基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口系统研究

摘要

脑-机接口（Brain-Computer Interface，BCI）技术是一种全新的通信与控制技术，它不依赖于人体正常信息输出形式，能够实现通过大脑直接控制外部设备或与外界进行交流的构想，人类对大脑奥秘的研究和计算机与数字处理技术的发展推动了BCI成为全球的研究热点之一。基于稳态视觉诱发电位（Steady-state visual evoked potential，SSVEP）的脑-机接口技术因其具有较高的可靠性与稳定性、实现相对简单等特点，受到了研究学者的广泛关注。
　　当前BCI技术的研究大多处于实验室研究阶段，脑-机接口系统的实时性和稳定性一直是阻碍该技术获得实际应用的重大难题，本文在深入研究SSVEP信号特点的基础上设计了一种基于SSVEP的脑-机接口系统装置，提出了一种基于典型相关分析（Canonical Correlation Analysis，CCA）的空闲状态检测算法，并将算法应用于脑-机接口系统中，实现了人脑对电脑鼠标的控制，通过实验验证了系统的稳定性和实时性。本文的研究内容主要包含以下几个方面：
　　（1）阐述了脑电信号和稳态视觉诱发电位信号的产生机理与信号特征。由于诱发稳定的SSVEP信号需要视觉刺激器满足特定条件，通过对视觉刺激器的频率、颜色和占空比对SSVEP信号的影响展开对比研究，分别设计了LCD视觉刺激器和LED视觉刺激器；阐述了软件的整体设计方案，设计并实现了基于SSVEP的脑-机接口软件系统。
　　（2）针对在不同占空比的闪光刺激下SSVEP信号频谱分布特点，提出并实现了一种具有空闲状态检测的SSVEP信号特征提取与分类方法，提高了系统的实用性与准确性。
　　（3）构建了基于SSVEP的脑-机接口系统应用测试平台，以鼠标作为实际控制目标，对系统进行了测试，实验结果表明该系统具有较好的实时性和稳定性。
　　本文设计的基于SSVEP的脑-机接口系统可有效的将SSVEP信号转化为控制命令，实现了利用SSVEP信号控制外部设备的目标。该系统可应用于高位截瘫病人的生活辅助设备开发等相关领域。

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第1章 绪论

1.1课题来源

1.2研究背景、目的与意义

1.3基于SSVEP的脑-机接口技术研究现状

1.4论文的主要内容和组织结构

第2章 SSVEP脑-机接口系统设计

2.1 SSVEP信号概述

2.2 SSVEP视觉刺激器设计

2.3 脑-机接口系统软件设计

2.4 本章小结

第3章 SSVEP预处理与特征提取算法

3.1 SSVEP预处理算法

3.2 SSVEP特征提取方法

3.3 算法实现与比较

3.4本章小结

第4章 基于SSVEP脑-机接口系统应用测试

4.1 系统实验平台与测试环境

4.2 系统实时性与准确性测试

4.3 系统应用测试

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 下一步工作展望

致谢

参考文献