一種利用心算任務增強腦電信號特征的腦—機接口研究.pdf

1、研究目的:
　　 事件相關電位（EventRelatedPotential,ERP）與認知過程中的大腦活動緊密相關，反映了認知過程中大腦的神經電生理改變。以其作為腦電信號特征載體的腦-機接口（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知加工活動，心算任務的類型、內容、難度等特性對誘發(fā)的事件相關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-機接口的信號識別率，進而提高系統(tǒng)的最終性能是本研究的重點。
　　 本研究在神經科學和認知科學研究成果的基礎上，針對傳統(tǒng)基于事件相關電位P300的腦-機接口系統(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、理特定認知任務（即心算任務）時能有效激活相關腦區(qū)和響應信號的特性，進而增強腦電特征的腦-機接口范式。
　　 研究方法:
　　 研究中首先設計并改進了傳統(tǒng)oddball實驗范式，并在范式中引入了心算任務，具體包括兩種不同認知復雜度的實驗:較簡單的傳統(tǒng)計數任務實驗與較復雜的一位加法心算任務的改進實驗。對實驗所采集到的腦電數據進行去除眼動等干擾、基線校正、濾波、分段等預處理，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)，設計了以空間字符矩陣作為刺激來誘發(fā)P300的實驗范式。經過信號預處理后獲得實驗結果，進一步驗證了心算任務在腦-機接口范式中能夠增強腦電信號特征。實驗利用支持向量機分類方法對空間字符矩陣范式誘發(fā)的腦電信號進行簡單分類，并比較了設置不同的輸入數據模板、采用不同疊加次數時，各受試者及其導聯(lián)腦電信號分類正確率的不同。
　　 研究結果:

5、>　　 改進oddball范式實驗分析顯示，P300幅值平均提高了6.83μV，增幅達到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)計數任務，心算任務在650ms處出現(xiàn)有明顯的激活。結果說明引入心算認知處理過程的實驗范式相比于傳統(tǒng)計數任務范式能夠更為顯著地激活相關腦區(qū)、增強特征信號，所誘發(fā)出的事件相關電位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)模板以及相應分