视觉诱发电位之脑

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1、视觉诱发电位之脑第1章绪论1.1引言大脑是人类控制与协调身体和精神活动（如，认知、记忆、情感和学习等）的神经系统控制中心，它管理着我们与外界环境进行交互通信的各项神经功能系统，如，视觉、听觉和触觉系统等。对于某些肢体残疾或瘫痪而大脑功能仍然正常的残疾患者，尽管他们有着正常的大脑意识和思想，但却无法通过严重受损的肌肉神经系统与外界环境进行交互通信，其生活的痛苦是可想而知的。如何恢复他们对外界环境的控制和通信能力一直是医疗康复领域多年以来所追求的目标。为了寻求新的技术手段以重新燃起这些残疾患者对生活的希望，Vidal教授在1973年

2、⑴首先提出了一种大脑和计算机之间进行直接通信的新颖思想一脑-机接口（Brain-puterInterface，BCI)，以通过大脑电生理响应帮助患有某些严重神经疾病或肌肉损伤的残疾病人重获与外界环境直接沟通的能力。BCI是在人脑和计算机之间构建一种独立于人体常规信息输出通路（如，肌肉和运动神经）的全新通信交流和控制技术，它广泛涉及脑神经科学、电生理学、计算机科学、信号处理技术和生物医学工程等多学科的交叉[2，3]，成功实现了通过意念控制外部设备的目的。近年来，随着认知神经科学和计算机科学的快速发展，BCI领域的研究也逐渐受到研究

3、学者们越来越广泛的关注，并且已经取得了不小的进展[4，5，6，7]。从不同的应用角度出发，BCI系统既可被用于作为残疾患者的辅助通信工具以帮助其恢复对外部环境的控制能力，同时也可以在其他通信手段无法实现的情况下为非残疾患者提供一种新的通信途径。对于残疾患者，例如患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症（AmyotrophicLateralSclerosis,ALS)的病人，因为脑部部分血管硬化堵塞而几乎无法通过常规交流方式与外界进行信息交流，但其大脑电信号仍然存在且包含着丰富的思想信息。因此，BCI技术为这类患者提供了重获与外界环境进行沟通交

4、流能力的可能。另一方面，对更广大的健康用户，在多媒体通讯和人机交互领域，BCI技术可以作为一种与传统通信形式（如，听觉，视觉和触觉形式等）相结合的全新通信交流方式，以扩充我们对外界环境通信和控制的能力。由于BCI潜在的巨大应用价值，目前它已迅速成为了全球科学家最热门的研究领域之一。1.2BCI的基本结构及工作原理一个完整的BCI系统基本结构主要包括：实验范式、脑信号采集、脑信号模式分析（特征提取和特征分类）、外部控制设备（如图1.1所示）[8]。首先由实验范式中所设计的精神任务或刺激呈现使被试（用户）大脑中产生相应的信号响应，利

5、用放大器从大脑头皮记录下这些脑信号并输入计算机进行处理，采用信号处理技术对记录到的脑信号进行预处理（滤波和下采样等）、特征提取和特征分类，并将分类结果通过输出接口传输给外部设备（如，假肢、轮椅和打字机等）从而实现驱动和控制外部设备的目的。BCI的基本工作原理可描述为：被试在大脑执行特定的精神任务或受到特定诱发范式刺激时，其大脑神经系统的电生理活动会发生相应的改变，这种大脑神经电生理活动的改变被称为神经生理电位。通过设计的信号处理技术从大脑信号中将其提取出来，作为大脑对特定精神任务或诱发刺激的响应模式。通过对这些大脑响应模式进行分

6、类识别，判断出引发神经电生理变化的操作意图，并结合计算机技术将大脑的思维活动转变成实际的命令信号用于驱动外部设备，从而实现在没有肌肉和外围神经参与的情况下大脑对外部环境的直接通信和控制[2，9]。1.3BCI的发展现状自从1929年德国科学家Berger第一次通过电极记录下大脑皮层电信号以来，人们便幵始不断尝试对这种电信号进行分析和研究，希望由此解读出大脑中的意图和思想。直到Vidal教授在1973年首先提出BCI的思想，为解读大脑思维意图的研究开启了新的征程。近40年来，随着认知神经科学、计算机科学和生物医学工程等领域的飞速发

7、展，BCI已成为了全球科学家的研究热点之一，其巨大的潜在价值也逐渐显现[11]。分别于1999年和2002年召开的两次BCI国际会议[9，12]从认知精神任务、信号处理技术、系统构建方法和实际应用等多个方向为BCI的研究指明了方向。2001年到2008年间在全球范围内举办的4次BCI国际竞赛更是激起了世界各大BCI科研小组的研究热情，极大地促进了BCI的研究和发展。目前，BCI研究中所釆用的脑信号形式主要包括：非植入式的脑电图(Electroencephalogram,EEG)[13，1415，16]，脑磁图（Magoencep

8、halogram,MEG)[17]，功能磁共振成像（FunctionalMagicResonanceImaging,fMRI)近红外光谱(Near-InfraredSpectroscopy,NIRS)_和植入式的脑皮层电图（Electrocorticogram,