（精密仪器及机械专业论文）自发脑电脑机接口技术及脑电信号识别方法研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 自发脑电脑机接口技术及脑电信号识别方法研究 摘要 脑机接口是指一种不依赖于人脑的正常输出通路的脑一机通讯系统，是一种 新的人机接口方式。它的实质为通过脑电信号推断人的想法或目的，从而实现人 机交流。脑机接口既是人类了解和提高脑功能的重要手段，又是一种全新的通讯 和控制方式，有望提高人类的生活质量。它在残疾人康复、正常人辅助控制、娱 乐、脑认知等领域有广泛的应用前景。 脑机接口包括两种类型：基于自发脑电的脑机接口和基于诱发脑电的脑机接 口。其中，基于自发脑电的脑机接口依赖于自发脑电信号。首先，人进行特定思 维活动，产生特定模式的自发脑电信号；其次，自发脑电信号借助高性能的生物 电信号采集系统进行记录，经过设计的数据处理算法把脑电特征实时地提取出 来，进而进行自动分类识别，从而实时判断出当i j 人所处的思维状态；最后，通 过计算机将判断出来的思维状态翻译成预先设定的控制命令，实现人脑对计算机 等外部设备的直接控制。本论文对自发脑电脑机接口技术及脑电信号识别方法进 行研究，首先分析和探讨了其涉及的技术，在此基础上设计了脑机接口系统；接 着对自发脑电的模式识别技术进行深入研究，提出和应用了若干模式识别方法， 并用标准竞赛数据进行初步检验；最后依据建立的实验系统，设计基于运动想象 的实验范例，用获取的实验数据对这些模式识别方法进行检验。 基于自发脑电的脑机接口主要涉及三项技术：信号产生与记录、信号模式识 别、实际应用。脑机接口属于交叉研究，涉及多个学科：神经科学、生理学、心 理学、计算机科学、康复医学等，目前对整个系统缺乏具体详细的描述，这些技 术的分析和探讨为脑机接口系统的建立、设计与研究提供了指导。基于这些技术， 设计了脑机接口系统。 在脑机接口涉及的三项技术中，信号模式识别最为重要，关系到能否将输入 正确地转换为输出。考虑本学科的研究特点和模式识别在脑机接口研究中的重要 性，本论文主要对模式识别技术进行深入研究。模式识别主要包括三个环节：特 征提取、特征选择和分类。本文的研究重点紧密围绕这三个环节，以期提高脑机 接口系统的识别精度。目前，较低的识别精度是限制脑机接口发展的一个重要因 上海交通大学博士学住论文 素。 特征提取足指从信号中提取有用信息，形成初始特征，为后续不同脑状态的 区分提供基础。本文在分析现有特征提取方法存在问题的基础上，提出了基于小 波变换系数及系数均值的特征提取、基于小波包分解系数及子带能量的特征提 取、基于小波包最优基的自适应个性化特征提取，并将提出方法与现有的基于自 回归模型系数的特征提取、基于传统时频相结合的特征提取进行比较。脑电信 号是典型的非平稳信号，小波及小波包分解可以更好地分析此类信号。此外，脑 电信号具有个体差异性，提出的各种方法中，基于小波包最优基的白适应个性化 特征提取可自动为每个使用者选择特定的最优表达，从而使每个实验者获取最佳 特征，可以更加有效地提取自发脑电信号特征。 特征选择是从众多的特征中选择一个最佳的特征子集，以期改善分类器的识 别性能。将基于自适应遗传算法的特征选择应用于脑机接口，并与现有的基于简 单遗传算法的特征选择、基于f i s h e r 距离的滤波特征选择进行比较。分类是依据 输入的特征子集，输出特征应该归属的类别。将基于概率神经网络的分类、基于 优化支持向量机模型参数的分类应用于脑机接口，并与现有的线性分类、基于经 验支持向量机的分类进行比较。由于特征选择和分类密不可分，在特征选择与分 类相结合的方法中提出了用自适应遗传算法对特征选择与支持向量机模型参数 联合优化的识别方法，该方法可以有效进行特征选择和分类。 对所研究的方法进行了理论分析之后，为检验这些方法的有效性，首先对 2 0 0 3 年脑机接口国际竞赛的标准数据进行了分析处理来初步验证，然后依据建 立的实验系统，设计实验范例，并对实验数据进行分析处理。本论文设计了基于 三种运动想象任务( 想象左手拍篮球，想象右手拍篮球，想象右脚踩刹车) 的实 验范例。以识别精度为指标，将研究的模式识别方法与其它现有的识别方法进行 比较，结果表明研究的方法能够取得更好的效果。 探讨的自发脑电脑机接口技术为其研究提供了指导。研究的模式识别方法为 其实现提供了更好的解决思路。本文所做的研究将为下一步建立基于自发脑电的 脑控机器人实用系统奠定了基础。由于实验数据的局限性，研究的模式识别方法 的鲁棒性有待进一步验证，基于自发脑电的脑机接口离实际应用还有很大的距 离。在论文的最后，对整个论文的工作和研究成果进行了总结，并提出了下一步 研究内容。 摘要 关键词：脑机接c l ，自发脑电，模式识别，小波变换，小波包变换，小波包最优 基，遗传算法，概率神经网络，支持向量机，联合优化 u i 上海交通大学博士学住论支 t e c h n o l o g yo fb r a i n c o m p u t e rl n t e r e c e b a s e do ns p o n t a n e o u se e ga n dr e s e a r c ho n r e c o g n i t i o nm e t h o d so fe e gs i g n a l a b s t r a c t a b r a i n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ( b c i ) i sac o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a td o e s n o td e p e n do nt h eb r a i n sn o r m a lo u t p u tp a t h w a y so fp e r i p h e r a lh e l v e s a n dm u s c l e s i ti sa na l t e r n a t i v ea n dan o v e li n t e f f a c eb e t w e e nh u m a na n d c o m p u t e r s t h ee s s e n c eo fa b c ii st od e d u c eh u m a nt h o u g h t so r i n t e n t i o n sv i ae l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ( e e 固s i g n a la n ds ot or e a l i z et h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh u m a na n dc o m p u t e r s ab c ii sn o to n l ya n i m p o r t a n tw a yt ou n d e r s t a n da n di m p r o v eb r a i nf u n c t i o n sb u ta l s oan o v e l c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lm o d e ab c ii se x p e c t e dt oi m p r o v et h e h u m a nl i v i n gl e v e l i th a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nm a n ya r e a ss u c h a sr e h a b i l i t a t i o nf o rd i s a b l e dp e o p l e ，a s s i s t a n tc o n t r o lf o rn o r m a lp e o p l e ， e n t e r t a i n m e n t s ，b r a i nc o g n i z a t i o n ，e t c b c i si n e l u d et w ok i n d s o n ei sb c i sb a s e do ns p o n t a n e o u se e ga n d t h eo t h e ri sb c i sb a s e do ne v o k e de e gb c i sb a s e do ns p o n t a n e o u se e g d e p e n do ns p o n t a n e o u se e gs i g n a l f i r s t l y , s p o n t a n e o u se e gs i g n a li s p r o d u c e db yh u m a ns p e c i f i ct h o u g h t s t h e n t h es p o n t a n e o u se e gi s r e c o r d e d t h r o u g h a n a c q u i s i t i o ns y s t e m o f b i o s i g n a l w i t h h i g h p e r f o r m a n c e t h e r e c o r d e de e gs i g n a l sa r ee x t r a c t e df e a t u r e so n r e a l t i m ew i t ht h ed i s i g n e dd a t ap r o c e s s i i n ga l g o r i t h m t h es i g n a li s c l a s s i f i e da u t o m a t i c a l l ya n ds oh u m a nt h o u g h ts t a t u si sd e t e r m i n e d f i n a l l y , t h et h o u g h t s t a t u si st r a n s l a t e di n t ot h e p r e d e f i n e d c o n t r o l c o m m a n d s ot h eb c ir e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh u m a nb r a i n a n dc o m p u t e r so rt h ed i r e c tc o n t r o lt oo t h e re x t e r n a ld e v i c e sw i t hh u m a n b r a i n t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e ds o m et e c h n o l o g i e sb c i sb a s e do n s p o n t a n e o u se e ga n dr e c o g n i t i o nm e t h o d so fe e gs i g n a l s f i r s t l y , s o m e t e c h n o l o g i e sw e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ab c is y s t e mw a sd e s i g n e d o nt h e s et e c h n o l o g i e s a n dt h e np a t t e r nr e c o g n i t i o nm e t h o d sa m o n gt h e s e t e c h n o l o g i e sw e r es t u d i e dd e e p l y f i n a l l y , a ne x p e r i m e n t a lp a r a d i g m b a s e do nm o t o ri m a g e r yw a s d e s i g n e da c c o r d i n g t oe s t a b l i s h e d e x p e r i m e n ts y s t e ma n dt h eo b t a i n e de x p e r i m e n td a t aw e r eu s e dt ov e r i f y t h e s ep a t t e r nr e c o g n i t i o nm e t h o d s 摘妻 b c i sb a s e do ns p o n t a n e o u se e gm a i n l yc o n s i s to ft h ef o l l o w i n gt h r e e t e c h n o l o g i e s ：s i g n a lp r o d u c i n ga n dr e c o r d i n g ，s i g n a lp a t t e r nr e c o g n i t i o n a n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h eb c ir e s e a r c hi sam u l t i d i s c i p l i n a r yf i e l d i n t e g r a t i n g r e s e a r c h e r sf r o m n e u r o s c l e n c e ，p h y s i o l o g y ，p s y c h o l o g y ， e n g i n e e r i n g ，c o m p u t e rs c i e n c e ，r e h a b i l i t a t i o n ，a n do t h e rt e c h n i c a la n d h e a l t h c a r e d i s c i p l i n e s a tp r e s e n t t h e b c is y s t e ml a c k sd e t a i l e d d e s c r i p t i o n a n ds ot h ed i s c u s s i o no fk e yt e c h n o l o g i e sw i l lp r o v i d ea g u i d et ot h ee s t a b l i s h m e n t d e s i g na n dr e s e a r c ho fb c i ss y s t e m ab c l s y s t e mw a sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h e s et e c h n o l o g i e s t h es i g n a lp a t t e r nr e c o g n i t i o ni st h em o s ti m p o r t a n to n ea m o n ga l l t e c h n o l o g i e sa n di t i sc o n c e r n e dw h e t h e rt h ei n p u tc a nb ec o r r e c t l y t r a n s l a t e di n t oo u t p u to rn o t c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fo u r d i s c i p l i n e a n dt h ei m p o r t a n c eo fp a t t e r n r e c o g n i t i o n i nb c i s ，t h e t e c h n o l o g yo fs i g n a lp a t t e r nr e c o g n i t i o nw a sr e s e a r c h e dd e e p l yi nt h i s p a p e r t h ep a t t e r nr e c o g n i t i o nm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ：t h ef e a t u r e e x t r a c t i o n 。t h ef e a t u r es e l e c t i o na n dt h ec l a 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do ns p o n t a n e o u se e g ”t h e r o b u s t n e s so ft h er e s e a r c h e dm e t h o d sn e e d st ob ev e r i f i e df u r t h e rd u et o l a c ko fm o r ee x p e r i m e n td a t a i ts h o u l db en o t e dt h a tb c i sb a s e do n v l s p o n t a n e o u se e g h a v ef a rd i s t a n c et om o v eo u to ft h el a b o r a t o r y f i n a l l y , c o n c l u s i o n so ft h ed i s s e r t a t i o nw e r ed e d u c e da n dt h ef u t u r ew o r kw a s d i s c u s s e d k e yw o r d s ：b r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c e s ( b c i ) ，s p o n t a n e o u se e g , p a t t e r n r e c o g n i t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m ( w a 3 ，w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m ( w 啊， w a v e l e tp a c k e tb e s tb a s i s ，g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) ，p r o b a b i l i s t i cn e u r a l n e t w o r k ( p n n ) ，s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ( s v m ) ，h y b r i do p t i m i z a t i o n 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：杨锑年 日期：2 矿形年f 月? 孑日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：杨释簪 指导教师签名：声星1 1 口厶 日期：工彩年f f 月昭日 日期：立卯绎t 月f 乒日 1 1 课题产生背景 第1 章绪论 只有i 5 公斤重、却由1 4 0 i l 个神经细胞组成的大脑是人体中最复杂的部分，也是宇宙中 已知的最为复杂的组织结构。人类自从诞生以来，渴望了解自我，了解大脑，从而保护脑。 创造脑。关于脑的研究，已经成为当代科学最深奥的课题，也是最难攻克的科学堡垒。美 国政府命名2 0 世纪9 0 年代为“脑的1 0 年”【l | 国际脑研究组织将2 1 世纪称为“脑的世纪“。 与脑科学的研究息息相关，德国b e r g e r 在1 9 2 9 年首次记录到人类脑电 ( f a e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，e e g ) 【3 ，”。e e g 是通过布置在头皮或颅内的电极记录f 来的脑细 胞群电活动。f l e e o 诞生以来，人们就推测利用e e g 信号进行通讯与控制，梦想“利用大脑 思维活动( 意识) 与外界进行交流”。1 9 7 3 年这个梦想得到首次尝试，美m j a c q u e sv i d a l 开 发了由e e g 控制光标做两维运动，成为脑机接口的雏形【5 l 。9 0 年代，在“人类脑计划”基金的 支持f ，同时，美国国防部处于军事目的巨资投入，使脑机接口迅速发展。同时，近些年 来，各种原因导致残疾人增多，脑机接口有望提高他们的生活自理能力、帮助他们康复及 实现与外界的交流、对环境控制等。 人们的愿望、社会的需求等构成了脑机接口的研究动机，脑研究的发展、基金支持为 其奠定了基础。脑机接口的概念自1 9 7 3 年产生以来，分别于1 9 9 9 年、2 0 0 2 年、2 0 0 5 年召开 了第一次、第二二次、第三次国际会议协”l ，丁二2 0 0 1 年，2 0 0 3 年、2 0 0 4 年成功举办了第一次、 第二次、第三次数据处理竞赛睁l o l 。世界范用内的研究小组由1 9 9 5 年的不超过6 个，到1 9 9 9 年的2 2 个，2 0 0 2 年的3 8 个，目前已经有上百个。这些信息充分显示脑机接口已经成为近年 来的研究热点。 1 2 脑机接口的基本知识 1 2 1 脑机接口定义与原理 定义：脑机接口是脑一计算机接口( b r a i n - c o m p u t e ri n t e r f a c e 。b a ) 的简称。它是指一种 不依赖于脑的正常输出通路( 外周神经和肌肉) 的脑一机通讯系统，是一种新的人机接口方 式1 3 , l l l 。b c i 的实质为通过脑信号推断人的想法或目的，从而实现人机交流i l “。 这里需要指出的是，原则上讲，伴随脑活动产生的电、磁、代谢、化学、热、机械响 应等各种信号经过采集、识别，都可以转化为控制信号，但是由丁二脑电信号具有信息量大、 时间分辨率高、设备便于携带，价格低廉等优点，为b c i 提供了实际可行性，成为目前主要 上海交通大学博士学位论文 f 黛一黑i 8 用户 0 圆咽日圆日圜 鉴于b c i 广泛的应用前景，它正日益得到更广泛的关注。世界上数十家研究组对b a 的研究思路各有不同，有以i q l 种分类方法。 ( 1 ) 依据采集脑电信号的电极位置：可分为植入式b c l 和非植入式b c i 两种。植入式 是将电极置丁二颅内，直接从大脑皮层上提取皮层脑电( e l e c t r o e o r t i c o g r a m ，e c o g ) 。这种方 法具有空间分辨率高、位置稳定性好、特异性强、信噪比高、后处理简单等优点。但技术 困难、有刨伤，会随“主动式”电极、生物材料、微加工及封装工艺、集成电路等的发展 而得到更多关注，目前主要是动物实验阶段非植入式是将电极置于头皮上来提取头皮 e e g ，鉴于它的无刨性、记录方便，是目前的研究重点。 ( 2 ) 依据信号的产生方式；可以分为基于诱发e e g 的b c i 和基于自发e e g 的b c i 两种。诱发e e g 是神经系统接受内、外界刺激所产生的自动响应。目前b c l 中使用的诱发 e e g 主要有p 3 0 0 1 1 4 - 1 6 1 和s s v e p ( s t e a d y - s t a t ev i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，稳态视觉诱发电位) 【1 7 。基丁：诱发e e g 的b c l 识别率接近1 0 0 ，研究相对比较成熟。诱发e e g 具有不需要使 用者训练、特征提取容易、准确率高、受主观冈素影响小的特点，但需要特定设备对使用 者进行视觉刺激，即需要结构化的环境。基于诱发e e g 的b c i 也可称为被动式( 不需使用 者积极主动执行思维任务) 或依赖式( 需要外界刺激) b c i ，比较适下：用f 通讯。自发e e g 是人体在自然状态下记录的基f 自发e e g 的b c i ，使用者仅仅通过“t h i n k i n g 即可实现， 不需要结构化环境。但需要使用者通过训练来产生特定模式的e e g 。相对基于诱发e e g 的 b c i ，基于白发e e g 的b c i 是一种更加自然、更加实用的人机接口方式。基丁二自发e e g 的 2 第1 章绪论 b c i 也可称为主动式( 使用者主动执行思维任务) 、非依赖式( 无需外部刺激) 或独立式b c i ， 用丁二控制比较合适。 ( 3 ) 依据系统工作方式：可以分为同步b c i 和异步b c i 。同步b c i 在特定的时间段监 控脑信号，使用者在事先编程设计的同步信号作用下进行思维任务的切换。所有的基于诱 发e e g 的b c i 均是同步b c i ，基于自发e e g 的b a 可以为同步b c l ，也可以为异步b c i 。 异步b c i 连续监控脑信号。井实时进行分析，系统仅仅在使用者有控制意图的时候破激活， 且判断使用者特定的思维状态，从而完成特定的动作，当使用者没有控制意幽时，系统不 ：作，它是一种更接近实际应用的b c f ”1 。只有基于自发e e g 的b c l 才可以为异步b c i 。 实际应用中，也可以根据使用者自身能力和应用场合选择不同类型的b c i i z 0 1 我们考虑以f 几点： 1 1 e e g 的无创性； 2 ) 试图建立利用e e g 信号对机器人运动方向进行控制的b c i 系统，而基于自发e e g 的b c i 系统更加自然、更加实用、更加适合于控制： 3 ) 同步b c i 是异步b c i 的基础，技术上类似。 因此，我们首先选择基丁二自发e e g 、同步。l ：作方式的b c l 进行研究。 1 3 基于自发脑电的脑机接口研究现状 b c i 研究涉及多个学科：神经科学、生物医学、计算机科学、康复医学等，是一个年 轻的研究领域【1 9 l 。我们简单阐述国内外的研究现状。 1 3 1 国外研究现状 ( 1 ) 德国t u b i n g e n 大学的n i d sb i r b a u m e r 、d o m h e g eg 等人证明：人经过反馈训练后 能够自我管理慢皮层电位s c p ( s l o w c o r t i c a l p o t e n t i a l ) 幅度b “j ，如 图1 - 2 所示。s c p 是持续时间在0 5 秒剑1 0 秒范围内的皮层电位慢变化，定义为e e g 中1 赫兹以下的部分瞄j 。基于s c p ，该研究组设计了思维转换设备1 r r d ( t h o u g h t t r a n s l a t i o n d e v i c e ) ，实现病人与外界的文字交流，目前正在进行网络版的研究p 驯。 ( 2 ) 美国w a d s w o r t h 研究中心的一些研究表明人能够学会控制m u 节律与b e t a 节律的 幅度 1 3 , 2 7 - 3 0 l 。m u 节律活动指8 - 1 2 h z 的e e g 的变化，并通常与e e g 中1 8 2 6 h z 的b e t a 节 律有一定联系，如图l - 3 ( a ) 所示。利用该节律完成一些应用如一维光标控制、二维光标 控制，回答一些简单的问题及从屏幕菜单中进