基于稳态视觉诱发电位频相特征提取的脑机接口算法设计

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随着计算机科学、信号处理技术的飞速发展,以及残疾患者的生活质量提高意识不断加强,近年来在临床治疗中涌现出大量使用脑机接口(BCI)的康复辅助手段。其中基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的BCI因具有非侵犯性、系统配置简单及其高信息转化率的优势,故被选作大脑命令的良好载体。而衡量SSVEP-BCI系统性能的标准之一就是该系统可产生的命令数(即目标激励块数目),命令数越多,对应的执行动作也越多,系统也越完善。目前最常用的SSVEP命令识别方法是通过提取脑电信号的频率信息来实现的,而对于采用液晶显示器(LCD)激励产生的SSVEP信号,由于其激励频率是通过对LCD的刷新频率整数分频得到的,因而其激励频率数目受到限制,而且还不得不排除一些因非同步采样而无法直接准确检测到的激励频率。此外,因电极采集的脑电信号非常微弱及存在伪迹成分的干扰,都会影响检测精度,需要引入新的信号处理措施给予改善。为提高所容许的窄频带内可检测的命令数目,本文提出结合频率与相位差混合编码的BCI设计,在编码环节,通过赋予激励块以频率与相位相结合的特征而增大了目标激励数,有效地提高了可用频带的利用率。为提高目标检测精度,在解码环节,本文引入了频谱校正理论、全相位点通滤波器设计理论、全相位FFT谱分析理论和模式分类技术进行频率、相位信息提取。其中,借助频谱校正,检测出非同步采样下SSVEP的频率和相位值;借助全相位点通滤波,滤除了激励频率的带外干扰,提高了信号质量;利用全相位FFT谱分析的“相位不变性”和良好的抑制谱泄漏性能,进一步抑制了临近频率干扰,提升了相位估计精度,降低了计算复杂度;最后,结合最近邻分类法,完成了基于相位特征的目标识别。本文不但借助理论分析和仿真实验论证了以上方法在提取SSVEP频率与相位特征的可行性,而且通过现场数据采集与后续实验处理,结果表明:综合以上方法能够解决SSVEP激励信号在非同步采样下引起的测不准相位的问题,从而大大放宽了对目标激励频率的限制,增加了激励目标数目,具有很高的临床利用价值。
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