基于视觉诱发电位的脑机接口系统

苏州大学本科生毕业设计（论文）目录摘要.............................................错误!未定义书签。第一章绪论......................................................3第二章视觉诱发电位的选择与制作..................................4第2.1节视觉诱发电位.........................................4第2.2节运动起始视觉诱发电位的原理与优点.....................4第2.3节视觉刺激的制作.......................................5第三章E-prime软件呈现视觉刺激...................................7第3.1节E-prime软件简介.....................................7第3.2节E-prime软件的作用...................................7第3.3节E-prime程序设计及呈现结果...........................8第四章实验过程.................................................11第4.1节对大脑各个分区功能的了解............................11第4.2节脑电的电极位置和使用................................11第4.3节测试对象及实验环境..................................14第4.4节数据采集............................................14第五章数据处理与分析...........................................16第5.1节数据处理............................................16第5.2节ERP波形定性分析....................................20第5.3节N2峰值的定量分析...................................24第六章讨论与总结...............................................25参考文献.........................................错误!未定义书签。致谢.............................................错误!未定义书签。苏州大学本科生毕业设计（论文）1摘要脑机接口是近年来刚刚发展起来的一种新的人机交互方式，它可以帮助人们不依赖正常的神经通路，来进行特定的实践活动。虽然已有几十年的历史，脑机接口技术目前仍处于发展阶段。现有的脑机接口技术存在通讯速度低，实现效果不稳定等缺点。本论文主要研究一种新型的基于运动起始视觉诱发电位(motiononsetVEP)的脑机接口。人的视觉在短时间内被某个运动的东西刺激后脑电会有反应，本文通过对脑电数据的处理判断出测试者观察的目标，探索基于运动起始视觉诱发电位实现脑机接口的可行性。关键词：脑机接口；运动起始视觉诱发电位；脑电信号苏州大学本科生毕业设计（论文）2AbstractBrain-computerinterfaceisawayofhuman-computerinteractionwhichhasbeennewlydeveloped.Itcanhelppeoplepracticewithoutdependingontheneuralpathwayinnormal.Atpresent,thebraincomputerinterfacetechnologyisintheprocessingstageofdevelopment.NowadaysBrain-computerinterfacedevicesperformslowcommunicationspeed,andsomeotherdisadvantagessuchasinstability.Thisreportismainlyforanewtypeofbrain-computerinterfacewhichisbasedonmotiononsetvisualevokedpotential.TherewillbeevokedEEGactivityifahumansubjectisvisuallystimulatedbyamovingtarget.,ThroughdataprocessingofsuchevokedEEGactivity,onecandeterminethetargetofobservation.Thisreportexploresthefeasibilityofabraincomputerinterfacebasedonmotiononsetvisualevokedpotentials.Keywords:BCI;MVEP;EEG苏州大学本科生毕业设计（论文）3第一章绪论脑机接口是脑-计算机接口(Brain-ComputerInterface,BCI)的简称。是近些年来兴起的一种全新的人机接口。脑机接口是靠人脑与电子设备基于脑电信号建立起来的，实现人与外界信息交流和控制的全新通信系统。脑机接口的实现不依赖于外围神经和肌肉组织等大脑的正常输出通路，而是通过分析脑电波实现人脑与计算机的直接通信。近些年，随着各个科学领域尤其是信息等领域的快速发展，脑机接口这项技术也开始迅速的发展。由于其用途的广泛性，一方面可以给正常人带来乐趣便利，比如可以开发智能游戏，智能控制等，另一方面可以让身体行动不方便的人带来福音，例如可以控制假肢，鼠标等来代替人体部位，可以很大程度上改善他们的生活[2]。脑机接口的研究地域主要有北美，欧洲和亚洲，其中北美较为发达，并有三大趋势：首先，世界各地的研究BCI广度与研究的幅度在上升；其次，BCI研究正在迅速接近第一代行医的水平；此外，BCI研究预计将在商业竞技场非医疗迅速加快，以及，尤其是在游戏，汽车和机器人，航天军事等行业，如宇航员可利用BCI在失重环境下完成特定的工作。第三，整个BCI研究重点在世界上是不均衡的，有创景气指数几乎完全集中在北美，无创景气指数BCI系统在欧洲和亚洲的发展为主，亚洲还研究机器人系统[3]。现阶段的脑机接口系统有很多种类，如基于人思维任务的BCI，基于外源刺激的BCI，基于生物反馈的BCI等，而本文研究的是基于外源刺激的脑机接口中的基于运动起始视觉诱发电位的脑机接口系统[4]。本次毕业设计的目的是验证基于运动起始视觉诱发电位脑机接口的可行性。论文由以下几部分组成：第一章绪论，第二章说明视觉诱发电位的选择与制作的原因与过程，第三章介绍基于E-prime软件呈现视觉刺激的过程，第四章介绍实验的具体过程，第五章介绍基于Analyser软件对数据的处理与分析，第六章给出本文的总结。苏州大学本科生毕业设计（论文）4第二章视觉诱发电位的选择与制作第2.1节视觉诱发电位视觉诱发电位(VisualEvokedPotential,VEP)是大脑枕叶区域对外界的视觉刺激产生的电反应，是代替人的视网膜来接受外界的视觉刺激，并经过视觉系统传输到枕叶皮层而使其电位发生变化。一个视觉诱发电位是指受试者在被刺激后，大脑会呈现一个关于视觉刺激的电位。VEP有几种主要的类型，第一种稳态视觉诱发电位（SSVEP）通过激励所产生的诱发电并利用视觉刺激在特定频率对视网膜进行调制，其刺激通常是由形成交替的棋盘图案构成[5]，并在一定时间内闪烁图案来形成刺激。另一种类型的视觉诱发电位使用的应用是引起的P300的潜力，P300的事件相关电位（ERP)是一个发生在目标刺激出现后300毫秒，会在被测者脑信号出现一个明显的具有正峰值的电位。还有一种是运动起始视觉诱发电位（MVEP)。本文主要研究MVEP，还有其他一些类型的VEP就不一一列举了[5,6,7]。第2.2节运动起止视觉诱发电位的原理与优点运动起始视觉诱发电位（MotiononsetVisualEvokedPotential，MVEP）的原理是在屏幕上快速运动的物体会让大脑在刺激后一定时间（100-300ms）产生一个与视觉运动相关的诱发电位。利用这个视觉诱发电位的最大振幅和最小振幅间可变性使其可应用于脑机接口（BCI）中。有证据表明，运动知觉是在实施可以从被跟踪的视觉运动处理通路大细胞输入到V1高达MT/MST和相关领域皮质，视觉诱发电位的振幅调制组件也已经开始被深入研究[8]。MVEP的特点是有三个主要的峰：P1，N2和P2。负N2峰，具有160-300ms潜伏期，是运动特有的优势，并从纹外颞枕部和准顶叶皮层区产生。正P2峰值有约240毫秒的等待时间，并增加了与更复杂的视觉刺激。这些明确和稳健的时空特性使MVEP在一个BCI系统中编码和解码脑电图成分信息变的更加容易[7,8]。由于运动起始视觉诱发电位(MVEP)比上述视觉诱发电位的类型（P300、SSVEP）允许有更多途径的外界视觉刺激，并且虽然SSVEP也有其优点但纯粹的SSVEP已没有多少东西可让本科生来做，所以在本文中，选择MVEP这种新颖的模式。再者MVEP中的N2苏州大学本科生毕业设计（论文）5是大脑应对刺激最为显著的目标特征。然后进行离线分析，这样会提高确定目标检测的精度[9]。第2.3节视觉刺激的制作要研究MVEP需要制作一个视觉刺激，并且为了更好与BCI联系,这个刺激需要呈现在屏幕的5个不同位置，其目的是要能测得被试者具体观看的是哪个位置的刺激。在制作视觉刺激前需要编译一段可控制的动画或视频，为的是产生运动的刺激源。本次设计选择用matlab编程，具体的程序如下：clc;clear;fig=figure;aviobj=avifile('example.avi');n=2;x=0:pi/n:4*pi;y=x.^0.001;k=0;fort=0:pi/n:4*pik=k+1;x(k)=t;y(k)=t.^0.001;H=plot(x,y,'w.',x(k),y(k),'r','LineWidth',15);axis([070.91.1]);MOV=getframe(fig);aviobj=addframe(aviobj,MOV);endclose(fig)aviobj=close(aviobj)程序产生的视频为一个从左向右运动的红色三角如图2.1。苏州大学本科生毕业设计（论文）6图2.1matlab生成的视频由于这只是一次一个位置的运动，不符合与BCI联系的要求并且只能进行一次也不便于分析，所以选择用E-prime软件来将这个刺激呈现为想要的结果。苏州大学本科生毕业设计（论文）7第三章E-prime软件呈现视觉刺激第3.1节E-prime软件简介E-prime软件是世界认可的用于心理、脑神经等实验程序设计的专业软件，它的计时精确度可以达到毫秒级别。E-prime软件使用开放式的、面向研究对象的实验设计方式，通过设置研究对象的某些特征完成大部分关于心理、脑神经等的实验程序，它的好处是不需要编写大量的繁琐的程序代码，让实验研究者可以去关注实验本身把剩余的精力用于完善和创新，从而为研究者提供了便利。因此，E-prime在很多领域非常受欢迎，也越来越为人们所熟知[10]。第3.2节E-prime软件的作用要实现视觉刺激任务的播放，就要通过E-prime这个软件平台，它只是一个应用软件提供这个平台，这个平台就可以通过我们的需求来把各种不同的文字，声音，图像，或视频文件按照一定的逻辑顺序呈现出来，因为人的大脑对刺激任务加工反应时间是很快的，而在E-prime实验设计中时间精确率可以达到1ms，并且能把呈现的刺