基于多生理信息串行融合的在线hBCI技术

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脑-机接口是一个在大脑和外界(外围设备和外部环境)之间传递信息,且不依赖于外围神经和肌肉组成的大脑正常输出通路的通讯系统。混合式脑-机接口(hybrid brain computer interface,hBCI)将基于不同交互范式的脑-机接口系统进行结合,或将脑-机接口系统与其他人机交互系统进行结合,可在一定程度上解决传统单一范式脑-机接口系统信息传输率较低以及可能存在BCI文盲等问题,是近年来受到广泛关注和认可的新型BCI设计思想。本文设计的hBCI含3种脑-机/人机交互范式,包括基于P300的脑-机接口范式、基于SSVEP的脑-机接口范式、以及具有自主节律特点的基于咬合诱发头皮肌电信号(occlusion evoked scalp-myoelectricity,OES-ME)的人机接口范式。研究中,首先构建完成了上述三个独立范式子系统,三个子系统在线测试结果表明:P300脑-机接口的在线信息传输率最高可达24.62bits/min;SSVEP脑-机接口的信息传输率最高为34.29bits/min;自主节律的咬合动作识别时间为1s,平均准确率为92.9%。在单一范式脑-机/人机接口的基础上,文中成功设计实现了一套串行多信息融合的在线hBCI异步系统,包括4个主要模块:视觉刺激模块、信号采集模块、用户界面与数据处理模块,指令控制模块。视觉刺激模块显示诱发范式,包括Oddball行列范式和SSVEP闪灯范式;信号采集模块能实时地采集来自用户的脑电数据和视觉刺激界面传送的事件代码;用户界面和数据处理模块设置相关参数,读取脑电信号和事件代码,对数据进行处理分析,并将结果发送到指令控制模块;指令控制模块接收结果,并将结果转换为相应的控制指令(移动光标、键盘模拟输入和鼠标单击操作)或语音提示反馈给用户。该系统能够实现拼写字符、移动光标和单击鼠标等多种功能以及各功能之间的转换,从而辅助使用者完成浏览网页的日常操作。最后对系统进行了在线测试,5名受试者均可完成所有规定的网页搜索任务,实验结果表明实际子操作命令输出与理论子操作命令输出数目差距最多不超过7,经过训练后字符输入操作的平均执行正确率均在90%以上,达到了设定的输出效果。本文所开发的三种范式(P300-BCI,SSVEP-BCI,以及OESME-HCI)混合的hBCI在线系统,具有良好的可扩展性,有望为进一步研究BCI系统性能提升和临床应用实践提供技术支持。
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