jìn)而增強(qiáng)腦電特征的腦-機(jī)接口范式。
　　 研究方法:
　　 研究中首先設(shè)計并改進(jìn)了傳統(tǒng)oddball實驗范式，并在范式中引入了心算任務(wù)，具體包括兩種不同認(rèn)知復(fù)雜度的實驗:較簡單的傳統(tǒng)計數(shù)任務(wù)實驗與較復(fù)雜的一位加法心算任務(wù)的改進(jìn)實驗。對實驗所采集到的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行去除眼動等干擾、基線校正、濾波、分段等預(yù)處理，隨后利用相干平均的方法提取腦電信號的時域特征，分析并

4、對比不同實驗范式對事件相關(guān)電位主要成分P300等成分的影響。
　　 繼而從實用性角度出發(fā)，設(shè)計了以空間字符矩陣作為刺激來誘發(fā)P300的實驗范式。經(jīng)過信號預(yù)處理后獲得實驗結(jié)果，進(jìn)一步驗證了心算任務(wù)在腦-機(jī)接口范式中能夠增強(qiáng)腦電信號特征。實驗利用支持向量機(jī)分類方法對空間字符矩陣范式誘發(fā)的腦電信號進(jìn)行簡單分類，并比較了設(shè)置不同的輸入數(shù)據(jù)模板、采用不同疊加次數(shù)時，各受試者及其導(dǎo)聯(lián)腦電信號分類正確率的不同。
　　 研究結(jié)果:

5、>　　 改進(jìn)oddball范式實驗分析顯示，P300幅值平均提高了6.83μV，增幅達(dá)到73.94％;并且從400ms開始的腦區(qū)活動程度更為劇烈，時間更為持久;此外，不同于傳統(tǒng)計數(shù)任務(wù)，心算任務(wù)在650ms處出現(xiàn)有明顯的激活。結(jié)果說明引入心算認(rèn)知處理過程的實驗范式相比于傳統(tǒng)計數(shù)任務(wù)范式能夠更為顯著地激活相關(guān)腦區(qū)、增強(qiáng)特征信號，所誘發(fā)出的事件相關(guān)電位P300具有潛伏期延長、幅值增加的特點?？臻g字符矩陣范式實驗最后確定了最優(yōu)模板以及相應(yīng)分