ssvep的脑机接口研究与实现
摘 要基于SSVEP（Steady-State Visual Evoked Potentials）的脑-机接口（BCI）是目前关于人机信号交换领域研究的热点，它是一种不依赖于大脑信号常规输出的一种全新的交互方式，无需经过训练，诱发方式简单安全，有稳定的信号特征，信噪比高，传输速率快，对那些不能接受常规治疗技术的脑损伤患者具有很大的研究价值，本文主要研究基于SSVEP脑-机接口的实现方法。本文在设计的过程中，主要通过3个步骤来实现脑-机接口技术，首先是信号采集系统，本次研究采用的是由LCD作为刺激器，非侵入式诱发脑电信号，其次是信号处理系统，将采取到的脑电信号进行预处理、特征提取和识别分类，最后将处理好的信号作为指令输出到接受外部指令的电子设备。脑-机接口的发展促进了各个交叉学科间的紧密合作，如神经学、工程学、心理学、计算机学等，其科学意义、学术价值和应用前景处于重要的地位，是当今世界研究的一个热点。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究与意义 1
1.2脑机接口概述 1
1.2.1 脑机接口的定义 1
1.2.2 脑机接口的结构 1
1.2.3 稳态视觉电位（SSVEP）的产生 2
1.2.3 脑机接口的发展历史与研究现状 3
1.3本文研究的主要内容和方法 4
第二章 系统总体方案设计 5
2.1前期准备阶段 6
2.2实施阶段 6
2.3验收阶段 6
第三章 脑电采集器及视觉刺激器的设计 8
3.3脑电采集器的设计 8
3.3.1主控系统 8
3.3.2前端模拟 9
3.3.3电源模块 10
3.2视觉刺激器的设计 11
3.2.1 刺激器的种类和主要参数 11
3.2.2 刺激器其他参数设置 12
3.2.3 LCD刺激器的设计 12
第四章 信号特征提取及处理 14
4.1 信号预处理 14
4.2 特征提取 15
4.2.1基于快速傅里叶变换（FFT）的特征提取 15
4.2.
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2基于小波变换的特征提取 17
4.3 识别分类 19
4.3.1 典型相关分析的概述 20
4.3.2 典型相关分析的数学描述 20
4.3.3 CCA识别SSVEP信号的过程 20
4.3.4 结合小波分析的改进CCA算法 21
4.3.5 实验结果分析 22
第五章 系统测试 24
5.1采集系统测试 24
5.2识别测试 25
结束语 27
致 谢 28
参考文献 29
附录A 硬件PCB图 32
第一章 绪论
1.1课题研究与意义
目前，随着计算机技术的不断发展，人机接口（human computer interface）在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，而对于一些特别的人群（如脑瘫，脑中风，脑干）等一些严重的神经病来说，正常的大脑输出通道受到损伤，依赖于现在常规的治疗技术并不能取得比较好的效果。而BCI（脑机接口）技术就能帮助他们不需要通过常规的语言或者动作来实现与外部环境的交流，为他们的生活质量提高了一个等级，例如可以实现基于脑电控制的轮椅[2]。
当前脑机接口（BrainComputer Interface）技术涉及到多个研究领域，其科学意义、学术价值和应用前景主要体现在如下几个方面：
1、医学工程方面：基于SSVEP的脑机接口技术不需要常规的动作或者语言来实现对外界环境的控制，这对于脑部严重损伤的患者来说，他们可以通过自己的想象来实现与外界环境交流沟通的目的，甚至控制仪器设备。当前的BCI技术已经逐渐成为医学康复，神经学等研究领域研究的一大热点。基于BCI研发的辅助仪器（例如基于脑机接口技术的轮椅）弥补常规治疗方面存在的缺陷，为患者提供一种全新的生活方式，也将会是医学康复、神经科学领域发展的一个重要的里程碑。
2、休闲娱乐领域：随着计算机技术的不断发展，目前，已经有公司开发出基于SSVEP脑机接口技术的休闲娱乐游戏，如国内某公司开发的脑电设备头盔可以采集佩戴者的脑电信号，并通过无线传输技术将信号输送到计算机，通过计算机处理后的信号可以快捷的实现人对游戏的控制。
3、促进交叉学科间的交流：BCI（脑机接口）的发展不是某一个研究领域的成果，它的技术涉及到个个领域，比如，神经学科、康复学科、心理学、计算机学科、电气学等多个领域，它的发展促进了各个学科间技术的交流与融合[4]。
1.2脑机接口概述
1.2.1 脑机接口的定义
脑机接口（Braincomputer interface，BCI），也被人们称为“大脑端口”[5]，这种技术是不需要经过常规的大脑输出通道在人或其他动物之间与外在环境建立一种沟通的环境，达到通过意识控制外部设备的目的，简单的来说，就是通过大脑向外界环境输送信息并不需要借助人体血管神经和肌肉的帮助，而是通过脑机接口技术直接将脑电信息转换成与外界环境通讯的指令。相对常规的治疗技术，这种技术对于脑部损伤的患者是一种福音。此外，目前越来越多的研究领域已经涉及到这项前沿的高新技术[6]。
1.2.2 脑机接口的结构
与其他一般的控制系统结构相似，BCI作为一种信号采集、处理、和控制的系统，主要有3个模块。分别是信号采集模块，信号处理模块和输出反馈装置模块[7]。信号采集系统是通过脑电采集设备采集人体大脑的脑信号，它是整个BCI系统的前提，信号采取的质量高低直接影响后面的部分，信号处理部分是整个系统的核心部分，采集设备采集到的脑电信号要经过信号处理翻译才能输出到外部的设备，它包含三个部分，信号预处理、特征提取和识别分类，且前一级的处理效果会直接影响到后一级的处理效果[6]。
1.2.3 稳态视觉电位（SSVEP）的产生
当用以固定的频率的刺激源刺激人的视觉时，人体的大脑电位就会产生和频率相对应的波动，我们把这个变化称为稳态视觉诱发电位（SSVEP）[9]。
图21 视觉诱发电位产生的过程
如图21所示，当人体注视固定频率的刺激目标时，视网膜感光细胞接收到光信息通过神经传输通路传输到视觉皮层，引起神经细胞的变化，从而会产生相关的电位。其中，产生电位的方式分为两种，瞬间视觉诱发电位和稳态视觉诱发电位[10]，本文主要研究的是稳态视觉触发，其特点是刺激时间间隔短，造成诱发的电位发生重叠，此时的电位波动趋于稳态，呈现出周期性，在频谱上表现上，其相应的刺激频率和倍频上出现比较明显的峰值。如图22所示，当给人6Hz的信号刺激源时，在6Hz处出现最大值。
图22 6Hz刺激时的SSVEP频谱
1.2.3 脑机接口的发展历史与研究现状
当受到一个固定频率信号刺激的时候，人的大脑视觉皮层会产生一个与刺激频率有关的响应，这个响应被称为稳态视觉诱发电位，与其他信号相比（例如P300），稳态视觉诱发电位更安全，无需经过多次的训练，系统的设计和实验方法也相对简单，传输速率也比较高，是现在BCI研究领域的一个热点。许多研究小组已经涉及到这一方面[7]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究与意义 1
1.2脑机接口概述 1
1.2.1 脑机接口的定义 1
1.2.2 脑机接口的结构 1
1.2.3 稳态视觉电位（SSVEP）的产生 2
1.2.3 脑机接口的发展历史与研究现状 3
1.3本文研究的主要内容和方法 4
第二章 系统总体方案设计 5
2.1前期准备阶段 6
2.2实施阶段 6
2.3验收阶段 6
第三章 脑电采集器及视觉刺激器的设计 8
3.3脑电采集器的设计 8
3.3.1主控系统 8
3.3.2前端模拟 9
3.3.3电源模块 10
3.2视觉刺激器的设计 11
3.2.1 刺激器的种类和主要参数 11
3.2.2 刺激器其他参数设置 12
3.2.3 LCD刺激器的设计 12
第四章 信号特征提取及处理 14
4.1 信号预处理 14
4.2 特征提取 15
4.2.1基于快速傅里叶变换（FFT）的特征提取 15
4.2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
2基于小波变换的特征提取 17
4.3 识别分类 19
4.3.1 典型相关分析的概述 20
4.3.2 典型相关分析的数学描述 20
4.3.3 CCA识别SSVEP信号的过程 20
4.3.4 结合小波分析的改进CCA算法 21
4.3.5 实验结果分析 22
第五章 系统测试 24
5.1采集系统测试 24
5.2识别测试 25
结束语 27
致 谢 28
参考文献 29
附录A 硬件PCB图 32
第一章 绪论
1.1课题研究与意义
目前，随着计算机技术的不断发展，人机接口（human computer interface）在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，而对于一些特别的人群（如脑瘫，脑中风，脑干）等一些严重的神经病来说，正常的大脑输出通道受到损伤，依赖于现在常规的治疗技术并不能取得比较好的效果。而BCI（脑机接口）技术就能帮助他们不需要通过常规的语言或者动作来实现与外部环境的交流，为他们的生活质量提高了一个等级，例如可以实现基于脑电控制的轮椅[2]。
当前脑机接口（BrainComputer Interface）技术涉及到多个研究领域，其科学意义、学术价值和应用前景主要体现在如下几个方面：
1、医学工程方面：基于SSVEP的脑机接口技术不需要常规的动作或者语言来实现对外界环境的控制，这对于脑部严重损伤的患者来说，他们可以通过自己的想象来实现与外界环境交流沟通的目的，甚至控制仪器设备。当前的BCI技术已经逐渐成为医学康复，神经学等研究领域研究的一大热点。基于BCI研发的辅助仪器（例如基于脑机接口技术的轮椅）弥补常规治疗方面存在的缺陷，为患者提供一种全新的生活方式，也将会是医学康复、神经科学领域发展的一个重要的里程碑。
2、休闲娱乐领域：随着计算机技术的不断发展，目前，已经有公司开发出基于SSVEP脑机接口技术的休闲娱乐游戏，如国内某公司开发的脑电设备头盔可以采集佩戴者的脑电信号，并通过无线传输技术将信号输送到计算机，通过计算机处理后的信号可以快捷的实现人对游戏的控制。
3、促进交叉学科间的交流：BCI（脑机接口）的发展不是某一个研究领域的成果，它的技术涉及到个个领域，比如，神经学科、康复学科、心理学、计算机学科、电气学等多个领域，它的发展促进了各个学科间技术的交流与融合[4]。
1.2脑机接口概述
1.2.1 脑机接口的定义
脑机接口（Braincomputer interface，BCI），也被人们称为“大脑端口”[5]，这种技术是不需要经过常规的大脑输出通道在人或其他动物之间与外在环境建立一种沟通的环境，达到通过意识控制外部设备的目的，简单的来说，就是通过大脑向外界环境输送信息并不需要借助人体血管神经和肌肉的帮助，而是通过脑机接口技术直接将脑电信息转换成与外界环境通讯的指令。相对常规的治疗技术，这种技术对于脑部损伤的患者是一种福音。此外，目前越来越多的研究领域已经涉及到这项前沿的高新技术[6]。
1.2.2 脑机接口的结构
与其他一般的控制系统结构相似，BCI作为一种信号采集、处理、和控制的系统，主要有3个模块。分别是信号采集模块，信号处理模块和输出反馈装置模块[7]。信号采集系统是通过脑电采集设备采集人体大脑的脑信号，它是整个BCI系统的前提，信号采取的质量高低直接影响后面的部分，信号处理部分是整个系统的核心部分，采集设备采集到的脑电信号要经过信号处理翻译才能输出到外部的设备，它包含三个部分，信号预处理、特征提取和识别分类，且前一级的处理效果会直接影响到后一级的处理效果[6]。
1.2.3 稳态视觉电位（SSVEP）的产生
当用以固定的频率的刺激源刺激人的视觉时，人体的大脑电位就会产生和频率相对应的波动，我们把这个变化称为稳态视觉诱发电位（SSVEP）[9]。
图21 视觉诱发电位产生的过程
如图21所示，当人体注视固定频率的刺激目标时，视网膜感光细胞接收到光信息通过神经传输通路传输到视觉皮层，引起神经细胞的变化，从而会产生相关的电位。其中，产生电位的方式分为两种，瞬间视觉诱发电位和稳态视觉诱发电位[10]，本文主要研究的是稳态视觉触发，其特点是刺激时间间隔短，造成诱发的电位发生重叠，此时的电位波动趋于稳态，呈现出周期性，在频谱上表现上，其相应的刺激频率和倍频上出现比较明显的峰值。如图22所示，当给人6Hz的信号刺激源时，在6Hz处出现最大值。
图22 6Hz刺激时的SSVEP频谱
1.2.3 脑机接口的发展历史与研究现状
当受到一个固定频率信号刺激的时候，人的大脑视觉皮层会产生一个与刺激频率有关的响应，这个响应被称为稳态视觉诱发电位，与其他信号相比（例如P300），稳态视觉诱发电位更安全，无需经过多次的训练，系统的设计和实验方法也相对简单，传输速率也比较高，是现在BCI研究领域的一个热点。许多研究小组已经涉及到这一方面[7]。
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