基于脑电alpha波及运动想象的在线脑机接口系统设计

背景:目前在线脑机接口系统绝大多数采用同步式设计,无法区分"工作"状态与"空闲"状态。目的:设计一种能够自由在"工作"与"空闲"状态间切换,方便灵活的脑机接口系统。方法:设计了综合睁眼产生的alpha波阻断现象,以及进行运动想象时产生事件相关同步及去同步现象这些生理特征的在线脑机接口系统。通过检测使用者枕部脑电信号alpha波状况,来切换"空闲"与"工作"状态;在"工作"状态下,通过想象不同的肢体运动,分析运动皮质脑电信号的频率特征,来实现对外界的信息传输。结果与结论:实验证明,经过训练的使用者在该在线脑机接口平台上可以自如的在不同状态间进行切换,并且能以很高的分类正确率发出控制命令。采用此方法进行设计,脑机接口系统的实用性得到了增强。

基于脑电alpha波的便携式脑-机接口系统研究

对基于脑电alpha波的服务机器人控制方法进行了研究,并在前期采用计算机的脑-机接口系统研究基础上,设计了一种面向服务机器人的便携式脑-机接口系统。该系统选用脑电alpha波作为控制信号,用数字信号处理器替代已有系统中的计算机,实现了脑-机接口系统的集成化和便携化。最后,通过实验验证了系统的有效性和易操作性,为进一步研究开发能实时控制服务机器人完成更为复杂任务的脑-机接口系统提供了技术基础。

脑电Alpha波的混沌关联维数分析

通过研究了静息状态下枕部A lpha波信号的混沌关联维数的特征,在采集了被试的A lpha波信号后,分别采用互信息量法,伪最近邻域法和关联积分方法依次求得时间延迟τ,嵌入维数m和关联维数D2.结果显示枕部的A lpha波关联维数在睁眼时均值4.7,闭眼时均值4.2,二者有显著的差别(p<0.01).实验表明,在闭眼时视觉输入被阻断,大脑处于自治状态,脑电复杂程度下降,而睁眼时复杂程度较高。

长期有氧运动改善甲基苯丙胺成瘾者对毒品的渴求——来自alpha波的证据

目的:探讨长期有氧运动对甲基苯成瘾者主观渴求的改善作用,以及相应的大脑电生理机制,同时比较中、高强度长期有氧运动的效果差异。方法:将甲基苯丙胺成瘾者随机分为对照组、中等强度运动组和高强度运动组。对中等强度运动组和高强度运动组分别进行12周中、高强度有氧运动干预,对照组维持原运动量不变。在12周干预前后分别进行线索暴露测试,记录主观渴求视觉模拟(VAS)评分和大脑额区alpha波能量,并探求二者间的相关关系。结果:1)中等强度运动组和高强度运动组后测主观渴求VAS评分显著低于前测,对照组主观渴求VAS评分前后测无显著差异。2)在前测时,3组被试观看毒品线索时alpha波能量值均显著低于观察中性线索时alpha波能量值。在后测时,对照组观看毒品线索时alpha波能量值依旧显著低于观察中性线索alpha波能量值,但中等强度运动组和高强度运动组观看毒品线索时alpha波能量值与观看中性线索时已无显著差异。3)在前测和后测中,观看毒品线索时主观渴求VAS评分与额区Fz点的alpha波能量值均成显著负相关。结论:1)中等和高强度长期有氧运动均能有效降低甲基苯丙胺成瘾者的主观渴求度。2)中等和高强度长期有氧运动均可以通过对毒品线索暴露条件下alpha波的增强,提升成瘾者在药物渴求状态下的自我调控功能。

基于脑电Alpha波的脑-机接口控制实验

对脑电alpha波阻断现象的识别提取与家用电器遥控装置的结合进行了研究,以探索实时脑机接口(brain-computer interface,BCI)系统的可行性．对5～12名受试者进行睁闭眼实验并记录其动态脑电数据,提取al- pha波阻断现象发生过程的关键参数．在实时操作平台上对受试者进行4组遥控器按键操作的组合实验,以考察系统的响应速度与指令传递的准确率．总结出了Alpha波阻断现象对应的阈值电压经验计算公式,并建立了以最大噪声背景电平作为甄别开关动作真伪的判据原则．结果显示该系统具有较高的控制成功率和稳定性,表明实时脑机接口系统具有潜在的临床应用价值与研究前景．

基于脑电alpha波的实时脑-机接口系统

设计了一个基于LabVIEW平台的脑-机接口系统。该系统包括信号处理、特征提取与模式分类,实现了基于脑-机接口的实时光标移动控制。系统仅需实时采集操作者头部O1、O2导联处的脑电信号,提取其alpha波,通过线性判别分析方法判断受试者闭眼时长,利用alpha波的阻断现象输出不同控制命令,快速可靠地控制光标进行二维移动。该系统采用异步工作模式,输出控制命令仅需3.6～5.4 s,与现有的基于脑电alpha波的-机接口系统相比,具有更好的实用性。实验表明,未经先期训练的操作者均能通过-机接口系统快速地完成光标控制任务,且具有很高的识别正确率。

基于脑电Alpha波的脑-机接口控制系统研究

设计了1种基于脑电α波的脑-机接口(Brain-Computer Interface,BCI)系统,利用睁闭眼对于α波幅值的影响,实现了对计算机屏幕4个方向目标的选择控制,并通过5名受试者实验考察了系统的速度、准确率,说明系统具有无须繁复学习与生物反馈训练的易操作性,为进一步研究开发能实时操作使用的BCI控制面板、实现系统集成和便携化提供了技术基础,具有潜在应用价值,值得进一步研究。

慢性应激对脑电Alpha波功率谱及功能对称性的影响

目的探讨慢性应激对个体脑电图Alpha波功率谱及功能对称性的影响。方法以是否从事应激环境下长期连续作业为标准,将50名受试对象分为慢性应激组和对照组,于应激组执行作业任务后1 d测量创伤后应激障碍筛查量表民用版(PCL-C)、疲劳评定量表(FAI)、匹兹堡睡眠质量指数量表(PSQI)各因子得分水平,并采集静息态脑电数据,对脑电数据进行功率谱和功能对称性分析。结果与对照组相比,慢性应激组PCL-C、FAI以及PSQI量表大部分因子得分显著增高。慢性应激组顶叶Alpha波功率谱下降,且呈现功能不对称性,表现为左侧功率谱优势。结论慢性应激状态下顶叶活动增强,大脑活动呈现右侧顶叶优势。

基于磁刺激内关穴的脑电α波时频分析

目的本文将磁刺激和传统中医穴位、经络传导相结合,研究了磁刺激内关穴对大脑α波的分布及能量的影响。方法绘制不同状态下的α波分布的脑电地形图,分析磁刺激对大脑α波分布的影响。采用Gabor小波和希尔伯特变换方法研究磁刺激对大脑α波能量的影响。结果磁刺激内关穴能够引起被试者α波的分布及能量的变化,表现在:磁刺激时α波分布范围大于安静状态;与刺激前相比,磁刺激后大脑额叶和左侧枕叶的α波能量明显增强。结论本研究表明磁刺激被试者的内关穴可能使被试者达到清醒和镇定的状态,与针刺内关穴的安神醒脑作用有着异曲同工之效。本研究验证了磁刺激穴位的有效性,为今后的相关研究奠定了基础。

神经振荡影响快速言语识别的时间瓶颈

大脑可以快速地加工信息以应对不断变化的环境,其典型范例之一是快速言语识别。自然言语的瓶颈速率约为8~12音节/秒,与神经振荡的alpha速率相近。此外,已有研究表明alpha振荡可以调控知觉过程的时间分辨率。那么,alpha振荡速率是否影响快速言语识别的时间瓶颈?其作用机制是什么?本研究利用心理物理学方法和认知神经科学方法,从现象和机制两个方面考察alpha振荡如何影响快速言语识别的时间瓶颈。在现象方面,本研究将验证快速言语识别的时间瓶颈与alpha振荡速率的一致性。在机制方面,本研究将研究alpha振荡速率如何影响快速言语识别的行为表现,又如何调控大脑对言语信号的神经加工过程。本研究希望找到快速言语识别的神经机制,从而更深入地理解大脑的快速加工过程,并进一步探讨神经振荡调控大脑时间分辨率的相关机制。

脑电反馈放松训练系统研究及有效性验证

近年来,快节奏的生活导致人们的情绪障碍的发病率逐年增加。为缓解人们紧张、焦虑的情绪,本文搭建了以脑电在线实时反馈为形式的放松训练系统,通过提取脑α波指数相对总功率作为反馈值并以视觉动画的形式反馈给用户。最后对20名健康被试者进行脑电反馈放松训练以验证该系统的有效性。结果表明:实验组放松训练后被试者焦虑自评量表SAS得分明显降低,具有显著差异性(t=2.411,P<0.05)。通过对训练前后静息脑电α波指数相对总功率分析得到,在实验组中,训练后测的α波指数相对总功率较前测有明显提高,具有显著性差异(t=-4.256,P<0.05);但对照组无此现象。以上结果说明该训练系统能够达到使被试者放松、情绪反应趋于平和的效果。

基于多特征和BP神经网络的脑-机接口研究

研究了一种基于运动想象识别的脑-机接口(BCI)系统,通过提取想象过程中的脑电信号(EEG)中Alpha波特征,采用多特征分类的方法,以提高脑-机接口系统运动想象识别的正确率。针对脑电信号单特征分类精确度低、耗时长等缺点,采用自回归模型法、统计特征提取和频域分析的方法对Alpha波提取多个特征值,利用BP神经网络进行分类,对运动想象进行识别。通过实验验证了其识别率较高,取得了预期的效果,证明了多特征融合结合BP神经网络运用于脑机接口系统的可行性。

基于脑-机接口技术的智能服务机器人控制系统

结合脑-机接口技术和机器人技术,对脑电Alpha波阻断现象进行特征识别和提取,成功地在实验室实现了对服务机器人的控制。实验通过控制服务机器人在4个方向上运动的组合实验,考察了系统的实时性和控制的准确性。实验结果表明,经过简单的训练,受试者可达到91.5%的控制准确率。证明了利用Alpha波进行多选项控制设计的合理性及其应用价值。

基于似然同步方法的非线性脑电信号分析方法

头皮脑电信号具有非平稳特性,相干等传统分析方法并不能很好地检测这些脑电时间序列间的依赖关系。广义同步中的似然同步算法对非平稳信号处理具有较好的效果,该文将它应用到实际脑电信号分析中。基于单向耦合Henon映射系统和实际脑电数据的仿真结果均表明,基于广义同步的似然同步方法适用测量非平稳信号间关系。针对健康被试静息态下,从闭眼到睁眼的过程中脑电信号间同步性的变化进行了研究,发现从闭眼到睁眼过程中,大脑的alpha波在几乎所有电极间的同步强度都显著地减弱,大脑的活动受到一定的抑制。上述结果也表明该方法在脑电数据分析中具有重要的意义,为其他的脑电研究提供一定的参考方法。

基于脑机接口的脑卒中患者语音看护系统

脑卒中患者的语言障碍使得他们无法表达自己的意图,给患者的治疗和生活带来了巨大的困难。为了改善患者的语言状况,便于家人和看护人员的看护,本研究利用脑机接口技术设计实现了一种服务于脑卒中患者的语音看护系统。该系统利用Alpha波实现异步的工作方式,患者可以自主地选择何时启动系统运行;利用对稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential,SSVEP)信号的分析实现患者语言意图的识别;利用语音合成技术完成患者语言的语音表达输出。该系统的在线实验结果证实了该系统的可行性与有效性,四名被试者可以利用Alpha波控制系统的启动与空闲,系统启动后再利用SSVEP信号控制自身的表达意图,控制准确率高达90%以上。

未意识到错误影响错误后调整的电生理证据

现有研究一致认为意识到错误可引起错误后调整,但是未意识到错误能否促使个体进行错误后调整尚存争议。本实验采用基于go/no-go范式的错误意识任务考察上述问题,并根据被试对自己按键反应正误主观报告将no-go错误反应分为意识到错误和未意识到错误。行为结果发现,意识到错误和未意识到错误后正确率均显著高于正确击中试次(正确go试次)后正确率;但是,意识到错误后试次反应时显著快于正确击中后反应时,未意识到错误后反应时显著慢于正确击中后反应时。该结果表明两类错误均优化了错误后行为表现,但是意识到错误后被试调整速度加快,未意识到错误后被试调整速度减慢。进而,时频分析发现意识到错误相较于未意识到错误诱发显著更强的alpha波能量。并且,前者在错误意识主观报告前已诱发alpha波,后者在错误意识主观报告反应后诱发alpha波。该结果表明意识到错误一直处于持续的注意监控中,而未意识到错误是任务引起的暂时注意控制。因此,本实验说明错误意识影响错误后调整,意识到错误可能采用类似主动性控制的策略调节错误后行为,而未意识到错误可能采用类似反应性控制的策略调节错误后行为。

上肢康复训练机器人的脑机接口系统研究

脑机接口(brain-computer interface,BCI)可以把大脑皮层的电活动信号转化为机器语言直接控制外界设备。本研究提出一种基于稳态视觉诱发电位(steady state visual evoked potential,SSVEP)与Alpha波混合的脑机接口上肢康复训练机器人系统。本系统通过检测使用者枕部脑电信号Alpha波的阻断现象来切换空闲与工作状态,采用典型相关分析算法区分不同频率的SSVEP信号。利用该脑机接口系统,用户可以自主控制上肢康复训练机器人进行上肢康复训练,包括训练动作与训练时间。在线实验结果验证了本研究提出的异步脑机接口上肢康复训练机器人的可行性与有效性,该系统分析速度快且分析准确率高,为异步脑机接口的实现与应用提供了良好的理论与实践基础。

基于运动想象的异步在线脑-机接口系统

目前,运动想象脑-机接口(motor imagery brain computer interface,MIBCI)的离线分析和研究相对比较成熟,但是异步在线MIBCI始终具有挑战性。针对在线BCI系统的识别率和控制方式,提出了利用共空间模式(common spatial pattern,CSP)算法对运动想象(motor imagery,MI)进行特征提取并结合alpha波进行异步控制。构建了一种简单实用的自主控制小球运动MIBCI实验系统。有四名受试者参加了在线实验,其中有两名受试者在线运动想象识别正确率最高能达到100%。实验结果验证了本文所建系统的可行性和实用性。

神经反馈提升注意及SSVEP脑机接口使用技能

过去20年中,神经工程领域在神经信号的解码(如脑机接口等)和神经调控(如电磁刺激和神经反馈)两大分支上都取得巨大的进步,然而注意的内在机制和行为表现之间的关系依然值得深入探究。通过执行不同难度的快速序列视觉呈现任务,采集得到包含被试者不同注意程度的脑电数据(30例被试),并使用有向信息传递函数进行分析,进而整理得到注意状态的网络信息特征。随后参考这些特征,设计神经反馈训练方法,以提高注意力及稳态视觉诱发电位脑机接口的使用技能。导联间连接强度分析结果表明,在视觉任务中,前额叶、顶叶和枕叶构成联合处理网络系统。在该网络系统中,顶叶起到中心控制的作用,alpha波振荡参与了注意的调制过程。设计上调顶叶的alpha频带能量的神经反馈训练,并发现该方法可以有效调节注意相关的控制网络,从而提高注意力,增强SSVEP脑机接口的使用技能表现。以信噪比、准确率和信息传输率等指标来衡量脑机接口的使用技能,发现实验组(24人)经神经反馈训练后各项指标均有显著性提升(P<0.05)。其中,训练前后的信噪比分别为(-15.23±5.91) d B和(-14.72±4.83) d B,训练前后的准确率分别为78.93%±0.14%和83.65%±0.14%,训练前后的信息传输率分别为103.21±28.49和119.35±25.14。然而,未经训练的对照组(22人)则没有明显变化。注意测试的结果也进一步表明,该训练方法能通过提高顶叶的注意相关的控制能力来提高注意程度,进而提高稳态视觉诱发电位脑机接口的使用技能表现。提出一种有效的神经调节方法,也有助于解释顶叶在脑控制网络中的作用。

质心分布概率成像——一种刻画自发脑电性质的新方法

利用近期出现的脑电质心概念,对脑电进行质心分布概率密度成像,并提出用梯度和标准差对此种图像均匀性进行分析和评估.将该成像方法应用于睁闭眼状态下的脑电alpha频段,其均匀性分析和分区统计结果与alpha波阻塞现象一致.结果表明,该方法是一种可行的脑电分析手段,为脑电分析提供了一种新的途径.