脑机接口关键技术研究

脑机接口(brain-computer interface,BCI)利用脑电信号实现人脑与计算机或其他电子设备的通讯和控制,是一种新的人机接口方式.它在康复医学和控制工程等领域有应用前景.本文介绍了BCIs系统的工作原理,从系统设计、数据获取及处理方法两方面论述了BCIs系统设计中的关键技术,最后指出了BCIs存在的主要问题和发展趋势.这些探讨为BCIs的设计与研究提供了指导.     

近红外光谱技术及其在脑功能成像中的应用

采用近红外光谱技术进行脑功能研究是近几年来发展起来的一个研究热点。本文较全面地阐述了近红外光谱技术的几种典型实现方法 ,并分析了各种方法所使用的基本理论及其在脑功能成像中的应用。     

基于想象左右手运动脑机接口实验研究及分析

探索一种实用的基于想象运动思维脑电的脑．机接口（Brain．computerinterface，BCI）方式，通过寻找合适的信号处理方法，来提取最能反映不同思维的脑电特征，以提BCI系统通讯识别正确率，为最终实现BCI应用奠定理论和实验基础。对6名健康受试者进行3种不同时段（箭头出现2s、1s和0s后提示按键）情况下想象左右手运动思维作业的信号采集实验，利用小波分析、前向反馈神经网络（BP神经网络）对离线实验数据进行处理和分析。对所有受试者三种情况下的延缓时间△t2、△t1和At0分析发现：At0与△t1和△t2之间都有显著性差异（P〈0．05），而△t1与△t2之间没有显著性差异（P〉0．05）；三种情况下，平均分类正确率分别达到65．00％、86．67％和72．00％，实际按键前0．5～1s左右，想象左右手运动的思维脑电特征信号都发生明显改变，且这些特征存在明显不同。在箭头出现1s左右后提示随机按键情况下，可以获得更高的识别正确率，说明该方案提取的特征作为BCI系统外部装置控制信号是可行的，通过合理的实验设计获取的信号有助于识别正确率的提高，为BCI系统中思维任务的特征提取与识别分类提供新思路和方法。     

近红外光谱技术及其在脑功能成像中的应用

采用近红外光谱技术进行脑功能研究是近几年来发展起来的一个研究热点。本文较全面地阐述了近红外光谱技术的几咱典型实现方法，并分析了各种方法所使用的基本理论及其在脑功能成像中的应用。     

基于Labview的脑机接口实时系统

目的在Active One生理信号采集系统基础上实现脑机接口实时系统。方法系统利用瞬态视觉诱发电位来实现脑机接口,软件采用Labview7.1编程实现。设计四个刺激模块的脑机接口人机界面,采用同频次复合刺激方式实现多模块视觉刺激。应用累加平均与FIR滤波器提取视觉诱发电位信号,再通过计算相关系数实现信号识别。结果10名受试者参加了脑机接口实验。实验结果表明,基于Labview设计的视觉刺激器能够产生有效的视觉刺激。结论本文提出的实时信号处理方法提高了信噪比,实现了视觉诱发电位的提取与识别,能够判断出受试者所注视的目标,并将结果实时反馈到人机界面,实现了脑机接口实时系统。     

基于光遗传学技术的脑机接口研究进展

脑机接口作为一种大脑和外部设备之间的双向通信系统,在增强脑功能、人机交互和神经康复方面得到了广泛应用。基于光遗传学技术的脑机接口,弥补了电极刺激在生物兼容性、刺激精度与细胞类型特异性上的缺陷,成为神经工程领域的研究热点。综述了光遗传学脑机接口在动物实验中的应用,以及在闭环调控脑区活动、反馈虚拟感觉和脑-脑交互等方面取得的研究进展;介绍了集成化和微型化新型光遗传学接口的研究前沿;总结了光遗传学脑机接口面临的挑战,以及探讨在多模态脑活动监测和脑-机智能等方向的发展前景。     

脑机接口中一种改进的模式识别方法

为提高脑机接口中脑电识别率，分析了特征提取方面时频特征组合法的缺点，探讨了一种改进的模式识别方法。该方法以样本类平均距离为判据，采用滑动窗优化技术，获取时域均值的最佳时间段和频域功率谱均值的最佳频率段。用经过优化的时域均值和功率谱均值组合作为特征，形成特征向量。基于该特征向量，用神经网络对脑电信号进行分类。以识别正确率为指标，将改进方法与原方法进行对比，实验结果表明改进方法能够提高脑电识别率，具有应用价值。     

基于视觉诱发电位的脑机接口实验研究

脑机接口是一种新颖的基于脑电信号实现人脑与计算机或其他电子设备进行通讯和控制的系统 ,在康复医学工程等领域具有重要意义。作者开展了基于视觉诱发电位的脑机接口实验研究。采用计算机编程 ,在屏幕产生多种刺激模式图案 ,屏幕上闪烁的不同图案代表多种选择 ,受试者通过注视其中一个目标来作出选择。头皮电极采集枕骨粗隆部位的诱发电位信号 ,分析诱发电位信号 ,可以判别出受试者注视的目标。采用小波滤波及累加平均方法提高信噪比 ,用于提取微弱的脑电信号。离线实验数据分析表明 ,采用本文提出的方法可以有效地实现脑机接口 ,并达到较高的正确率和通信速度 ,目标为 12个时 ,通信率高于 30 bit/ min     

一种用于脑机接口的模式识别方法

基于脑电的脑机接口(BCI)是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立的全新对外信息交流和控制技术,是一种不依赖于常规大脑信息输出通路(外围神经和肌肉组织)的脑机通讯系统.及时有效地提取和识别与运动想象有关的脑电模式可以帮助运动功能受损的病人建立一种与外界沟通的新途径.论文基于传统的特征提取方法--时频特征组合法,经过滑动窗优化,获取最佳时间段的时域均值和最佳频率段的频域功率谱均值,以此作为特征向量.基于该特征向量,用径向基概率神经网络对脑电信号进行分类.实验结果表明,该方法能够有效地提高脑电识别率,具有应用价值.     

用于控制短消息发送的实时脑机接口系统

目的：设计一种基于视觉诱发电位的实时脑机接口,用于控制短消息发送。方法：实时脑机接口系统由视觉刺激器、脑电采集电路、FPGA开发板、通讯模块组成。脑机接口界面包括短消息发送的目标选项和内容选项界面,受试者每次实验注视刺激界面中的一个模块,通过检测视觉诱发脑电来确定受试者做出的选择。利用基于FPGA的VGA视觉刺激器为受试者提供视觉刺激,采集脑电信号并在FPGA平台上对其进行在线的实时分析处理。选用小波分解提取视觉诱发电位特征向量,输入BP神经网络进行模式识别,产生脑机接口控制信号,其中,小波分解和BP神经网络两部分由NIOS II实现。脑机接口控制命令用于控制TC35无线模块发送短消息。结果：通过对五名受试者做实验,识别准确率最高可以达到100%,脑机接口系统能有效控制短消息的发送。采用小波滤波、BP神经网络识别的算法优于时域波形匹配识别法。结论：实验表明本文提出的实现脑机接口短消息发送系统的方法具有可行性。     

适于脑功能活动检测的便携式近红外光谱仪的研制

研制一种新型的可用于研究脑功能活动的16通道便携式近红外光谱仪(NIRS)。系统探头柔软性强,与待测部位有良好贴附性,可探测面积为4.4cm×15cm的前额叶区域。选用集成化探测器、光源及其驱动芯片和基于USB接口的掌上型数据采集卡,使整机重量控制在1kg以内。用Visual C 6.0平台开发配套软件,系统的时间分辨率可通过软件设置,最高达100ms。监测Valsalva手法诱导脑血流调节过程的结果表明,系统能够实时测量人脑前额叶皮层血氧和血容量变化情况,从而反映出待测区域功能活动的强弱,为研究大脑认知神经活动提供了条件。     

基于互信息特征提取的运动想象脑机接口

脑机接口是一种实现计算机和人脑及其他设备间通信的系统。本文引入F3、F4、C3、C4、FZ、CZ、FC1、FC2、FC5、FC6等多通道运动想象脑电信号的网络连接结构权值等特征,采用支持向量机对不同的运动想象任务进行分类。对所提出的基于互信息(MI)的脑网络结构特征提取方法同传统方法自回归模型(AR)参数特征提取方法进行对比研究,发现基于MI特征提取的运动想象脑电信号分类正确率显著高于AR参数特征提取方法,将两类特征进行融合后,运动想象脑电信号分类正确率又显著高于单独使用MI或AR特征提取方法。     

基于高级控制策略的脑-机接口控制机械臂系统

目的为了增加脑-机接口(brain-computer interface,BCI)控制机械臂完成诸如抓取和放置的复杂操作的能力,本文设计与实现了一套新颖的基于脑-机接口,控制的机械臂系统。方法该系统主要包括计算机视觉、稳态视觉诱发电位脑-机接口和机械臂。计算机视觉用于识别工作区物体的形状和位置,低频稳态视觉诱发电位脑-机接口允许用户选择需要被操作的物体,机械臂则自主完成抓取和放置操作。为了验证机械臂系统,选取14名健康受试者,受试者均参加了离线实验,12名受试者参与在线实验。结果 12名健康受试者的在线结果表明,所构建的系统能够在6. 75 s内从4个可供选择的指令中输出一个命令,且获得(95. 24±1. 19)%的平均分类正确率。结论稳态视觉诱发电位的脑-机接口能够为机械臂提供精确、有效的高级控制。     

近红外光谱技术监测蹼泳运动员无氧能力的研究

利用近红外光谱技术测定蹼泳运动员无氧运动中局部骨骼肌肌氧变化情况,同时测定乳酸情况的变化及无氧运动过程中功率的变化,了解其体能现状,诊断运动时运动员的能量代谢特点及无氧工作的能力,为科学的制定训练计划提供理论与实践参考。     

1100～1700nm近红外光谱无创血糖测量的OGTT实验研究

在近红外无创血糖测量的研究中 ,保证校正集模型数据的可靠性和所需的数据量具有极其重要的意义。本研究采用蠕动泵取血的 OGTT(口服葡萄糖耐量试验 )实验方法为校正集模型获取足够多的可靠血糖浓度参考值 ,并在 110 0～ 170 0 nm近红外 AOTF(声光可调谐滤波器 )分光系统基础上构建了无创血糖检测系统。利用该系统和实验方法对 3例志愿者进行实验 ,结果表明 ,建立单次实验的 PL S(偏最小二乘 )校正集模型 ,其相关系数分别为 0 .986、0 .971、0 .985 ,完全交互验证下的 RMSEP(预测均方根误差 )分别为 0 .5 5 0、0 .4 5 6、0 .5 2 0 mm ol/ l。此外 ,随着有效数据量增加 ,所建立模型的预测误差减小。     

近红外光无创伤检测早期肝硬化的实验研究

为评价近红外光无创伤检测早期肝硬化的价值。定期用四氯化碳注射小白鼠制作肝硬化模型。用Runman仪检测肝脏组织血、氧含量,并提取血、氧变化波形,在Matlab软件下进行分析,发现近红外光无创伤检测能灵敏反应早期肝硬化时血、氧含量的变化。早期肝硬化时,血及氧波形节律不规则、自功率谱主频峰位置后移在1.0～1.5Hz间,且出现多峰。表明近红外光无创伤检测早期肝硬化有一定价值。