（生物医学工程专业论文）基于稳态视觉诱发电位的脑机接口研究与设计.pdf

基丁稳态视觉诱发电位的脑一机接口研究与设计 使被试可以通过眼睛的注视，不借助任何肢体动作实现拨号的功能。有效地改善了c r t 显示器中刺激选项较少这一缺点。 关键词：稳态视觉诱发电位；混合频率刺激；小波分析；a r 参数模型 人连理：人学硕十学位论文 s t u d i e sa n dd e s i g no ns s v e p - b a s e db r a i n - c o m p u t e ri n t e r f a c e a b s t r a c t 袱 b r a i nc o m p u t e ri n t e r f a c e ( b c l ) i san e wm e t h o do fh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ( | h c l ) i t i su s e dw i d e l yi nm a n ya p p l i c a t i o nf i e l d sw i t hh i g hp r a c t i c a lv a l u e t h i st h e s i sa i m st o e x t r a c t t h es i g n a lf e a t u r e se f f i c i e n t l ya n ds w i f t l y ，t h r o u g ht h er e s e a r c ho fs t i m u l a t i o nm o d e sa n ds i g n a l p r o c e s s i n gm e t h o d s w h a t sm o r e ，w ei m p r o v et h es s v e pp e r f o r m a n c eo nc r t m o n i t o rw i t h t h em e t h o do fs t i m u l a t i n gs e l e c t i o n si n c r e a s i n g o nt h eb a s i so fal a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r er e v i e w ，t h ew r i t e rc h o o s e ss s v e pa st h e r e s e a r c hs u b j e c t ，b e c a u s eo fi t sf a s tp r o c e s s i n gs p e e da n dh i g hf e a s i b i l i t y t h i st h e s i sm a i n l y i n v o l v e st w o a s p e c t s o n ei sf o r t h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ，t h eo t h e ri sr e l a t e dt oe x p e r i m e n t d e s i g n f o rt h ee x p e r i m e n td e s i g n ，f i r s t l y ，b e c a u s eo ft h es t i m u l a t i o nf e a t u r e so fc r tm o n i t o r ( s q u a r e w a v es t i m u l a t i o n ) ，t oa v o i dt h ei n t e r f e r e n c eo ft h es q u a r ew a v e ，w eo n l yc h o o s et h e f r e q u e n c i e sw h o s ei n t e r v a la r ei n t e g r a lm u l t i p l e s t ot h eb a s i sm o n i t o rf l i c k e ra st h es t i m u l a t i o n s e l e c t i o n s t h e na n a l y s i st h ee x p e r i m e n tr e s u l t so fs i n g l ea n dm u l t i p l es e l e c t i o nf r e q u e n c y s t i m u l a t i o n t h e n ，t ot h es h o r t c o m i n go ff e ws t i m u l a t i o ns e l e c t i o n si nt h ec r t s s v e pe x p e r i m e n t ， t h i st h e s i sb r i n g su pac o n c e p to fm i x e df r e q u e n c ys t i m u l a t i o n t h em a i ni d e ao fm i x e d 行e q u e n c yi st os t i m u l a t et h et e s t e e sw i t hm o r et h a no n ef r e q u e n c y w h e nt h ef r e q u e n c i e sa r e d i s p l a y e do n eb yo n e ，w ec a n f i n da ni n t e r e s t i n gp h e n o m e n o n ，t h a ti s ，w h e nt h e d i f f e r e n c eo f t h et w of r e q u e n c i e si sm o r et h a n3 h z ，w ec a ne x t r a c tt h o s et w of r e q u e n c i e sp r e c i s e l y ；w h i l e w h e nt h ed i f f e r e n c ei sl e s st h a n3 h z ，t h es p e c t r u mf e a t u r e sa p p e a ra tt h ea v e r a g eo ft h et w o f r e q u e n c i e sa n dt h es u mo ft h o s e t w o f o rt h es i g n a lp r o c e s s i n g ( s p e c t r u md e t e c t i o n ) r e s e a r c h ，t h i st h e s i st r i e st oe x t r a c tt h e s p e c t r u mf e a t u r e si nt w ow a y s o n em e t h o di st oc o m b i n et h em e t h o do fm o v i n ga v e r a g ef i l t e r a n ds o f tt h r e s h o l dm e t h o d t h i sm e t h o di ss u i t a b l et om o s to fo u rt e s t e e se x c e p tt h o s ew h o s e b r a i nw a v ei sm a i n l ya l p h aw a v ed u r i n gt h ee y eo p e ns t a t e t oi m p r o v et h em e t h o dm e n t i o n e da b o v e ，t h i st h e s i st r i e st oc o m b i n et h em e t h o do f w a v e l e ta n a l y s i sa n da r p a r a m e t e rm o d e l f r o mt h ea n a l y s i sr e s u l t ，w ec a nf i n dt h a tt h i s m e t h o dh a sm o r ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yt h a nt h eo n em e n t i o n e da b o v e ， i ng e n e r a l ，t h i sp a p e re x t r a c t st h ef e a t u r e so fs s v e pe f f e c t i v e l yt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o n o fw a v e l e ta n da rm o d e l ，t h e ni n c r e a s e st h es t i m u l a t i o n so fc r tw i t ht h em e t h o do f m 基丁稳态视觉诱发电位的脑一机接口研究与设计 m u l t i f r e q u e n c y f r o mt h ee x t r a c t i o nr e s u l tw ef i n dt h a tt h em u l t i - f r e q u e n c yh a ss t r o n g o p e r a b i l i t y a tl a s t ，t h i st h e s i sa p p l i e st h er e s e a r c h i n gr e s u l to fm u l t i f r e q u e n c ys t i m u l a t i o nt ot h e v i s u a ld i a l i n gs y s t e m i tc a nm a k et h et e s t e e sc h o o s ew h a tt h e ya r el o o k i n ga tw i t h o u ta n y h e l po fb o d ym o v e m e n t t h em u l t i - f r e q u e n c ym e t h o dd o e si n c r e a s et h es t i m u l a t i n gs e l e c t i o n e f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：s s v e p ；m u l t i - f r e q u e n c y ；w a v e t e ta n a l y s i s ；a rp a r a m e t e rm o d e l i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：盔j 生越疱叠坐趁么已4 幺匕茳碰匕互红盗瞄趁立立啦 作者签名： 冱缝 日期： ，2 皇z q 年z 月j l 日 人连理j ：人学硕十学位沦文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 茎主盘虿趋趁逢纹睦鱼丝! 趋二赴盔1 2 酗垒；醍函 日期：五zq 年上月当l 日 日期：! ! ：年l 月。仝日 人连理1 ：人学硕十学位论文 1 绪论 1 1脑一机接口基本概念和研究意义 1 1 1 脑一机接口的基本概念 大脑是人类思维活动的中枢，是我们接受外界信号从而进一步形成意识、发出指令 并产生相应行为的指挥部。脑电是大脑神经元突触后电位的综合，是大脑电活动产生的 电场经容积导体( 由皮层、颅骨、脑膜及头皮构成) 传导后在头皮上的电位分布，脑电 信号可分为自发脑电( s p o n t a n e o u se e g ) 和诱发脑电( e v o k e dp o t e n t i a l ，e p ) 两种。 自发脑电是指在没有特定外界刺激条件下大脑神经细胞自发产生的电位变化，而诱发脑 电是指人为地对感觉器官施加光、声、电等刺激所引起的脑电位变化。自1 9 2 9 年h a n s b e r g e r 首次发现e e g 以来，人们即开始尝试利用e e g 与外界进行通讯，形成对外界设 备的控制。但由于其自发性较强并难于控制的特点，在研究上始终没有很大的突破。e p 信号不同于e e g ，是中枢神经系统在感受外界或内在刺激过程中所产生的生物电活动。 而事件相关电位( e v e n tr e l a t e dp o t e n t i a l ，e r p ) 则是一种特殊的诱发脑电信号，它能反 映出当外加某种特定的刺激，并作用于感觉系统或脑的某一部分，在给予刺激或撤销刺 激时，在大脑区域内所引起的电位变化。它与e p 的区别主要在于e r p 是在受试者主动 参与的情况下获得的诱发电位，具有更高的灵活性和可操作性i l j 。 实现脑电控制的关键技术是脑计算机接口( b r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，b c i ) ，简称 脑机接口。脑机接口b c i 的严格定义是：一种不依赖于大脑外周神经与肌肉正常输出 通道的通讯控制系统。它通过采集和分析人脑生物电信号，在人脑与计算机或其它电子 设备之间建立起直接交流和控制的通道，这样人就可以通过脑来表达意愿或操纵设备， 而不需要语言或肢体动作。它不依赖于脑的正常生理输出通路( 外周神经系统及肌肉组 织) ，是一种全新的对外信息交流及控制方式。脑机接口涉及脑科学、信号处理、模 式识别、计算机科学与技术等众多学科。它是一种帮助人脑与外界环境进行相互交流的 重要的辅助手段。可被广泛应用于医疗、远程控制、人工智能等多个研究领域1 2 儿引。 1 1 2 脑一机接口的研究意义 经过五十多年的研究，科学家们发现了与注意、信号感知、分析判断、决策，以及 工作记忆内容更新等认知过程相关连的自发以及诱发脑电成分，并得出与疾病、老化， 甚至与智力差异相关连的特征性变化。因此，脑电信号，特别是事件相关电位越来越引 起有相关研究人员的兴趣和关注。特别是e r p 具有毫秒级的时间分辨率、需要的设备 基丁稳态视觉诱发i 也何的脑机接l _ j 研究与设计 较为简单以及环境适应性强等优点。b c i 系统及其相关技术将在涉及人脑的各个领域发 挥重要的作用，尤其是对于活动能力严重缺失患者的能力恢复和功能训练具有重要的意 义。因此对脑机接口中脑电特征信号的无创可靠快速提取新方法的深入研究和理解是 十分必要，且有着很大的实际意义的。 1 2 国内外发展现状与研究进展 1 2 1 脑一机接口中脑电信号的研究方法 ( 1 ) 利用视听觉诱发电位 视觉诱发电位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，v e p ) 是神经系统接受如图像或闪光等视觉 刺激，在大脑皮层处所产生的特定电活动。视觉诱发电位信号的稳定性相对较好，比较 容易检测。这种方法多采用计算机编程，在屏幕产生多种刺激模式及图案，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做出选择。通过对显示方式 进行处理，可以使人在注视不同选项时产生不同的脑电信号。头皮电极采集枕骨粗隆部 位的诱发电位信号，通过分析该诱发电位信号就可以判别出受试者注视的目标。 听觉诱发电位( a u d i t o r ye v o k e dp o t e n t i a l s ，a e p ) 是指给予听觉器官定强度的声音 刺激，听觉系统所产生的一系列的电位变化。根据诱发电位出现的时间( 潜伏期) 可分 为听觉短、中、长潜伏期诱发电位。听觉脑干诱发电位( a u d i t o r yb r a i n s t e mr e s p o n s e ， a b r ) 是短潜伏期听觉诱发电位中最常用的一种测试方法。它不受被检者主观意识、睡 眠、药物的影响，作为听功能障碍的客观检测方法，是目前a e p 检查中应用最广、也 是技术最为成熟的客观测听方法；a b r 能较好的反映中低频听阂，具有频率特异性， 接近主观听阂，可以反应听神经至皮层下( 联合皮层) 的电反应，是听觉高级中枢活动 的重要反映指标。 ( 2 ) 利用事件相关电位( e v e n t r e l a t e dp o t e n t i a l ，e r p ) 利用p 3 0 0 电位 p 3 0 0 是e r p 中的一种，这种信号的峰值一般出现在相关事件发生后大约3 0 0 m s 的 时刻。它是脑机接口中经常使用的一种e r p 信号，常通过o d d b a l l 范式诱发。且相关 事件出现概率越小，其所引起的p 3 0 0 就越显著。p 3 0 0 电位研究的明显优势在于：首先 是受试者不需要进行训练即可诱发出p 3 0 0 电位；其次是由于p 3 0 0 的延迟很短，所以 单次实验的时间也可以很短。 利用事件相关去同步m 步( e v e n tr e l a t e dd e s y n c h r o n i z a t i o n s y n c h r o n i z a t i o n ， e r d e r s ) 人连理1 ：人学硕士学位论文 e e g 由局部和非局部频率分量构成。局部分量是特定皮层区域的固有频率，而非局 部分量则是在非特定区域产生、并可在头皮的大部分区域记录到的频率。这些局部分量 与特殊的内在神经网络状态紧密相关。当某一皮层区域活跃起来，特定频率的节律性活 动表现为幅度的降低，称为事件相关去同步( e v e n t r e l a t e dd e s y n c h r o n i z a t i o n ，e r d ) ；当 某一活动在一定时刻没有使相关皮层区域明显地活跃起来，特定频率就表现为幅度升高 或称为事件相关同步( e v e n t r e l a t e ds y n c h r o n i z a t i o n ，e r s ) 。研究表明，单边的肢体运动 或想象运动，大脑对侧产生事件相关去同步电位；而大脑同侧产生事件相关同步电位。 ( 3 ) 自主控制脑电 自主控制脑电的思路建立在条件反射的基础之上，这种方法认为人可以通过学习来 进行生物反馈，从而控制脑电信号。生物反馈是运用仪器( 通常用电子仪器) 通过视觉 或听觉信号，揭示人体内部j 下常或异常活动的方法。其目的在于，通过操纵那些在其它 情况下意识不到或感觉不到的生理活动，以达到控制机体内部活动的目的。体内的生理 活动，比如心脏跳动的快慢，一般是人们意识不到的，也难以随意使之加快或减慢。如 果我们把心脏跳动以一定的声高来表示，就可以通过使信号变大或变小，来达到使心率 加快或减慢的目的。通过这种方法，可以对心动过速或心动过缓进行治疗。根据生物所 起的作用是正向的( 积极的或阳性的) 还是负向的( 消极的或阴性的) ，可以把它分为 j 下反馈和负反馈两种。 ( 4 ) 利用眼部运动控制a l p h a 波 通过眼部运动可以增大a l p h a 波幅度或阻断a l p h a 波，以实现信息的传递，具有典 型例子的是通过检查人在闭眼后a l p h a 波幅度的升高来控制电子开关。利用眼部运动来 控制a l p h a 波的系统运算简单，对不同的人只有一个参数需要调节，不需要对使用者进 行训练i4 l 。 1 2 。2 国内外研究概况 目前，国内外出现了很多著名的b c i 研究中心，它们在b c i 的研究中做出了重要 的贡献，这其中较为著名的有系统包括： ( 1 ) b e r l i nb c i 系统 b e r l i nb c i 系统是一种基于动作想象电位的( m o t o ri m a g e r y ) 的事件相关去同步 ( e v e n tr e l a t e dd e s v n c h r o n i z a t i o n ，e r d ) b c i 系统。在实验中，被试通过左手想象运动、 右手想象运动以及双脚想象运动来做出不同的意向选择。具体的想象动作为，想象手掌 或者脚掌的反复张握。比如：将左手想象运动对应为选项1 ，而将右手想象运动对应为 选项2 。如图1 1 所示【5 1 。b e r l i nb c i 系统首先将3 0 个字母或者字符分成6 组再分别放 基丁稳态视觉诱发电位的脑一机接口研究与设计 入六个六边形蜂窝之内，被试通过想象双手运动来使指针旋转；当指针旋转到目标字母 或字符所在组，则在此时想象双脚的运动使指针停止旋转并慢慢变长。而后进行下一级 的选择，同样利用上述方法，将指针旋转到目标字母或者字符处，这样便呵以输出对应 的选择字母或者字符。在b e r l i nb c i 中主要采取的方法是带通滤波、傅立叶变换的特征 提取方法以及线性判别分析( l d a ) 、最小正则二乘的分类方法，该系统输出一个字母 或字符的平均时间为2 1 秒【6 1 1 7 l 。 圆岛一 图1 1 基于动作想象的b e r l i n 虚拟打字机 f i g1 1b e r l i nv i r t u a lt y p e w r i t e rb a s e do nm o t o ri m a g e r y ( 2 ) g r a zb c i 系统 g r a zb c i 系统也是目前较为先进的b c i 系统之一。自1 9 9 1 年起，g p f u r t s c h e l l e r 教授便丌始了基于运动想象的e r db c i 系统的研究工作，并开发了一系列著名的b c i 实验应用系统。在他们开发的系统中，屏幕上，小球首先从顶部至底部垂直下落，被试 通过动作想象来控制小球在下降过程中的向左或向右移动，并要求被试在小球落到屏幕 底部时准确击中目标字母。该系统的一个不方便之处在于备选字母只有7 个，且需要对 被试进行长时间的训练【5 】。这之后，该实验室又推出了_ 套名为a s y n c h r o n o u sb c i 的新 系统，此系统通过与功能电刺激( f e s ) 的结合，可以帮助病人恢复其手臂功能。在训 练中，病人将双脚运动与“抓”的动作相联系，而将右手的运动与“放”的动作相关联， 通过一段时间的训练，实时信号处理的准确率可达到1 0 0 1 8 1 ，从而证明了e e g 结合其 他康复手段对于病人辅助治疗的有效恢复作用。 ( 3 ) w a d w o r t hc e n t e r 美国w a d w o r t h 研究中心也是b c i 研究的一个较为先进的研究机构，该中心将研究 重点放在运动感觉自发节律( s e n s o r m o t o rr h y t h m s ，s m r ) 控制方面，即对肛节律或声波 的控制。通过训练，系统用户可以通过自主控制节律来控制屏幕上的鼠标进行二维运 动f 9 1 。该中心还开发了通过自主控制节律操作打字系统【1 0 】，并着重研究了提高信噪比 一4 一 人连理i ：人学硕+ 学位论文 的信号处理方法，包括采用二维线性和非线性贝叶斯分类器，并采用小波变换、i c a ( 独 立分量分析) 、感知器模型和s v m ( 支持向量机) 等。 ( 4 ) 目前国内大学的研究成果 近年来，国内关于b c i 原理与技术的研究证日益兴起，特别是清华大学高上凯教授 领导的研究团队，在b c i 的机理和应用方面取得了国际领先的研究成果。该团队着重于 s s v e pb c i 系统的研究，成功的实现了高效率的b c i 研究系统。 西安交通大学将研究重点放在基于自发e e g 的b c i 系统之上，该系统的大致思路 主要集中在想象几何体旋转、算术运算以及想象书写等等。 此外，重庆大学、中南民族大学的研究主要集中在基于诱发e e g 的b c i 系统方面。 而华中科技大学、天津大学、中国科技大学都已经开始了b c i 方面的研究。总的来说， 目前国内各大知名院校都将b c i 研究列入具有潜力的研究学科之列。b c i 是目前国内 生命科学与信息技术交叉学科的研究热点，但同时也是研究难点。目前的许多研究尚处 在实验室阶段，距离商业化应用还有很长的道路要走。 1 3 脑一机接口研究中主要存在的问题与改进方向 经过多年的努力，国内外研究机构对于b c i 系统的研究已经取得了阶段性的进展。 这种全新的研究方向正在蓬勃发展。我们可以预见，随着b c i 技术的进步，必将在不久 的将来实现人与外界的真正交互，为人们来的生产生活带来巨大的便利。但是，不可否 认的是，目前对于b c i 的研究仍只处于发展阶段，还有许多亟待解决的问题摆在我们面 前。特别是对于脑电特征信号快速、准确、可靠的采集、提取、处理与传输等问题。脑 机信息的传递速率多年来一直徘徊在几十b i t m i n 左右，始终没有太大的进展【1 1 】1 1 2 j 。因 此对于b c i 的研究和发展，还需要在多个方面进行深入且细致的研究和探索，目前b c i 系统的问题主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 如何改善b c i 系统的信息传输率以及降低差错率，实现信息的实时处理； ( 2 ) 如何提高b c i 系统的自动化程度，实现真j 下的智能化、机械化； ( 3 ) 如何更加有效地将噪声减小或者消除，并获取更加可靠的脑电信号特征，实 现更加有效快速的脑电信号特征提取与分类方法； ( 4 ) 如何制定出科学的规范，准确客观的评估b c i 系统的性能； ( 5 ) 如何降低b c i 对感觉输入、输出通道以及常规运动的依赖性程度； ( 6 ) 如何实现b c i 系统的多元化，使其可以适用于不同的人群，以满足个体之间 的差异： 基丁稳态视觉诱发l u 位的脑机接【 研究，设计 ( 7 ) 如何减少电极的数量，增强b c i 系统的稳定性以降低使用的复杂程度。 1 4 本文的主要工作 基于s s v e p b c i 系统，本文通过将小波分析与a r 模型相结合，有效地提取了 s s v e p 在频域范围内的特征信号。实验的刺激器选用阴极射线管显示器( c r t ) 。由于 c r t 显示器存在众多的谐波干扰，对其的刺激选项只有少数的几种可用频率。本文利用 混合频率对被试进行刺激，并发现当两种刺激频率相差较大时( 3 h z ) ，通过a r 模型 可有效提取该两种频率；而当刺激频率相对较近时，会在这两种刺激频率的平均值处产 生很大的频谱峰值。混合刺激的方法有效地增加了s s v e p 在c r t 显示器上的刺激选项， 并具有很强的可操作性。 本文第二章主要介绍了s s v e p 基本原理、实验平台的搭建以及实验步骤的具体描 述；第三章中详细介绍了基于滑动平均滤波和软阈值提取方法，以及基于小波分解和 a r 参数模型的s s v e p 信号检测方法，同时给出了单一频率刺激实验的处理结果。第四 章给出了混合频率刺激实验的实验方案以及分析结果，并就实验中出现的各种实验情况 进行了分析，并将混合频率刺激方法应用于视觉拨号系统，达起到了很好的效果。最后 一部分是对全文的总结以及前景展望。 人连理一i ：人学硕+ 学位论文 2 基于s s v e p 的脑机接口系统设计方案 2 1s s v e p 的基本概念及研究意义 2 1 1s s v e p 的基本概念 诱发电位可以分为视觉诱发电位、听觉诱发电位、嗅觉诱发电位以及体感诱发电位 等等。其中视觉诱发电位是枕叶皮层对视觉刺激产生的电活动，属于近场皮层长潜伏期 的电位。基于视觉诱发电位的b c i 设备与视觉的生理特性密切相关。在r 常生活中，视 觉系统本身就对图像进行了信号处理，在一些方向上选择性地削弱了某些不太重要的信 息，从而增强了另外一些更为有用的信息【1 3 j 。 根据视觉刺激频率的不同可以将其分为以下两种类型： ( 1 ) 瞬态视觉诱发电位( t r a n s i e n tv i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，t r a n s i e n tv e p ) 当视觉刺激频率比较低时，视觉刺激逐一出现，后一个刺激出现在前一个刺激在枕 叶皮质引起的反应完全消失之后，即在新的刺激到来前，上一次刺激的响应已经结束。 而每一个刺激都对应一系列具有相同时域或者频域特征的v e p 波形，此时记录到的v e p 称为瞬态v e p 。瞬态诱发电位的刺激频率一般不超过2 h z 。 ( 2 ) 稳念视觉诱发电位( s t e a d y s t a t ev i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，s s v e p ) 瞬态反应对应于单个刺激的反应，反应和刺激之间呈一一对应的关系。而稳态反应 则不然。随着刺激频率由低向高逐渐变化，瞬态刺激会逐渐趋于平稳，形成稳态刺激。 当刺激的频率大于6h z 时，各次刺激引起的瞬念v e p 在时间上发生重叠，从而形成了 稳态视觉诱发电位。我们所谓的稳态反应，是相邻刺激的反应之间发生重叠的结果，刺 激与反应之间没有明确的对应关系。但通过对s s v e p 的频域分析，我们可以发现s s v e p 具有明显的周期性，其频谱含有一系列与刺激频率成整数倍的频率成分，这种现象称为 节律同化或光驱动反应( p h o t i cd r i v i n gr e s p o n s e ) 。节律同化现象在正常人中是普遍存 在的。从图2 1 中我们可以清楚地看出节律同化现象。 o h z 盛e e p i 谱 器 翟一 基于稳态视觉诱发电位的脑机接口研究与殴计 ( b ) 幽21l o l l z 及6 i zs s v e p 刺微效果幽 幽( a ) 表示一名被试在i o h z s s v e p 刺激条件下形成的脑电频谱幽，凹( b ) 中演示了另一名被试在 6 h z s s v e p 刺激条什f 形成的脑电频谱i 璺| f i g2 1 d i a g r a mo f1 0 h za n d6 h zs s v e p f i g u r e ( a ) s h o w su s1 0 h z s s v e ps t i m u l a t e de e gs p e c t r u mo fo n et e s t e e ：f i g n l r e ( b ) s h o w s 6 h z s s v e ps t in l l l l a t e de e gs p e c t r u mo fa n o t h e rt e s t e e 图2 1 ( a 1 中的s s v e p 刺激频率为1 0 h z ，可以发现该名被试的脑电频谱在刺激的基 频( 1 0 h z ) 、二倍频( 2 0 h z ) 和删倍频( 4 0 h z ) 处均出现了明显的峰值。此种现象即 所谓的节律同化现象或光驱动反应。而在图21 ( b 忡，我们虽然仍可以看到在刺激的基 频( 6 h z ) 、二倍频( 1 2 h z ) 和四倍频( 2 4 1 - h ) 范围内出现的峰值，但该种情况较图2 1 ( 0 中的被试来说，基频和倍频现象都不明显，更有一些被试的s s v e p 激励频率淹投在被 试的自发脑电当中，因此，对其进行合适的信号处理，并完成s s v e p 快速准确的信号 检测至关重要。 2 1 1s s v e p 的主要优点及研究意义 稳态视觉诱发电位具有如下优点： ( 1 ) 无需对被试进行训练，实验简单方便易行。有别于其他的e r p 研究方法， s s v e p 具有无需训练的优点。适应性强，可针对不同年龄、性别以及种族的人群进行试 用。为我们省去了训练所需要的时间与人力资源。 ( 2 ) 具有明显的周期性与节律同化现象。此现象表现为在被试的脑电分析频谱中， 在相应的刺激频率以及刺激频率的倍频处产生很大幅度的峰值。因此s s v e p 集中在特 定的频率之上，它的这一特点简化了脑机接口的特征提取算法。 ( 3 ) 具有很高的信息传输速率。信息的传输速率是脑机接口中遇到的一个重要问 题。在众多的b c i 设备中，基于s s v e p 的e r p 分析方法具有较高的传输速率，目前， 人连理j i ：人学硕十学位论文 最高可达到几十比特分钟，并且仍具有很大的可提升空间。对其的研究有助于早日实现 人与计算机之间真正的快速交互，从而达到实用的目的。 ( 4 ) s s v e p 具有很高的信噪比，在头皮上就可以记录到较强的s s v e p 信号，且需 要的电极极少，一到两个电极就可以采集到足够的信息，具有很强的可操作性。 基于上述优点我们可以看出，对于s s v e p 的深入研究有助于我们更加清楚地了解 我们的大脑，实现真正的人机交互，具有很强的理沦与应用价值。 2 2 视觉刺激器与脑电采集系统 2 2 1 视觉刺激器 目前对于s s v e p 的刺激器大致分为发光二极管显示器( l e d ) 、阴极射线管显示 器( c r t ) 和液晶显示器( l c d ) 三种i l 引。 对于基于l e d 显示器的s s v e p ，该方法可以产生准确的刺激频率，不会有谐波现 象的产生，是目前应用较为广泛的一种刺激方法，具有很高的检测精确度。此种方法往 往涉及到硬件方面的实现，以及硬件之间的通信协议。具体的通信方法与标准有待进一 步的统一。， 计算机显示器可分为c r t 和l c d 两种类型，具有较高的通用性。l c d 显示器由于 自身的技术因素，存在一定的响应延迟，会对刺激造成一定影响，引入低频非期望的刺 激成分。但随着技术的进步，l c d 显示器的响应时间己由原来的4 0 m s 以上降至5 m s 以 下，造成的视觉误差也越来越小。它也是目前应用较为广泛的一种刺激方式【1 5 】1 1 6 】。 传统的c r t 显示器响应时间一般在l m s 左右，和当前的l c d 显示器相比，这一参 数己差别不大。但基于c r t 的刺激方式可以提供更多可选的屏幕刷新率。计算机显示 器的亮度是不可动态调整的，原因是由于计算机显示器的视觉呈现为方波形式。准周期 的刺激将引入很多干扰成分。因此在特定的显示器刷新率下，只能采用有限几种刺激频 率用于s s v e p 实验。例如对于8 5 h z 的刷新率，实际视觉呈现的周期将是1 0 0 0 8 5 = 1 1 7 6 4 7 m s 的整数倍( 只有刺激时间间隔为显示器刷新周期的整数倍时，才可以有效地 抑制谐波的产生，减少其他频率的干扰) 。 因此，对于特定刷新率的计算机显示器，只能准确的产生几种特定频率的视觉刺激。 考虑到其通用性，本文决定采用c r t 显示器作为实验的刺激仪器。稍后，本文在c r t 显示器上实现混合频率刺激，增加了c r t 显示器上可用的刺激选项并有效地提取了 s s v e p 脑电信号。 一9 一 基于稳志视觉诱发电位的脑- 机接口研究与设计 爹j 麓。篮三l 漤 1 雾爹攀，瓮麓* 国2 2 国际l o f z o 导联系统电极安放示意图 f 喀2 , 2 d i a g l a mo f l 0 - 2 0s y s t e m ( e e g ) 人连理j ：人学硕十学位论文 实验中视频刺激所采用的软件为n e u r o s c a n 系统自带的p r e s e n t a t i o n 软件。该软件可 以保证实时的同步性，且具有毫秒级的时间分辨率，支持图片、视频及音频等。可以保 持与脑电图采集系统实时同步，对于开发视图呈现刺激界面来说较为合适。 2 2 3 实验平台设计 实验的视觉刺激器选取1 7 时纯平c r t 显示器。刺激方式为典型的棋盘格翻转形式。 背景颜色为黑色，棋盘格为黑白两色相间。每个棋盘格大小为1 0 0 x 1 0 0 个像素，其内为 5 5 个黑白相问问隔相等( 2 0 个像素) 的正方格( 如图2 3 所示) 。实验中，共采用7 名被试，其中5 男2 女，年龄范围在2 2 2 7 岁之间，受教育水平均在本科及以上。被试 距离显示屏约6 0 c m 。 图2 3 实验中棋盘格示意图 f i g2 3d i a g r a mo fc h e c k e r b o a r d 对于采集信号的电极，考虑到不同头皮电位对于s s v e p 信号的不同影响，实验中 对于不同电极位置的电极均做了检测。在实验开始之前，首先利用s s v e p 刺激信号对 被试进行了预处理，采集了被试的所有3 2 导有用信息，而后对每一导进行单独分析， 检验s s v e p 信号对此导信号的影响程度。最后，根据实验数据的分析结果，找出对 s s v e p 刺激反应最大的一导信号。通过反复比较，最终，我们将左右乳突电位的平均值 作为参考电极，并选取o z 导作为最终测量的导联。这样既能有效地减少安放电极所需 要的时间又能减少处理的数据信息量，有利于s s v e p 信号的快速准确提取。 c r t 显示器刷新频率是影响刺激呈现频率的主要因素1 1 7 】。由于c r t 显示器亮度不 可动态调整，故基于c r t 显示器的视觉刺激以方波形式呈现。例如对于8 5 h z 的刷新率， 实际视觉呈现的周期将是1 0 0 0 毫秒8 5 = 1 1 7 6 4 7 毫秒的整数倍。因此对于具有特定刷 新率的计算机显示器，只能准确地产生几种特定频率的视觉刺激。s s v e p 实验对视觉呈 现刺激频率的精度要求较高。准周期的刺激将引入很多干扰成分。因此在特定的显示器 刷新率下，只能采用有限几种刺激频率用于s s v e p 实验。表2 1 和2 2 中给出了在6 0 h z 以及8 5 h z 屏幕刷新率下可用的s s v e p 刺激频率选项。 基丁稳态视觉诱发电位的脑一机接口研究与设计 表2 16 0 h z 屏幕刷新率f - - 以选川的s s v e p 刺激频率 t a b 2 1t h ea v a i l a b l es s v e ps t i m u l u su n d e r6 0 h zr e f r e s hr a t e 表2 28 5 h z 屏幕刷新率下可以选州的s s v e p 刺激频率 t a b 2 2t h ea v a i l a b l es s v e ps t i m u l u su n d e r8 5 h zr e f r e s hr a t e 从表2 1 和2 2 的对比中我们不难看出，不同屏幕刷新率条件下的s s v e p 刺激选项 也是不相同的。c r t 显示器的刷新率越高，那么其所对应的刺激选项数也就越多，表 2 2 中的刺激选项明显多于表2 1 。因此，c r t 屏幕刷新率的选择在确定s s v e p 刺激选 项方面至关重要。 2 3 实验方法介绍 整套实验装置主要由两部分组成。其中一部分是视觉的刺激部分，在此部分中，旨 在通过不同频率的s s v e p 组合对实验被试进行刺激，形成相应的脑电信号。实验的另 一部分是脑电信号的采集以及接收部分。通过n e u r o s c a n 脑电图仪采集到的脑电信号被 显示于另一台电脑之上。方便实验操作人员对脑电信号的分析与读取。实验的大致流程 如图2 4 所示： 大连理1 人学硕+ 学位论文 r r | “h8 “l 。 - 一一 皤鲤紫 幽24s s v e p 实验沉样图 f i 9 2 4f l o wc h a r t o f s s v e pe x p e r i m e n t 231 单一频率刺激s s v e p 的实验方法 在单一频率刺激的s s v e p 实验中，实验刺激器( c r t 显示器) 上只显示个棋盘 格，以固定的频率进行翻转。棋盘格的中心位于c r t 显示器的下中央。被试注视屏幕 的j 下中央，实验中尽量使被试在舒适、愉悦、放松的状态下进行。 为了验证小i 司屏幕刷新条件下s s v e p 刺激信号检验的准确性在实验中本文分 别针对6 0 h z 、7 5 h z 和8 5 h z 三种不同屏幕刷新率条件下的刺激频率进行验证。每组实 验中，根据不同的刷新频率，选择6 - 3 0 h z 范围内的频率作为刺激频率，这样对于6 0 h z 、 7 5 h z 及8 5 h z 的屏幕刷新率来说，它们包含的刺激选项分别为9 个、1 0 个和1 2 个。在 此实验环节中，屏幕中只出现个棋盘格，每次只对种刺激频率进行验证。图2 5 中给出了单一频率刺激s s v e p 实验的实际实验场景。 雕2 5s s v e p 实验的实际实验场景 f i 9 2 5s n a p s h o t o f s s v e pe x p e r i m e n t 基丁：稳态视觉诱发电位的脑机接口研究与设计 实验中左面一台电脑用来做s s v e p 的视觉刺激器。脑电图仪采集到的脑电信号通 过信号放大器被传送到另一台电脑( 图中右侧的电脑) 之上，同时这台电脑负责实验数 据的处理以及实验信号的监测。 2 3 2 四选项的单频s s v e p 频率刺激 在此环节中，屏幕中会出现四个1