腦機(jī)交互系統(tǒng)技術(shù)

目錄
前言
第1章 腦機(jī)接口技術(shù)概述 1
1.1 腦機(jī)接口的概念 1
1.1.1 基本概念 1
1.1.2 BCI的分類 3
1.2 有損BCI 7
1.2.1 有損BCI概述 7
1.2.2 有損BCI發(fā)展中的一些重要研究 9
1.2.3 有損BCI的發(fā)展趨勢(shì) 18
1.3 無(wú)損BCI 20
1.3.1 基于EEG的BCI 20
1.3.2 基于fNIRS的BCI 26
1.3.3 其他無(wú)損BCI 27
1.2 本書的內(nèi)容安排 29
參考文獻(xiàn) 29
第2章 事件相關(guān)電位腦機(jī)接口 33
2.1 引言 33
2.2 P300 speller及其衍生范式 32
2.2.1 P300 speller的設(shè)計(jì) 32
2.2.2 oddball刺激范式與P300波 35
2.2.3 P300 speller的改進(jìn)和衍生范式 35
2.3 P300-BCI與ERP-BCI 35
2.3.1 ERP的P300成分 35
2.3.2 瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位BCI 36
2.4 ERP-BCI的設(shè)計(jì) 37
2.4.1 需求分析和選項(xiàng)確定 37
2.4.2 設(shè)計(jì)要素Ⅰ：視覺設(shè)計(jì) 38
2.4.3 設(shè)計(jì)要素Ⅱ：刺激編碼設(shè)計(jì) 39
2.4.4 設(shè)計(jì)要素Ⅲ：刺激序列時(shí)間控制 20
2.4.5 設(shè)計(jì)要素Ⅳ：信號(hào)處理與目標(biāo)識(shí)別算法 41
2.5 相關(guān)的分析方法 43
2.5.1 ERP特征計(jì)算 43
2.5.2 ERP特征時(shí)空模式分析 43
2.6 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià) 44
2.6.1 目標(biāo)識(shí)別正確率 44
2.6.2 信息傳輸率 44
2.6.3 字符率 45
2.6.4 寫人字符率 46
2.6.5 實(shí)際信息傳輸率 46
2.7 本章小結(jié) 47
參考文獻(xiàn) 48
第3章 視覺腦機(jī)接口范式中的刺激類型 52
3.1 引言 52
3.2 視覺刺激類型的設(shè)計(jì) 53
3.2.1 刺激類型的定義 53
3.2.2 刺激類型的分類 53
3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和過程 54
3.3.1 實(shí)驗(yàn)范式設(shè)計(jì) 54
3.3.2 實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)采集 55
3.4 不同刺激類型的比較 56
3.4.1 字符識(shí)別方法 56
3.4.2 拼寫性能 56
3.4.3 分類器及特征的時(shí)空模式 59
3.5 本章小結(jié) 61
參考文獻(xiàn) 62
第4章 事件相關(guān)電位腦機(jī)接口的超立方體編碼方案 63
4.1 引言 63
4.2 cube刺激編碼的設(shè)計(jì) 64
4.2.1 cube編碼的生成 64
4.2.2 目標(biāo)預(yù)測(cè)方法 65
4.2.3 性能指標(biāo)及優(yōu)化 66
4.3 嵌入cube編碼設(shè)計(jì) 66
4.3.1 嵌入cube編碼 66
4.3.2 PITR計(jì)算和優(yōu)化 67
4.3.3 最優(yōu)性能和配置的函數(shù)特性 67
4.4 跨cube性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化方法 68
4.4.1 score-P模型 69
4.4.2 跨cube特征分布預(yù)測(cè) 69
4.4.3 cube編碼的優(yōu)化 70
4.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 70
4.5.1 刺激設(shè)計(jì) 70
4.5.2 被試和數(shù)據(jù)采集 72
4.5.3 實(shí)驗(yàn)過程 72
4.5.4 數(shù)據(jù)處理過程 73
4.6 最優(yōu)嵌入cube編碼及分析 73
4.6.1 模型的檢驗(yàn) 73
4.6.2 最優(yōu)嵌入cube編碼 76
4.6.3 ERP時(shí)空特征隨目標(biāo)刺激概率的變化 81
4.7 cube編碼優(yōu)化的進(jìn)一步討論 83
4.7.1 關(guān)于碼長(zhǎng)和正確率因素的進(jìn)一步討論 83
4.7.2 子菜單設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略 84
4.7.3 刺激序列數(shù)的確定 85
4.8 本章小結(jié) 86
參考文獻(xiàn) 87
第5章 基于視覺搜索任務(wù)和視線獨(dú)立的腦機(jī)接口范式 88
5.1 引言 88
5.2 基于oddball視覺搜索任務(wù)的拼寫范式 90
5.2.1 刺激序列設(shè)計(jì) 90
5.2.2 兩種刺激呈現(xiàn)模式 91
5.3 字符拼寫實(shí)驗(yàn) 93
5.3.1 拼寫實(shí)驗(yàn) 93
5.3.2 被試和數(shù)據(jù)采集 94
5.3.3 系統(tǒng)校準(zhǔn) 95
5.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法 95
5.4.1 分類器訓(xùn)練和在線字符識(shí)別 95
5.4.2 ERP計(jì)算與分析 95
5.4.3 離線性能分析 95
5.4.4 EOG校準(zhǔn)與分析 96
5.5 結(jié)果與分析 97
5.5.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)的結(jié)果 97
5.5.2 在線拼寫正確率 97
5.5.3 刺激誘發(fā)的特征電位 97
5.5.4 離線性能分析 100
5.5.5 眼動(dòng)顯著度分析 101
5.6 oddball視覺搜索BCI范式的特點(diǎn) 103
5.6.1 自糾錯(cuò)拼寫系統(tǒng)的正確率要求 103
5.6.2 中心視覺和外圍視覺比較 103
5.6.3 任務(wù)復(fù)雜度和P300潛伏期的關(guān)系 104
5.6.4 P300潛伏期的任務(wù)間差異 105
5.6.5 練習(xí)效應(yīng) 106
5.7 進(jìn)一步的改進(jìn) 107
5.7.1 最優(yōu)目標(biāo)集大小 107
5.7.2 視覺設(shè)計(jì)的改進(jìn) 107
5.8 本章小結(jié) 108
參考文獻(xiàn) 108
第6章 視覺P300誘發(fā)電位控制多關(guān)節(jié)機(jī)械臂范式 111
6.1 引言 111
6.2 RM-501機(jī)械臂及其控制系統(tǒng) 112
6.3 機(jī)械臂控制P300范式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 114
6.3.1 機(jī)械臂控制轉(zhuǎn)換方式設(shè)計(jì) 115
6.3.2 BCI控制指令集設(shè)計(jì) 117
6.4 信號(hào)處理算法及參數(shù)選擇 119
6.4.1 被試與信號(hào)采集 119
6.4.2 P300信號(hào)特征提取與分類算法 120
6.4.3 特征分類算法 121
6.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 121
6.5.1 P300刺激呈現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化 121
6.5.2 P300刺激重復(fù)次數(shù)優(yōu)化 123
6.6 本章小結(jié) 125
參考文獻(xiàn) 125
第7章 基于視覺通道腦機(jī)接口的多移動(dòng)目標(biāo)選擇 126
7.1 引言 126
7.2 BCI類型選擇 127
7.3 基于SSVEP的移動(dòng)目標(biāo)選擇范式 128
7.3.1 SSVEP實(shí)驗(yàn)范式設(shè)計(jì) 128
7.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 131
7.3.3 信號(hào)處理 132
7.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 135
7.4 基于P300的移動(dòng)目標(biāo)選擇范式 138
7.4.1 P300動(dòng)態(tài)范式設(shè)計(jì) 138
7.4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 139
7.4.3 信號(hào)處理 141
7.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 143
7.5 本章小結(jié) 146
參考文獻(xiàn) 147
第8章 機(jī)械臂控制的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口范式 148
8.1 引言 148
8.2 范式設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及控制策略 149
8.3 數(shù)據(jù)處理 152
8.3.1 信號(hào)預(yù)處理與特征提取 152
8.3.2 最小距離分析方法 153
8.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 154
8.5 本章小結(jié) 157
參考文獻(xiàn) 157
第9章 基于運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口的虛擬倒立擺控制 158
9.1 引言 158
9.2 IPC系統(tǒng)模型 159
9.3 基于MI-BCI的IPC控制范式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 160
9.3.1 EEG特征選擇 160
9.3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 161
9.3.3 離線訓(xùn)練設(shè)計(jì) 162
9.3.4 在線控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 165
9.4 信號(hào)處理算法及改進(jìn) 166
9.4.1 EEG信號(hào)的非平穩(wěn)性 166
9.4.2 空域?yàn)V波算法及其適應(yīng)性優(yōu)化 167
9.2.3 分類算法及其適應(yīng)性優(yōu)化 169
9.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 172
9.5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 172
9.5.2 幾點(diǎn)討論 172
9.6 本章小結(jié) 176
參考文獻(xiàn) 176
第10章 真實(shí)倒立擺腦機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng) 177
10.1 引言 177
10.1.1 BCI系統(tǒng)控制回路的非對(duì)稱性 177
10.1.2 提升BCI系統(tǒng)通信效率的基本方法 178
10.1.3 增加被控對(duì)象的信息輸人源 178
10.2 腦機(jī)共享自主性與腦機(jī)協(xié)同 179
10.2.1 腦機(jī)協(xié)同BCI控制系統(tǒng)的基本原理 179
10.2.2 人類原子運(yùn)動(dòng)理論 180
10.3 基于腦機(jī)協(xié)同控制的IPC控制策略 181
10.3.1 控制方案確定 181
10.3.2 IPC平衡的協(xié)同控制實(shí)驗(yàn) 182
10.3.3 信號(hào)處理算法 188
10.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 188
10.3.5 關(guān)于控制效果的討論 191
10.2 本章小結(jié) 192
參考文獻(xiàn) 193
第11章 多分類運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口范式設(shè)計(jì) 192
11.1 引言 192
11.2 六自由度MI-BCI的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 195
11.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集 195
11.2.2 數(shù)據(jù)處理方法及改進(jìn) 197
11.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 200
11.3 序列MI-BCI范式 203
11.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集與處理 202
11.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 209
11.3.3 分析與討論 216
11.2 本章小結(jié) 220
參考文獻(xiàn) 220
第12章 序列運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口范式在機(jī)器人控制中的應(yīng)用 223
12.1 引言 223
12.2 基于序列MI的機(jī)器人行走控制 223
12.2.1 被試MI任務(wù)選擇 224
12.2.2 機(jī)器人行走控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 225
12.2.3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 228
12.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 229
12.3 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂BCI控制 231
12.3.1 機(jī)械臂控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 232
12.3.2 六分類序列MI范式 233
12.3.3 機(jī)械臂控制策略 233
12.3.4 實(shí)驗(yàn)流程和性能指標(biāo) 234
12.3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 235
12.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 236
12.4.1 序列MI范式的控制性能 237
12.4.2 序列MI-BCI存在的不足及其對(duì)控制性能的影響 238
12.4.3 序列MI范式設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素 240
12.5 本章小結(jié) 240
參考文獻(xiàn) 241
第13章 基于異步序列運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口的助殘輪椅控制 242
13.1 異步序列MI范式 242
13.1.1 異步序列MI任務(wù)設(shè)計(jì) 243
13.1.2 異步序列MI任務(wù)檢測(cè)算法 244
13.2 助殘輪椅BCI控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 247
13.2.1 助殘輪椅實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 248
13.2.2 輪椅控制策略設(shè)計(jì) 248
13.2.3 助殘輪椅控制任務(wù)設(shè)計(jì) 250
13.3 實(shí)驗(yàn)流程與結(jié)果 250
13.3.1 實(shí)驗(yàn)流程 250
13.3.2 助殘輪椅控制結(jié)果 252
13.3.3 異步序列MI任務(wù)在線檢測(cè)結(jié)果 252
13.3.4 離線數(shù)據(jù)分析結(jié)果 255
13.4 分析與討論 258