《前额脑电与血氧信息融合的人机交互装置研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《前额脑电与血氧信息融合的人机交互装置研究（81页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、ResearchonaHumanMachineInteractionDevicebyInationFusionofEEGandBloodOxygenationonForehead学科专业：生物医学工程研究生：刘延刚指导教师：万柏坤教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一零年六月爹，彳l一独创性声明1秽本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中木包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
2、靴敝储戤：字归辩醐：纱-刊月夕日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权壑鲞太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位做储躲刘姐)签寺E舞：孔托每tt乒-日导师签名：辩醐唧年叻月7日，。at=-膏。、参II一一气他外人们即形势已他可反映大脑思维活动信号，如脑磁图(MEG)、功能磁共振成像(m妇U)、功能近红外成像(fNIRI)等，并逐渐向基于多种大脑思维活动信息融合的BCI技术发
3、展。本文在现有基于EEG的BCI技术基础上，拟联合通过近红外光谱技术(NIRS)监测脑组织血氧状态变化，通过两种信息融合以获得能够更好地反映大脑思维活动的人机交互方法。为此，本文设计了一种基于脑电与脑血氧信息融合的HCI装置。通过操作者按指定范式进行左右手想象动作思维任务实验以诱发脑电及脑血氧信息变化，该装置可在LabVIEW软件平台上同步实时采集前额(对应于前额叶皮层功能区)EEG与脑血氧信号，并经后续的信号特征提取与模式识别算法实现脑电与脑血氧信息融合，为HCI装置控制外部机电设备做准备。本文利用短时傅里叶变换技术分析了左右手想象动作诱发动态脑电信号的事件相关去同步同步(EIERs)现象及
4、其时频特性，使用Fisher可分性判据分析了二维时频平面上脑电功率谱密度分布情况，发现上述特性在左右手想象动作任务之间无明显差异，但在想象动作时段(想象期)与无想象动作时段(静息期)具有较明显可区分性。同时分别采用时域和频域分析方法考察了脑血氧信号中左右手想象动作任务之间的关系，其结果与EEG情况相似，并经T检验方法证实该结论具有统计学显著性。因此，本文提取想象期与静息期之间显著可分的EEG与脑血氧信号特征。其后采用基于支持向量机的5折交叉验证方法分别对EEG与脑血氧信号特征及其融合进行模式识别以进行想象动作任务分类。结果显示，经特征信息融合的想象动作任务平均识别率可在7504以上，最高可达9
5、111，比单独利用脑电特征和脑血氧特征的平均识别率均有一定程度的提高。这表明，基于脑电与脑血氧信息融合的人机交互方法可望改善HCI装置系统的模式识别率，值得进一步深入研究开发。关键词：人机交互，前额叶皮层，事件相关去同步同步，近红外光谱技术，Fisher可分性分析，支持向量机，特征融合lABSTRACTHuman-ComputerInteraction(HCI)techniquecanprovidedirectcommunicationandcontrolchannelsbetweenhumanandcomputerWhentheconnectedpositionishumanbrainthe
6、usercallcontrolcomputersorotherelectronicdevicesonlyonusersmind，whichbecomesaBrain=ComputerInterface(BCI)CurrentlythetrendinthedevelopmentofBCIresearchisnotlimitedtousingonlyonekindofphysiologicalsignalsuchasBCIbasedonEEGBCIsystemsbasedonotherkindsofsignalswhichcallreflectthestateofbrainthinkingacti
7、vities，suchasMagnetoencephalography(MEG)，functionalMagneticResonanceImaging(fMrU)，functionalNearInfraredImaging(fNIed)andSOonarenowbeiI玛researchedBesides，theresearchofBCItechnologybasedoninationfusionofdifferentkindsofinationofbrainthinkingactivitycomesforthgraduallyInthisthesis，theofmonitoringthebl
8、oodoxygenationchangesofbraintissuewhichreflectsthestatusofbrainfunctionalactivitybythemeansofNearInfraredSpectroscopyfNIRS)，WasattemptedtocombinewiththeexistingEEG-basedBCIsystemresearchinordertogainabetterofHCIreflectingbrainthinkingactivitybythefusionoftwokindsofinationForthisreasonthisthesisdesig
9、nedaHCIdevicebyinationfusionofEEGandBloodOxygenationonforeheadThroughthesubjectstakingathinkingtaskexperimentofspecifiedpatternofleRrighthandimagerytaskswhichevokedthechangesofEEGandBloodOxy-genationsignals，thisdevicecouldachievereal-timesynchronizationacquisRionofEEGandBloodOxygenationsignals(corre
10、spondingtothefunctionalareaofPrefrontalLobule)，thenthesoffeatureextractionandpatternrecognitionwereinducedtoachievethefusionofEEGandBloodOxygenationinationwhichpreparedforthecontrolofexteriorelectronicdevicesofHCIdeviceInthispapertimefrequencyanalysisbasedonShortTimeFourierTransationWasinducedtoanal
11、yzethetime-frequencycharacteristicsoftheERDERSofdynamicEEGsignalevokedbyleftrighthandimagerymovementThenFisherSeparabilityAnalysisWasusedtoidentifythespecialcharactersofpowerspectraldensitydistributionwhichturnedouttherewasnosignificantdifferencebetweenleftandrighthandimagerytaskswhilethedifferenceb
12、etweentheimageryandrestingperiodsWasverysignificantSimultaneouslythesoffrequencydomainandtimedomainanalysiswereseparatelyusedtoanalyzethefrequencybandqIt勺andchangesintimedomainofBloodOxygenationsignalAfterthesignificantdifferenceanalysisbasedonthestatisticalStudentSTTest，turnedoutasimilarconclusionw
13、ithEEGTherefore，thefeaturesfmalextractedwerethedifferentialfeaturesbetweentheimageryandrestingperiodsofthetargettasksIntherecognitionofimageryandnoimagerytasks，theof5foldcrossvalidationbasedonSupportVectorMachinewasinducedtoperfeaturerecognitionbasedontwokindsofsinglefeatureofEEGandBloodOxygenationa
14、ndfusion-featuregainedbyfeaturelevelfusionofthemwhichgainedtheresultsofrecognitionResultsofthisstudyshowedthatthemeanrecognitionrateoffusion-feattaecouldreachfrom7504upto9111whichWasbetterthanthatofsingle-featureofEEGandBloodOxygenationtosomeextentThisdemonstratesthattheofHCIbasedonthefusionofEEGand
15、BloodOxygenationinationishopefultoimprovetherecognitionrateofthissystemwhichisworthyofmorein-depthstudyKEYWORDS：Human-ComputerInteraction，PrefrontalLobule，ERDERS，NIRS，Fisherseparableanalysis，SVM，FeatureFusion目录1InteractionHCI)装置1ll及分类2114BCI的应用范围及研究意义。512本文的研究目的、重点及意义6121本文的研究目的6122本文的研究重点7123本文的研究意义913本文的章节安排9第二章想象动作诱发前额脑电与血氧信息的生理学基础。1121大脑皮层前额叶1122想象动作诱发脑电信息的神经电生理学基础。12221EEG的产生机理及其主要频率组分
