【摘要】：腦機(jī)接口(brain-computer interface,BCI)是一種不依賴外周神經(jīng)與肌肉,利用大腦思維直接與外界進(jìn)行通訊和控制的新型人機(jī)交互技術(shù)。基于運(yùn)動想象(motor imagery,MI)的自發(fā)式BCI是該領(lǐng)域中的重要研究分支之一,具有響應(yīng)速度快、自主性高等優(yōu)點(diǎn),常被用于各類康復(fù)助殘設(shè)備的在線控制。受腦電信號(electroencephalography,EEG)空間分辨率低的限制,目前BCI可識別的MI任務(wù)類別有限,相比于其它類型的BCI范式輸出指令數(shù)目較少,難以實現(xiàn)對外部設(shè)備的多自由度控制。針對上述問題,本文提出了一種基于序列編碼方法的多分類MI-BCI設(shè)計方法,并將其應(yīng)用于機(jī)器人、機(jī)械手臂以及輪椅的實際控制,提高了MI-BCI范式在多自由度控制場合中操控性能。本文的主要研究工作如下:基于序列編碼的多分類MI-BCI設(shè)計方法研究。為了提高M(jìn)I-BCI的輸出指令數(shù)目,我們提出了一種序列編碼多分類BCI設(shè)計方法。該方法采用類似于摩斯電碼的設(shè)計原理,需要被試按照規(guī)定的編碼序列執(zhí)行左/右手MI任務(wù)或保持空閑狀態(tài),實現(xiàn)新的序列MI任務(wù)。序列MI任務(wù)的不同編碼方式將映射成最終的輸出指令。利用上述方法,長度為N的序列MI任務(wù)可以編碼實現(xiàn)2×(2N-1)個不同的輸出指令。本文采用長度為2的序列MI任務(wù)實現(xiàn)了6分類MI-BCI范式,并選取4名健康被試進(jìn)行實驗,驗證序列編碼設(shè)計方法的有效性。實驗結(jié)果表明基于序列編碼的6分類MI-BCI的平均分類準(zhǔn)確率達(dá)到了89.4%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了隨機(jī)選擇概率16.7%。同時,系統(tǒng)的卡帕系數(shù)和通量分別達(dá)到了0.88±0.060和23.5bpm,高于目前多數(shù)MI-BCI范式的通訊速率。上述實驗結(jié)果證實了本文所提出的方法不但有效地提高了BCI系統(tǒng)的輸出指令數(shù)目,而且能保持較高的分類準(zhǔn)確率�；谛蛄芯幋aMI-BCI范式的機(jī)器人控制技術(shù)研究。為了驗證基于序列編碼MI-BCI范式的可用性,我們將其應(yīng)用于真實對象的實際控制中。首先,我們利用單分類MI任務(wù)進(jìn)行長度為2的序列編碼,設(shè)計了2分類序列MI-BCI范式,并且成功實現(xiàn)了對真實機(jī)器人前進(jìn)/停止、左/右轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動功能控制。4名被試參與了本實驗,其中2分類序列MI任務(wù)的平均在線分類準(zhǔn)確率為90.4%,平均響應(yīng)時間為5.0秒。在機(jī)器人行走控制實驗中,4名被試完成一次從初始位置到目標(biāo)位置的行走任務(wù)平均花費(fèi)139.4秒,輸出的控制指令數(shù)平均為11.9個。隨后,我們將左/右手2類MI任務(wù)進(jìn)行長度為2的序列編碼,設(shè)計了6分類BCI范式,實現(xiàn)了對真實三關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的在線控制,并能夠成功完成物體抓取任務(wù)。4名被試平均花費(fèi)39.1秒完成一次物體抓取任務(wù),需要平均輸出6.1個控制指令。實驗結(jié)果表明我們提出的序列編碼多分類BCI設(shè)計方法具有較好的適用性,能夠有效實現(xiàn)對真實外部設(shè)備的多自由運(yùn)動控制。序列MI任務(wù)的異步檢測與腦控輪椅控制方法研究。為了提高BCI范式的異步操控性能,本文提出了一種異步序列MI任務(wù)設(shè)計與檢測方法,并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)了4分類異步BCI范式,用于對真實智能輪椅的實際控制。在異步檢測算法中,BCI利用模板匹配算法識別被試MI任務(wù)的開始、停止以及轉(zhuǎn)換狀態(tài),實現(xiàn)對序列MI任務(wù)的異步檢測。利用這一方法,被試可以不受系統(tǒng)提示信息的約束,自主決定序列MI任務(wù)的執(zhí)行過程,實現(xiàn)對外部設(shè)備的異步控制。4名被試參加了本實驗,在線仿真實驗中,4類序列MI任務(wù)的平均正確檢出率達(dá)到了90.7%。隨后,我們將所設(shè)計的BCI范式應(yīng)用于智能輪椅控制之中,驗證異步序列編碼設(shè)計方法在實際控制中的可行性和有效性。實驗中,全部被試都能夠控制輪椅執(zhí)行前進(jìn)/停止,左/右轉(zhuǎn)彎和加速減速這6項功能,并在安置有障礙物的室內(nèi)環(huán)境中順利完成所規(guī)定的控制任務(wù)。實驗結(jié)果表明異步序列MI設(shè)計方法在提高BCI系統(tǒng)輸出指令數(shù)目的同時,還可以提高對外部設(shè)備的異步控制性能,進(jìn)一步拓展了序列MI編碼方法的應(yīng)用范圍�；诙喑叨葧r間窗口的序列MI任務(wù)檢測算法設(shè)計。為了提高序列MI任務(wù)的檢測速度,本文還提出了一種基于多尺度時間窗口的序列MI分類算法。在該方法中,我們選取了從600-2000ms長度范圍內(nèi)的8個不同時間窗口對EEG信號進(jìn)行特征提取和分類,并分別計算不同時間窗口分類結(jié)果的置信度。根據(jù)置信度值的大小,分類器對所有分類結(jié)果進(jìn)行加權(quán)得到最終的MI分類結(jié)果。利用多尺度時間窗口分類算法,在同等分類準(zhǔn)確率情況下,序列MI任務(wù)模板匹配響應(yīng)速度相比于傳統(tǒng)單一長度時間窗口方法增加了11.4%,而在同等響應(yīng)時間條件下,MI任務(wù)分類準(zhǔn)確率提高了4.2%。實驗結(jié)果表明基于多尺度時間窗口分類算法能夠在保證較高分類準(zhǔn)確率的情況下,提高序列MI任務(wù)的檢測速度。上述研究內(nèi)容和實驗結(jié)果表明,利用序列編碼方法可以有效提高M(jìn)I-BCI范式的輸出指令數(shù)目,并能實現(xiàn)對多自由度智能設(shè)備的有效控制。該BCI方法可以為運(yùn)動功能損傷患者提供一種有效的輔助運(yùn)動手段,實現(xiàn)對各類多自由度康復(fù)助殘設(shè)備的有效操控,進(jìn)而提高他們的生活自理能力和生活質(zhì)量。
[Abstract]:In order to improve the output instruction of MI - BCI , this paper presents a method for designing multi - classification MI - BCI based on sequence coding . This paper presents an asynchronous serial MI task detection algorithm based on multi - scale time window .
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R318;TP24

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本文編號：2124376