基于視覺(jué)誘發(fā)電位的腦機(jī)接口系統(tǒng)

1、蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄摘要1第一章 緒論3第二章 視覺(jué)誘發(fā)電位的選擇與制作4第2.1節(jié) 視覺(jué)誘發(fā)電位4第2.2節(jié) 運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)誘發(fā)電位的原理與優(yōu)點(diǎn)4第2.3節(jié) 視覺(jué)刺激的制作5第三章 E-prime軟件呈現(xiàn)視覺(jué)刺激7第3.1節(jié) E-prime軟件簡(jiǎn)介7第3.2節(jié) E-prime軟件的作用7第3.3節(jié) E-prime程序設(shè)計(jì)及呈現(xiàn)結(jié)果8第四章 實(shí)驗(yàn)過(guò)程11第4.1節(jié) 對(duì)大腦各個(gè)分區(qū)功能的了解11第4.2節(jié) 腦電的電極位置和使用12第4.3節(jié) 測(cè)試對(duì)象及實(shí)驗(yàn)環(huán)境14第4.4節(jié) 數(shù)據(jù)采集15第五章 數(shù)據(jù)處理與分析16第5.1節(jié) 數(shù)據(jù)處理16第5.2節(jié) ERP波形定性分析20第5.3節(jié) N

2、2峰值的定量分析25第六章 討論與總結(jié)26參考文獻(xiàn)27致謝29摘要 腦機(jī)接口是近年來(lái)剛剛發(fā)展起來(lái)的一種新的人機(jī)交互方式，它可以幫助人們不依賴(lài)正常的神經(jīng)通路，來(lái)進(jìn)行特定的實(shí)踐活動(dòng)。雖然已有幾十年的歷史，腦機(jī)接口技術(shù)目前仍處于發(fā)展階段?，F(xiàn)有的腦機(jī)接口技術(shù)存在通訊速度低，實(shí)現(xiàn)效果不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。本論文主要研究一種新型的基于運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)誘發(fā)電位(motion onset VEP)的腦機(jī)接口。人的視覺(jué)在短時(shí)間內(nèi)被某個(gè)運(yùn)動(dòng)的東西刺激后腦電會(huì)有反應(yīng)，本文通過(guò)對(duì)腦電數(shù)據(jù)的處理判斷出測(cè)試者觀察的目標(biāo)，探索基于運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)誘發(fā)電位實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的可行性。關(guān)鍵詞：腦機(jī)接口；運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)誘發(fā)電位；腦電信號(hào)Abstract

3、 Brain-computer interface is a way of human-computer interaction which has been newly developed. It can help people practice without depending on the neural pathway in normal. At present, the brain computer interface technology is in the processing stage of development. Nowadays Brain-computer inter

4、face devices performs low communication speed, and some other disadvantages such as instability.This report is mainly for a new type of brain-computer interface which is based on motion onset visual evoked potential. There will be evoked EEG activity if a human subject is visually stimulated by a mo

5、ving target. , Through data processing of such evoked EEG activity, one can determine the target of observation. This report explores the feasibility of a brain computer interface based on motion onset visual evoked potentials .Keywords: BCI; MVEP; EEG第1章 緒論 腦機(jī)接口是腦-計(jì)算機(jī)接口(Brain-Computer Interface, BC

6、I)的簡(jiǎn)稱(chēng)。是近些年來(lái)興起的一種全新的人機(jī)接口。腦機(jī)接口是靠人腦與電子設(shè)備基于腦電信號(hào)建立起來(lái)的，實(shí)現(xiàn)人與外界信息交流和控制的全新通信系統(tǒng)。腦機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)不依賴(lài)于外圍神經(jīng)和肌肉組織等大腦的正常輸出通路，而是通過(guò)分析腦電波實(shí)現(xiàn)人腦與計(jì)算機(jī)的直接通信。近些年，隨著各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域尤其是信息等領(lǐng)域的快速發(fā)展，腦機(jī)接口這項(xiàng)技術(shù)也開(kāi)始迅速的發(fā)展。由于其用途的廣泛性，一方面可以給正常人帶來(lái)樂(lè)趣便利，比如可以開(kāi)發(fā)智能游戲，智能控制等，另一方面可以讓身體行動(dòng)不方便的人帶來(lái)福音，例如可以控制假肢，鼠標(biāo)等來(lái)代替人體部位，可以很大程度上改善他們的生活2。腦機(jī)接口的研究地域主要有北美，歐洲和亞洲，其中北美較為發(fā)達(dá)，并有三

7、大趨勢(shì)：首先，世界各地的研究BCI廣度與研究的幅度在上升；其次，BCI研究正在迅速接近第一代行醫(yī)的水平；此外，BCI研究預(yù)計(jì)將在商業(yè)競(jìng)技場(chǎng)非醫(yī)療迅速加快，以及，尤其是在游戲，汽車(chē)和機(jī)器人，航天軍事等行業(yè)，如宇航員可利用BCI在失重環(huán)境下完成特定的工作。第三，整個(gè)BCI研究重點(diǎn)在世界上是不均衡的，有創(chuàng)景氣指數(shù)幾乎完全集中在北美，無(wú)創(chuàng)景氣指數(shù)BCI系統(tǒng)在歐洲和亞洲的發(fā)展為主，亞洲還研究機(jī)器人系統(tǒng)3?，F(xiàn)階段的腦機(jī)接口系統(tǒng)有很多種類(lèi)，如基于人思維任務(wù)的BCI，基于外源刺激的BCI，基于生物反饋的BCI等，而本文研究的是基于外源刺激的腦機(jī)接口中的基于運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)誘發(fā)電位的腦機(jī)接口系統(tǒng)4。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目

8、的是驗(yàn)證基于運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)誘發(fā)電位腦機(jī)接口的可行性。論文由以下幾部分組成：第一章緒論，第二章說(shuō)明視覺(jué)誘發(fā)電位的選擇與制作的原因與過(guò)程，第三章介紹基于E-prime軟件呈現(xiàn)視覺(jué)刺激的過(guò)程，第四章介紹實(shí)驗(yàn)的具體過(guò)程，第五章介紹基于Analyser軟件對(duì)數(shù)據(jù)的處理與分析，第六章給出本文的總結(jié)。 第2章 視覺(jué)誘發(fā)電位的選擇與制作第2.1節(jié) 視覺(jué)誘發(fā)電位視覺(jué)誘發(fā)電位(Visual Evoked Potential,VEP)是大腦枕葉區(qū)域?qū)ν饨绲囊曈X(jué)刺激產(chǎn)生的電反應(yīng)，是代替人的視網(wǎng)膜來(lái)接受外界的視覺(jué)刺激，并經(jīng)過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)傳輸?shù)秸砣~皮層而使其電位發(fā)生變化。一個(gè)視覺(jué)誘發(fā)電位是指受試者在被刺激后，大腦會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)關(guān)于

9、視覺(jué)刺激的電位。VEP有幾種主要的類(lèi)型，第一種穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位（SSVEP）通過(guò)激勵(lì)所產(chǎn)生的誘發(fā)電并利用視覺(jué)刺激在特定頻率對(duì)視網(wǎng)膜進(jìn)行調(diào)制，其刺激通常是由形成交替的棋盤(pán)圖案構(gòu)成5，并在一定時(shí)間內(nèi)閃爍圖案來(lái)形成刺激。另一種類(lèi)型的視覺(jué)誘發(fā)電位使用的應(yīng)用是引起的P300的潛力，P300的事件相關(guān)電位（ERP)是一個(gè)發(fā)生在目標(biāo)刺激出現(xiàn)后300毫秒，會(huì)在被測(cè)者腦信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)明顯的具有正峰值的電位。還有一種是運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)誘發(fā)電位（MVEP)。本文主要研究MVEP，還有其他一些類(lèi)型的VEP就不一一列舉了5,6,7。第2.2節(jié) 運(yùn)動(dòng)起止視覺(jué)誘發(fā)電位的原理與優(yōu)點(diǎn) 運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)誘發(fā)電位（Motion onset

10、Visual Evoked Potential，MVEP）的原理是在屏幕上快速運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)讓大腦在刺激后一定時(shí)間（100-300ms）產(chǎn)生一個(gè)與視覺(jué)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的誘發(fā)電位。利用這個(gè)視覺(jué)誘發(fā)電位的最大振幅和最小振幅間可變性使其可應(yīng)用于腦機(jī)接口（BCI）中。有證據(jù)表明，運(yùn)動(dòng)知覺(jué)是在實(shí)施可以從被跟蹤的視覺(jué)運(yùn)動(dòng)處理通路大細(xì)胞輸入到V1高達(dá)MT / MST和相關(guān)領(lǐng)域皮質(zhì)，視覺(jué)誘發(fā)電位的振幅調(diào)制組件也已經(jīng)開(kāi)始被深入研究8。 MVEP的特點(diǎn)是有三個(gè)主要的峰：P1，N2和P2。負(fù)N2峰，具有160-300ms潛伏期，是運(yùn)動(dòng)特有的優(yōu)勢(shì)，并從紋外顳枕部和準(zhǔn)頂葉皮層區(qū)產(chǎn)生。正P2峰值有約240毫秒的等待時(shí)間，并增加了與

11、更復(fù)雜的視覺(jué)刺激。這些明確和穩(wěn)健的時(shí)空特性使MVEP在一個(gè)BCI系統(tǒng)中編碼和解碼腦電圖成分信息變的更加容易7,8。由于運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)誘發(fā)電位(MVEP)比上述視覺(jué)誘發(fā)電位的類(lèi)型（P300、SSVEP）允許有更多途徑的外界視覺(jué)刺激，并且雖然SSVEP也有其優(yōu)點(diǎn)但純粹的SSVEP已沒(méi)有多少東西可讓本科生來(lái)做，所以在本文中，選擇MVEP這種新穎的模式。 再者M(jìn)VEP中的N2是大腦應(yīng)對(duì)刺激最為顯著的目標(biāo)特征。然后進(jìn)行離線分析，這樣會(huì)提高確定目標(biāo)檢測(cè)的精度9。第2.3節(jié) 視覺(jué)刺激的制作 要研究MVEP需要制作一個(gè)視覺(jué)刺激，并且為了更好與BCI聯(lián)系,這個(gè)刺激需要呈現(xiàn)在屏幕的5個(gè)不同位置，其目的是要能測(cè)得被試

12、者具體觀看的是哪個(gè)位置的刺激。在制作視覺(jué)刺激前需要編譯一段可控制的動(dòng)畫(huà)或視頻，為的是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的刺激源。本次設(shè)計(jì)選擇用matlab編程，具體的程序如下：clc;clear;fig=figure;aviobj=avifile('example.avi');n=2;x=0:pi/n:4*pi;y=x.0.001;k=0;for t=0:pi/n:4*pik=k+1;x(k)=t;y(k)=t.0.001;H=plot(x,y,'w.',x(k),y(k),'>r','LineWidth',15); axis(0 7 0.9 1.1

13、); MOV=getframe(fig);aviobj=addframe(aviobj,MOV);endclose(fig)aviobj=close(aviobj)程序產(chǎn)生的視頻為一個(gè)從左向右運(yùn)動(dòng)的紅色三角如圖2.1 。圖2.1 matlab生成的視頻由于這只是一次一個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)，不符合與BCI聯(lián)系的要求并且只能進(jìn)行一次也不便于分析，所以選擇用E-prime軟件來(lái)將這個(gè)刺激呈現(xiàn)為想要的結(jié)果。第3章 E-prime軟件呈現(xiàn)視覺(jué)刺激第3.1節(jié) E-prime軟件簡(jiǎn)介E-prime 軟件是世界認(rèn)可的用于心理、腦神經(jīng)等實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)軟件，它的計(jì)時(shí)精確度可以達(dá)到毫秒級(jí)別。E-prime 軟件使用開(kāi)放

14、式的、面向研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式，通過(guò)設(shè)置研究對(duì)象的某些特征完成大部分關(guān)于心理、腦神經(jīng)等的實(shí)驗(yàn)程序，它的好處是不需要編寫(xiě)大量的繁瑣的程序代碼，讓實(shí)驗(yàn)研究者可以去關(guān)注實(shí)驗(yàn)本身把剩余的精力用于完善和創(chuàng)新，從而為研究者提供了便利。因此，E-prime在很多領(lǐng)域非常受歡迎，也越來(lái)越為人們所熟知10。第3.2節(jié) E-prime軟件的作用要實(shí)現(xiàn)視覺(jué)刺激任務(wù)的播放，就要通過(guò)E-prime這個(gè)軟件平臺(tái)，它只是一個(gè)應(yīng)用軟件提供這個(gè)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)就可以通過(guò)我們的需求來(lái)把各種不同的文字，聲音，圖像，或視頻文件按照一定的邏輯順序呈現(xiàn)出來(lái)，因?yàn)槿说拇竽X對(duì)刺激任務(wù)加工反應(yīng)時(shí)間是很快的，而在E-prime實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中時(shí)間精確

15、率可以達(dá)到1ms，并且能把呈現(xiàn)的刺激給電腦回饋一個(gè)mark以便分析，所以用這個(gè)軟件來(lái)呈現(xiàn)刺激是合理的。下圖（3.1）是E-prime軟件的界面圖3.1 E-prime軟件界面第3.3節(jié) E-prime程序設(shè)計(jì)及呈現(xiàn)結(jié)果這個(gè)軟件的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念就是把整個(gè)實(shí)驗(yàn)分解成一系列的對(duì)象，通過(guò)設(shè)置對(duì)象的相關(guān)特性來(lái)控制實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。本文所研究的視覺(jué)誘發(fā)電位主要需要視頻文件來(lái)呈現(xiàn)，具體的步驟如下：第一步，構(gòu)思并畫(huà)出具體的實(shí)驗(yàn)流程圖，如圖3.2所示。圖3.2 設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)流圖 第二步，創(chuàng)建一個(gè)新的目錄，用于儲(chǔ)存和實(shí)驗(yàn)相關(guān)的文件。 第三步，在SessionProc中創(chuàng)建指示語(yǔ)（在圖3.2中就是TexDispla

16、y1），主要說(shuō)明測(cè)試實(shí)驗(yàn)的方法和規(guī)定。第四步，用List Object生成核心的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這一步是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心，也是控制實(shí)驗(yàn)最后呈現(xiàn)效果的指揮中心，具體內(nèi)容見(jiàn)圖3.3所示。圖3.4 List 的設(shè)置 在List1控件中，設(shè)置了5個(gè)不同位置（左，右，中，上，下，對(duì)應(yīng)code一列中的1,2,3,4,5在后面的分析中對(duì)應(yīng)S1，S2，S3，S4，S5）并且使需要呈現(xiàn)的刺激隨機(jī)出現(xiàn)在某個(gè)位置，當(dāng)5個(gè)位置都出現(xiàn)過(guò)時(shí)一個(gè)循環(huán)結(jié)束,為了更好的分析結(jié)果及判斷位置對(duì)它們做了標(biāo)記(code一列)并使其總共循環(huán)150次。第五步，在List Object中輸入刺激源材料（圖3.2中movedisply2），由于此軟件

17、識(shí)別的視頻格式比較小，所以我把在matlab中生成的avi文件轉(zhuǎn)成mpg格式并裁剪成最理想的結(jié)果。第六步，在流程圖（圖3.2中Inline3，Inline2）中寫(xiě)入與電腦接連的接口設(shè)置以及向電腦能傳出標(biāo)記的mark的語(yǔ)句。具體語(yǔ)句如下：writeport &HD020,0 MovieDisplay2.OnsetSignalEnabled=True MovieDisplay2.OnsetSignalPort=&HD020 MovieDisplay2.OnsetSignalData=c.GetAttrib("code") 幾行語(yǔ)句的作用是，把端口清零（因?yàn)橐獋鬏?/p>

18、的腦電信號(hào)是高電平觸發(fā)，清零是為了消除端口高電平干擾），并且把code一列的數(shù)值傳輸mark個(gè)電腦。第七步，調(diào)試和修改程序直至符合實(shí)驗(yàn)要求。第八步，在沒(méi)有問(wèn)題后，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。運(yùn)行結(jié)果如圖3.5：圖3.5 運(yùn)行結(jié)果 在電腦屏幕上，從左向右直線運(yùn)動(dòng)紅色三角會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)在5不同位置（在做實(shí)驗(yàn)時(shí)每個(gè)位置在電腦屏幕上的間距比較大，）的其中一個(gè)，待5個(gè)位置都出現(xiàn)過(guò)后（一次只出現(xiàn)在一個(gè)位置）一個(gè)循環(huán)結(jié)束后進(jìn)入下個(gè)循環(huán)，做2次實(shí)驗(yàn)，每次循環(huán)50遍，總共100遍。第4章 實(shí)驗(yàn)過(guò)程第4.1節(jié) 對(duì)大腦各個(gè)分區(qū)功能的了解 基于運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)誘發(fā)電位的腦機(jī)接口，主要是在運(yùn)動(dòng)的物體刺激眼部后，大腦產(chǎn)生相應(yīng)的腦電信號(hào)，然后通過(guò)采

19、集、處理。分析信號(hào)數(shù)據(jù)，判斷出相應(yīng)的命令，再給對(duì)應(yīng)的設(shè)備發(fā)送指令11。因此，首先需要對(duì)人大腦的每個(gè)分區(qū)的功能有一些了解，確定視覺(jué)相關(guān)的具體位置，以便在使用腦電儀器時(shí)獲取有效的信號(hào)。如圖4.1所示。圖4.1 大腦皮質(zhì)的功能分區(qū) 本次實(shí)驗(yàn)做的是基于運(yùn)動(dòng)起始的視覺(jué)刺激的腦機(jī)接口，所以需要采集的信號(hào)由圖4.1知，枕葉區(qū)是大腦的視覺(jué)區(qū)，這一部分接受光以及物體運(yùn)動(dòng)刺激作用下由眼產(chǎn)生的神經(jīng)沖動(dòng)，即視覺(jué)信號(hào)12。因此在實(shí)驗(yàn)階段要采集的數(shù)據(jù)就是位于這一部分的電極（反應(yīng)在腦電電極上就是O1，O2，Oz)。第4.2節(jié) 腦電的電極位置和使用 本次實(shí)驗(yàn)采用Brain Products公司的64通道電極帽，各個(gè)電極的位置

20、如圖4.2所示。由對(duì)大腦分區(qū)知，視覺(jué)誘發(fā)電位主要分布在后腦的枕葉，所以只需要測(cè)量Oz，O1，O2三個(gè)最明顯的電極，其中因?yàn)檫@三個(gè)波在處理后波形數(shù)據(jù)相似，并且Oz處于最中央所以O(shè)z是三個(gè)中最為準(zhǔn)確的電極，所以必須保證Oz采集的準(zhǔn)確性。另外，接地電極GND和參考電極REF也需要測(cè)量,為方便數(shù)據(jù)處理，其余電極由于與視覺(jué)無(wú)關(guān)所以在實(shí)驗(yàn)中均留空不做處理，無(wú)需涂抹電膠。 為了減少腦電電極和大腦皮層之間的阻抗，要在大腦和電極之間涂導(dǎo)電膠，將其阻抗降到允許的范圍內(nèi)，如圖4.3，導(dǎo)電膠涂得好與差，會(huì)直接影響采集的信號(hào)的信噪比，所以需要仔細(xì)涂抹13。圖4.2電極分布，紅色為地極，參考和枕葉區(qū)圖4.3導(dǎo)電膠 涂膠之

21、前各個(gè)電極如圖4.4所示。圖4.4 涂導(dǎo)電膠之前各個(gè)電極的情況 涂完膠電極的效果如圖4.5所示。圖4.4 涂膠后電極接通情況，綠色為導(dǎo)通良好 由于電極帽或測(cè)試者頭型等的外部因素，O1電極沒(méi)有處于導(dǎo)通，不過(guò)這不影響實(shí)驗(yàn)，因?yàn)镺1，O2，Oz這三個(gè)電極采集的在處理后波形數(shù)據(jù)相似，而Oz在最中央所以O(shè)z是三個(gè)中最為準(zhǔn)確，因此分析時(shí)只分析Oz即可，O2作為對(duì)比數(shù)據(jù)。第4.3節(jié) 測(cè)試對(duì)象及實(shí)驗(yàn)環(huán)境 在實(shí)驗(yàn)中，被試對(duì)象是22歲的男性，視力在4.8以上。測(cè)試者在封閉實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試已消除外界干擾（走動(dòng)的人，聲音等）。如圖4.6，一次完整刺激為3秒，重復(fù)100次，中間休息一次（1分鐘）。圖4.6 測(cè)試者第4.4節(jié)

22、 數(shù)據(jù)采集腦電數(shù)據(jù)的采集根據(jù)Brain Products公司的設(shè)備組成，主要儀器有一個(gè)直流電源（用來(lái)給放大器供電），兩臺(tái)腦電信號(hào)放大器（每臺(tái)有32個(gè)通道）、USB Adapter（把放大器輸出的光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)USB接口輸入并記錄到主機(jī)，同時(shí)記錄并口脈沖標(biāo)號(hào)）、Recorder軟件14（腦電數(shù)據(jù)記錄的軟件）等。如圖4.7所示。圖4.7腦電采集所用的實(shí)物圖使用 Recorder 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄采集過(guò)程如圖4.8所示。圖4.8 采集數(shù)據(jù)過(guò)程 這是采集的O2，Oz的腦電信號(hào)，它會(huì)標(biāo)記上mark使得分析數(shù)據(jù)時(shí)更加方便?？梢钥闯鯫z比O2的波形受干擾較小。第5章 數(shù)據(jù)處理與分析第5.1節(jié)

23、 數(shù)據(jù)處理 本次實(shí)驗(yàn)的分析需要提取ERP波形（事件相關(guān)電位，英文為Event-Related Potentials），它的具體意義是，當(dāng)外界有某種特定的刺激作用于腦或感覺(jué)系統(tǒng)的某一部位（實(shí)驗(yàn)中是視覺(jué)刺激）時(shí)，在相應(yīng)的腦區(qū)會(huì)引起電位變化。之所以提取ERP波是因?yàn)榛钪娜四X總會(huì)不斷放電（腦電），但其成分太復(fù)雜并且不是很規(guī)則。一般的自發(fā)腦電處于0到100微伏之間，而刺激引起的波形本身會(huì)淹沒(méi)在腦電信號(hào)中，通常觀察不到，所以需要提取，而Aanalyser軟件正是針對(duì)此波形的提取15。 將采集到的原始數(shù)據(jù)在Analyser軟件中打開(kāi)如圖5.1所示。 圖5.1 原始的腦電數(shù)據(jù) 然后把原始的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，

24、對(duì)應(yīng)于E-Prime刺激序列的腦電數(shù)據(jù)如下面圖5.2：（a） S1處理前的腦電數(shù)據(jù) （b) S2處理前的腦電數(shù)據(jù)(c) S3處理前的腦電數(shù)據(jù)(d) S4處理前的腦電數(shù)據(jù)(e) S5處理前的腦電數(shù)據(jù)圖5.2為了提取理想的ERP波形首先我們需要對(duì)不同的mark進(jìn)行分段分段如圖組5-1，接著在Analyser軟件中對(duì)其濾波濾到35HZ，因?yàn)槿说淖园l(fā)腦電一般在30HZ到40HZ以?xún)?nèi)，然后進(jìn)行去基線（指檢測(cè)器在沒(méi)有進(jìn)行采集取樣時(shí)信號(hào)隨時(shí)間的變化而變化的曲線，一般是噪聲隨時(shí)間變化而變化的曲線）處理，最后將相同的mark進(jìn)行疊加處理再基線矯正（確定0時(shí)刻時(shí)的電位值），使最后得到的效果更加準(zhǔn)確清楚，最后處理得

25、到ERP波形如圖組5-2（在定性分析中列出）15。接下來(lái)把處理后得到每段的ERP波形進(jìn)行定量定性分析。第5.2節(jié) ERP波形定性分析由于當(dāng)被試注視運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誘發(fā)電位，這個(gè)電位的ERP波形是固定的，但被背景噪聲污染。所以分析的目的就是從噪聲中檢測(cè)這個(gè)誘發(fā)電位的有無(wú)。有這個(gè)誘發(fā)電位的出現(xiàn)，表明被試者在注視五個(gè)位置上呈現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)其中的一個(gè)，具體到是哪一個(gè)，因?yàn)檫@五個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)不是同時(shí)呈現(xiàn)而是每個(gè)時(shí)刻只出現(xiàn)一個(gè)，這就要從誘發(fā)電位出現(xiàn)的時(shí)間mark來(lái)確定，因此需要分析測(cè)試者在觀看時(shí)5個(gè)位置的差異，其中相比于其他4個(gè)位置有明顯差異（誘發(fā)電位的產(chǎn)生所引起的）的為測(cè)試者觀看的位置。而事件相關(guān)腦電（

26、ERP)有兩個(gè)重要的特征:潛伏期恒定，波形恒定。所以首先進(jìn)行波形定性分析，由于Oz比較準(zhǔn)確并且噪聲小，為方便觀察與比較選擇Oz來(lái)比較,從S1-S5（對(duì)應(yīng)的位置順序?yàn)樽?，右，中，上，下）的順序開(kāi)始分析，它們Oz的ERP波形如下圖5.3所示（橫坐標(biāo)的單位是ms，縱坐標(biāo)的單位是v）17。(a) S1的ERP波形(b) S2的ERP波形 (c) S3的ERP波形（為了看它的趨勢(shì)把時(shí)間軸延長(zhǎng)了500ms）(d) S4的ERP波形 (e) S5的ERP波形圖5.3 從這五個(gè)波形中可以看出差異，但為了更加明顯趨勢(shì)變化和幅值差異以及觀察刺激引起的誘發(fā)電位，需要對(duì)這5個(gè)波形進(jìn)行低通濾波（在Analyser軟件中

27、操作），得到如下的圖5.4。(a) S1低通濾波后的波形 (b) S2低通濾波后的波形 (c) S3低通濾波后的波形 (d) S4低通濾波后的波形 (e) S5低通濾波后的波形圖5.4從這兩組圖中可以觀察到明顯的差異和誘發(fā)電位變化，在定性上可以分析出測(cè)試者觀看的是中間位置(S3）。第5.3節(jié) N2峰值的定量分析 接下來(lái)進(jìn)行定量分析，由于前面提到MVEP的N2是大腦應(yīng)對(duì)刺激最為顯著的目標(biāo)特征，所以這次主要以N2來(lái)定量分析，從S1到S5的N2數(shù)據(jù)如下表5.1 S1到S5 ，N2的潛伏期和對(duì)應(yīng)電壓值位置S1(左）S2(右） S3(中）S4(上）S5(下）潛伏期（ms）272.60001296.399

28、99287.10001281.79999275.20001電壓（V）-0.902363-5.25808310.118917-4.014595-6.386118 從表中可以明顯看出S3的N2和其他四個(gè)位置的差異，從而再次確定測(cè)試者觀看的是中間位置。為了檢測(cè)準(zhǔn)確性去除偶然性，又做了多次實(shí)驗(yàn)，在測(cè)試者隨機(jī)以同樣的實(shí)驗(yàn)方式看其他位置時(shí)也可以準(zhǔn)確的判斷出他看的位置，判斷方法與次相同。第6章 討論與總結(jié) 在本次實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)如果視覺(jué)刺激的時(shí)間越短（200ms-300ms）對(duì)于刺激的產(chǎn)生的N2峰更為明顯，因?yàn)榇碳さ臅r(shí)間正好與N2的潛伏期相互時(shí)間抵消，并且低亮度和移動(dòng)的低對(duì)比度這些參數(shù)也能影響到BCI的性能

29、系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)更高的信息速率，刺激與刺激間的間隔可設(shè)置小于200毫秒，因?yàn)閮蓚€(gè)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)刺激可以重疊不會(huì)阻礙誘發(fā)電位的檢測(cè)。當(dāng)然為提高信噪比可以做更多的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行疊加平均，由于外界的因素實(shí)驗(yàn)次數(shù)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的次數(shù)，不過(guò)對(duì)最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大?？傊\(yùn)動(dòng)起始的視覺(jué)誘發(fā)電位（MVEP）在我們的分析下得出N2等主要峰值有明顯的變化，這表明這個(gè)MVEP用于BCI系統(tǒng)是可行的。 經(jīng)過(guò)目前我們的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果能看出，本文設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)誘發(fā)通過(guò)呈現(xiàn)刺激，測(cè)試和處理分析可以確定測(cè)試者所觀看的具體位置，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)是驗(yàn)證基于運(yùn)動(dòng)起始視覺(jué)刺激誘發(fā)電位的腦機(jī)接口的可行性，如今已達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的，并且為深入做出

30、腦機(jī)接口的實(shí)物和設(shè)計(jì)腦機(jī)接口奠定了很好的基礎(chǔ)和理論依據(jù)。例如接下來(lái)做鼠標(biāo)控制，由于在屏幕上五個(gè)不同位置顯示隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的圖像，這五個(gè)位置就想當(dāng)于編碼五個(gè)命令（選項(xiàng)），可以用這五個(gè)位置控制鼠標(biāo)上下左右四個(gè)方向的移動(dòng)及點(diǎn)擊，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的之過(guò)程中需要被試根據(jù)自己的意愿注視其中的跟鼠標(biāo)動(dòng)作相關(guān)的那個(gè)位置，我們從測(cè)到的腦電信號(hào)中判斷被試在注視哪個(gè)位置，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制鼠標(biāo)的指令，當(dāng)然也可以做其他的控制。若要再繼續(xù)下去的話在線的BCI系統(tǒng)可以是下一個(gè)發(fā)展前景。 參考文獻(xiàn) 1 B. Z. Allison, “Toward Ubiquitous,” in Brain-Computer Interfaces: R

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