（生物医学工程专业论文）脑电信号控制机器人的脑计算机接口系统设计.pdf

墨兰苎兰堡圭兰竺堡查 垒呈! ! 垦垒! ! t h er e s e a r c ho fab r a i n - c o m p u t e r i n t e r f a c es y s t e m w i t har o b o tc o n t r o l l e db ye l e c t r o e n c e p h a l o g r a m a b s t r a c t w 汕t h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ep e o p l ea r e i n t e r e s t e di nt h er e s e a r c ho fh u m a nb r a i n ，m o r ea n dm o r es e c r e t sh a v eb e e nr e v e a l e d o n eo ft h em o s tv a l u a b l ef i e l d si st h eb r a i n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ( b c i ) t h et e c h n o l o g y o fb c ii sm a i n l yd e v e l o p e df o rt h ep a r a l y s i s i ti sav e r yi m p o r t a n tt e c h n o l o g yn o to n l y f o rt h e p a r a l y s i s ，b u ta l s of o ra l lt h eo t h e rp e o p l e i nt h ef u t u r e b e g i n n i n g w i t ht h ei n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p to fb c ii nt h i st h e s i s ，ie x p a t i a t et h e s i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h o fb c i f u r t h e rm o r e ，is u m m a r i z es o m ee x i s t i n gb c i s y s t e ma n dm a k es o m eal i t t l ec o m p a r i s o nw i t ht h e m i nc h a p t e rt w o ，im a k es o m e i n t r o d u c t i o no f l ep r o d u c t i o no f e e ga n dt r yt om a k es o m ec l a s s i f i c a t i o n so f e e gb a s e o ni t p r o p e r t y i nc h a p t e rt h r e e ，s h o w i n gt h ee s s e n t i a le l e m e n t so fd e v e l o p i n gab c i s y s t e m ，i n t r o d u c es o m es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o di n b c is y s t e m ，a n dr a i s ean e w p r o j e c tn a m e dr o b o tc o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e d o nb c i i nc h a p t e rf o u r , m a k eab r i e f i n t r o d u c t i o na b o u tt h ed e v e l o p m e n to fr o b o t ，a n dd e s c r i b et h eh a r d w a r ed e s i g no fa r o b o tc o n t r o l l e db ye e gt h i si sar o b o tb a s e do nm c um 6 8 h c ll e l a n dp r o v i d et h e f u n c t i o no fm o v i n ga n ds p e a k i n gf o rt h er o b o t i nc h a p t e rf i v e ，i n t r o d u c et h es o f t w a r e d e s i g nu s e d t oa c h i e v et h eg o a lo f c o n t r o l l i n gr o b o tb y e e g a tl a s t ，m a k ea s u m m a r y o f m yd e s i g n a n d g i v eap r o s p e c ta b o u tb c i r e s e a r c h t h a tw i l lb em yh o n o ri fic a n p r o v i d es o m e al i t t l ei n s p i r a t i o nt ot 1 1 er e a d e r so f m y t h e s i s w i s hi th e l p f u lt oa l lo f y o u k e yw o r d sb r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c e ( b c i ) ，e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ( e e g ) ，r o b o t ， m c u i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中所取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其它人已发表过或 撰写过的研究成果，也不包括本人为取得其它学位而使用过的材料。 与我一一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 纨_ 名 瑚争， 、| 东北大学硕士学位论文 第一章概迷 第一章概述 1 1 什么是脑一计算机接口( b c i ) 近几年来，随着科学技术的不断发展，人们对外部客观世界的研究越来越深入， 对客观规律的掌握越来越广泛。然而，人类对自身的认识却依然停留在很肤浅的 层面。作为人类思维的核心大脑，一直都是一个神秘的领域，让很多科研人 员望而却步。揭示大脑的奥秘成为新世纪人类面临的最大挑战。为此，世界各国 投入了大量的人力和财力进行专门研究，美国把九十年代最后十年定为“脑的十 年”，欧洲确定了“脑的二十年研究计划”，日本将二十一世纪视为“脑科学世纪”， 脑科学的研究热潮遍布全球。科学家们提出了“认识脑、保护脑、创造脑”三大 目标，人们相信脑科学的研究成果将为人类更好地了解自己、保护自己、防治脑 疾病和开发大脑潜能等方面做出重要的贡献，“了解大脑、认识自身”是二十一世 纪的科学面临的最大挑战。 科学研究表明，一个成年人的大脑平均重1 4 0 0 克。脑内有上千亿个神经细胞 以及超过1 0 1 4 个神经突触，是目前己知的生物体内结构和功能最复杂的组织。大 脑是人类思维活动的中枢，是接受外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思 维、发出指令、产生行为的指挥部，它掌管着人类每天的语言、思维、感觉、情 绪、运动等高级活动。人脑也是极为精巧和完善的信息处理系统，是人体外环境 信息获得、存储、处理、加工和整合的中枢。 f 是由于人脑的这种结构和功能的复杂性，对它的研究就需要从分子、细胞、 神经系统、认知行为和电生理等不同领域进行。目前世界各国对脑研究的方向也 是多种多样的。针对不同的应用，会提出不同的方法和手段。本课题主要针对人 类大脑产生的生物电信号，进行了脑计算机接口( b r a i n - c o m p u t e r i n t e r f a c e ，b c i ) 的研究。 那么何谓b c i 呢? 从字面上来理解，b c i 就是把人的大脑和计算机连接起来。 在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道，通过这个通 道，人们可以直接使用思维来控制外部设备，而不需要任何的身体动作。它是通 过对脑电的特征信号的采集、分析和处理，来实现人们所预期的功能的。严格来 讲，b c i 必须是利用脑电信号来对人体外部的装置或设备进行控制。其它的眼动信 东北大学硕士学位论文 第一章概述 讲，b c i 必须是利用脑电信号来对人体外部的装置或设备进行控制。其它的眼动信 号、肌电信号必须作为干扰信号来对待，将其剔除，而不能作为控制信号参与系 统控制。 1 2 为什么要从事b c i 的研究 毫无疑问的，对脑的研究是一项充满诱惑性的工作，同时也是充满挑战的。随 着对大脑认识的不断深入，人们必将会获得越来越多的知识和手段，用来加强人 们对自身的理解和认识，同时也可以为大家更加有效的开发和利用大脑的功能提 供有效的科学保证。那么，对于b c i 的研究，到底都有那些好处呢? 或者说，从 事这样的研究的意义到底在哪里呢? 大家都知道，世界上有很多瘫痪病人，比如肌萎缩性脊髓侧索硬化、中风病人、 脊椎神经束损伤的病人、大脑麻痹病人等等，由于控制肌肉运动的神经通路发生 障碍的病人。由于他们失去了对相关的肌肉的控制能力，就使他们产生了相应的 运动障碍1 1 】。虽然目前可以通过一些物理治疗手段来提高残存的运动功能，或者利 用功能性电刺激( f u n c t i o n a le l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ，f e s ) 系统，代替神经系统直 接控制瘫痪的肌肉【2 】。然而，这些手段都存在着很大的局限性。这些手段对病人只 能提供有限的帮助，同时又都在不同程度上要依赖一些残余的有效的肌肉运动的 功能。但是对于那些运动功能基本丧失的病人来说，却解决不了任何问题。 利用这种基于脑电信号的b c i 控制，却可以在很大程度上克服这些缺点。b c i 实际上是提供了一种全新的控制外部环境，与外界交流的方式。b c i 控制实际上是 提供了一套电子通道来取代已经损坏的神经通道。通过这种手段，可以实时的采 集和处理病人的思维脑电，通过外部的辅助设备来实现病人的需求。例如，他们 可以通过b c i 来控制计算机，开启密码锁，开启家用电器。他们还可以通过b c i 来控制自己的轮椅等。 另一方面，b c i 还可应用于军事上。在美国的空军已经研制出利用脑电信号和 身体信号进行虚拟战斗机飞行控制的技术【3 j 。同样的，这些技术还可应用于锁定目 标并对其发射武器。这在一定程度上可以解放飞行员的双手，也可以加快飞行员 进行决策的速度。 b c i 还可以用在民用上，为大众提供一种全新的娱乐方式。例如可以利用思维 东北大学硕士学位论文 第一章概述 号控制网页浏览器。这种脑电信号控制浏览互联网软件的设计正是采用了b c i 技 术，使人们可以通过思维控制来移动屏幕上的鼠标，实现对网页的浏览的。 这些可预期的应用，都显示出了b c i 的研究具有广泛的前景和深远的意义。 当然，由于脑电信号的非平稳性，不能期望基于脑电的b c l 系统达到1 0 0 的_ f 确 率。此外，脑电信号也很容易受到情绪、环境等因素的影响。比如受试者在有心 理压力的情况，可能由于紧张而降低系统效率。 基于脑电的b c i 的研究还只是刚刚起步，离实用阶段还差得很远。现有的b c i 系统大部分都处于实验阶段，没有进行大范围和长时间的测试，所以也无法预测 这些系统在实际应用中效果如何。总而言之，这种基于脑电的b c i 的应用前景， 将主要取决于人们能否找到更加有效的信号提取方法，能否找到研究所需要的特 征信号并根据信号制定相应的算法，以及能够在多大程度上提高系统的可靠性。 1 3 现存的系统 目前的基于脑电的b c i 系统的设计五花八门，针对不同的应用都有相应的研 究，从简单的用于测试脑电信号的实验接口，到复杂的供病人使用的真正的成品。 这些系统一般包括以下几个部分，即特定脑电信号的产生、记录、预处理和分类， 每一个部分都有不同的实现方法。一套完整的系统，通常都要包括相应的硬件和 软件，来完成系统所需要执行的功能。 对于b c i 应用的设计，要综合考虑很多重要的因素。其中有五点是非常重要 的： i ) 学习这个系统需要花费多长时间； 2 ) 系统执行的速度怎么样； 3 ) 用户会出现多少错误以及错误的类型是什么； 4 ) 用户对于这个系统所学到的操作知识能记忆多久，一个d , h 、7 、一天或者一 个星期之后还能记住多少； 5 ) 用户是否喜欢使用系统的这些不同的功能，他们的主观感受怎么样。 然而，目前多数的设计还不能很好的考虑到用户的感受，而是单纯从科学研 究的角度出发。这些设计基本上满足了以下这样四点要求： 东北大学硕士学位论文 第一章概述 究的角度出发。这些设计基本上满足了以下这样四点要求： 第一点，操作人员可以获得预期的执行效果：第二点，最少的技术要求，最 短的训练时f 刚；第三点，系统具有预期的可靠性；第四点，在系统的设计中进行 一些标准化设计【4 】。 目前，人们研究的b c i 系统五花八门，还很难对这些系统进行严格的分类。 通常，人们会按照所使用的脑电信号的类型，将b c l 系统分为以下几类。 1 1 视觉诱发电位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，v e p ) ： 2 ) 大脑皮层慢波电位； 3 1 事件相关电位( e v e n tr e l a t e dp o t e n t i a l ，e r p ) ： 4 ) 稳态视觉诱发电位( s t e a d y s t a t ev i s u a le v o k e d p o t e n t i a l ，s s v e p ) ： 5 ) 自主m u 律控制脑电： 6 ) 利用眼部运动控制a l p h a 波； 7 ) 改变精神活动( m e n t a lt a s k s ) 。 1 3 1 视觉诱发电位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，v e p ) 这种方式通常是在显示装置上显示多个选项，使用者注视希望选择的一项。通 过对显示方式进行处理，可以使人在注视不同选项时产生不同的脑电信号。 在上个世纪七十年代，j a c q u e s v i d a l 就发明了一套装置。这套装置使用了从大 脑的视觉皮层区域记录到的v e p 信号，来判断眼睛注视的方向，并以此来决定用 户希望控制光标移动的方向引。 e e s u t t e r 在1 9 9 2 年实现了一个叫做脑反应接口( b r a i nr e s p o n s ei n t e r f a c e b r i ) 的实时b c i 系统【7 j 。由于大脑在接受到一个简短的视觉刺激时会产生一个诱 发电位，这套系统就是在头皮的视觉皮层区域记录到这个诱发电位信号，并将这 个信号处理届用于控制选择计算机屏幕上的某一特定区域。他通过在屏幕上显示 一个8 8 的符号矩阵，在这个矩阵里面设置6 4 个字符，对这6 4 个字符进行特殊 的编码，通过不同频率的红绿色交替闪烁，形成相应的视觉刺激。由于视觉系统 在处理信息时，主要的信息都来自于视网膜中央的区域。所以当使用者注视想要 选择的符号时，就会产生相应的视觉诱发电位。而且，使用者注视的符号所产生 的视觉诱发电位要远远大于其它符号所产生的视觉诱发电位。将记录到的视觉诱 发电位信号与已存储在电脑里的6 4 个信号模板进行比较，就可以确认使用者要选 4 东北大学硕士学位论文第一章概述 输入l o 到1 2 个单词的速度，准确率高达9 0 。 m i l m e r 等人【8 】，研制了另外一种使用视觉诱发电位来判断注视方向的手段。 通过在屏幕上设置几个虚拟的按钮，并以不同的速率闪烁。这样通过纪录视觉皮 层的诱发电位，就可以判断用户选择了哪一个按钮。 这些基于视觉诱发电位来进行通讯的系统都依赖于用户对动眼方向的控制能 力。因此，不同的人对系统功能的执行效率是不完全一样的。 1 3 2 大脑皮层慢波电位( s l o wc o r t i c a lp o t e n t i a l s s c p ) 在从头皮纪录的脑电信号里面，频率最低的那些信号是大脑皮层产生的一些 电压变化很慢的信号，这些信号就是大脑皮层慢波电位( s c p ) 。研究表明，负的 大脑皮层慢波电位通常是与那些和大脑皮层活动有关的动作和功能相联系的，而 正的大脑皮层慢波电位通常和大脑皮层活动的消退有关【9 1 。 大脑皮层慢波电位的一个应用就是思想翻译器( t h o u g h tt r a n s l a t i o nd e v i c e t t d ) 1 0 l o 这是一个用于临床应用的b c i 系统，经过了大量的a l s 病人的测试。 这套系统将采集到的脑电信号进行适当的滤波和校正，从中得到所需要的大脑皮 层漫波电位，再将这些信号通过视觉信号或者声音信号反馈给使用者。针对正的 或者负的大脑皮层慢波电位，给出不同的反馈信息，这可以用来训练控制大脑皮 层慢波电位。当控制的准确率能够达到7 5 的时候，就可以转换到一个语言支持 程序( l a n g u a g es u p p o np r o g r a m ，l s p ) 【1 1 。 语言支持程序采用二分法，在屏幕上不断的将字母表迸行二分选择。使用者 可以通过控制大脑皮层慢波电位来实现对字母表的选择，直到最后选出自己期望 的字母。同时，程序也提供了后退功能，可以在出现错误选择的时候退回到上一 次选择。这个系统的准确率可以达到6 5 9 0 。 1 3 3 事件相关电位( e v e n tr e l a t e dp o t e n t i a l ，e r p ) a ) p 3 0 0 诱发电位 p 3 0 0 是事件相关电位( e v e n tr e l a t e dp o t e n t i a l ，e r p ) 的一种。当使用一些特 别的不规律出现的声音或视觉刺激，对人进行规律的刺激的时候，通常会在大脑 东北大学硕士学位论文 第一章概述 别的不规律出现的声音或视觉刺激，对人进行规律的刺激的时候，通常会在大脑 皮层的顶部产生一个正的电位，其峰值大约出现在相关事件发生后的3 0 0 m s 。相关 事件出现的概率越小，所引起的p 3 0 0 越显著。 伊利诺伊大学的f a r w e l l 和d o n c h i n 利用p 3 0 0 设计了一种虚拟打字机【1 1 。_ 个6 6 字符矩阵按行或者按列以1 0 h z 的频率闪烁。使用者在电脑莳想着某个字 符的出现，当预期的字符出现闪烁后，便会出现p 3 0 0 信号。通过对这一现象进行 适当的编码和对这个事件相关电位信号p 3 0 0 的出现时间的计算，就可以确定所选 择的字符。利用该系统，使用者平均每分钟可以选择2 3 个字符，准确率达到9 5 。 p 3 0 0 电位只对使用者心里预期的选择有明显的反应，b c i 系统可以利用这个 特点来判断使用者的意图。经过研究和试验，p 3 0 0 也可以用于环境控制。它的优 点是使用者不需要事先的训练。而且，用户在使用的过程当中，即使看其它的地 方，而不看屏幕，也不会造成误判。这是因为p 3 0 0 只在预期的事件发生的情况下 爿会出现。 踟事件相关同步去同步( e r s e r d ) 事件相关同步( e v e n tr e l a t e ds y n c h r o n i z a t i o n ，e r s ) 是指对某一特定频率的脑 电信号进行幅度增强。事件相关去同步( e v e n tr e l a t e dd e s y n c h r o n i z a t i o n ，e r d ) 是指对某一特定频率的脑电信号进行幅度衰减【1 ”。 为了测量e r d 或者e r s ，必须先计算出在相应的事件发生和之后某一特定带 宽的信号的功率。如果功率出现上升，就是e r s ，出现下降，就是e r d 。 奥地利格拉茨( g r a z ) 大学的p f u r t s c h e l l e r 等人进行了一系列基于检测e r d 的 b c i 系统的研究。p f u r t s c h e l l e r 和a r a n i b a r 在1 9 7 7 年首先对e r d 进行了量化。并 在1 9 9 3 年和1 9 9 6 年分别开发了g r a zi 1 4 】和g r a zi i ”】这两个b c i 系统。 在g r a zi 系统中，受试者面对显示器，显示器上的左侧或右侧显示一个目标， 受试者根据目标的位置准备用左手食指或右手食指去按一个开关。大约1 秒钟以 后，显示器中央出现一个十字形光标，受试者按动开关。用于分类的脑电信号取自 显示器上出现目标之后，出现光标之前，也就是受试者准备动作的阶段。信号预处 理方法采用功率谱估计，频段为5 1 5 h z ，分类法采用l y q 算法，从而预测出是 左手食指还是右手食指将要运动。十字形光标根据预测结果向左或向右移动，将预 测结果反馈给受试者。经过5 到7 次训练后，正确率为6 7 到8 6 。 g r a zi i 采用三通道双极导联，可以区分出三种动作，即左手食指、右手食指 和右脚脚趾的运动。每个通道记录1 秒钟脑电信号，每2 5 0 m s 计算一次功率谱， 东北大学硕士学位论文第一章概述 得到一个1 2 维的向量，用l v q 法进行分类，正确率也超过了8 0 。在进一步的 实验中，受试者只是想象做动作，真f 的动作并没有发生，结果分类f 确率仍然 超过了7 0 。 1 3 4 稳态视觉诱发电位( 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 ， s s v e p ) 美国空军研究室的一个a c t ( a l t e m a t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g y ) 计划的目的是利 用稳态视觉诱发电位( s s v e p ) 来设计一套b c i 系统。m i d d e n d o r f 和他的同事们 研究了用稳态视觉诱发电位来控制飞行模拟器和膝关节伸缩的b c i 系统【哺 。他们 使用一个1 3 2 5 h z 正弦调制的光刺激引发稳态视觉诱发电位。这是因为连续的幅度 可以以一种连续的方式变化，通过这种变化，就可以实现相应的控制。设定当 s s v e p 的幅度高于或低于某一设定的闽值一个特定的时间时，就可以输出相应的 控制命令。使用者学习通过控制自己的s s v e p 的幅度来控制飞行模拟器的动作。 在经过6 个小时的训练后，正确率可以达到8 0 。在控制膝关节时，设置了一系 列的阈值，使用者可以通过改变s s v e p 的幅度来控制一个功能性电刺激器，该刺 激器的输出作用在膝关节处，来控制膝关节的动作。 1 3 5 自主m u 律控制脑电 m u 律产生于感觉运动皮层，频率为8 - 1 2 h z ，几乎所有成年人的脑电中都包含 这种成分。m u 律和视觉刺激无关，只存在于清醒、放松状态，在睡眠状态消失， 它反映了一种运动松弛状态。 使用者产生强的自发脑电( e e g ) 的能力可通过生物反馈或操作训练得到加 强。根据反馈来调节e e g ，使用者可通过训练来学会控制设备。 纽约州立大学的w o l p a w 和m c f a r l a n d 等人研究了通过改变n l u 律幅度来控制 光标移动的b c i 系统【l7 o 由于m u 律可以以种连续的方式调整，所以这种控制 方式也是连续的。 在最初的研究中，光标只能做一维的移动。受试者面对屏幕，屏幕中央有一 东北大学硕士学位论文 第一章概述 个光标，屏幕的上方或下方有一个目标，受试者设法通过非运动的方式改变自己 的m u 律幅度使光标移向目标。通过合理选择闽值，可以使正确率超过8 0 。受试 者在经过这种训练后，改变的只是8 - 1 2 h z 的幅度，其它频率成分几乎没有发生变 化。 进一步，w o l p a w 研究了控制光标二维移动的可能性。电极为两通道双极导联， 分别位于左右半脑的中部。目标位于屏幕的四角。光标移动方向及步长和m u 律幅 度的关系由线性方程确定，两通道m u 律幅度之和决定光标的垂直移动，之差决定 水平移动。经6 至8 周训练后，部分受试者达到7 0 正确率。 1 3 6 利用眼部运动控制a l p h a 波 a l p h a 波产生于枕部视觉皮层区，可以反映出使用者是否处于视觉松弛状态。 早在1 9 6 7 年，e m d e w a n 就采用自主控制a l p h a 波幅度的办法发送m o r s e 电 报码i 】”。为使a l p h a 波的幅度变大，可以使眼球尽量向上翻，而睁眼注视面前的物 体或者闭眼注视前方一个想象中的点可以使a l p h a 波的幅度变小，或阻断a l p h a 波。 持续时间较长的a l p h a 波表示“一”，持续时间较短的a l p h a 波表示“”。用这种办 法发送一个字母的m o r s e 码需要3 5 到5 0 秒。 1 9 9 7 年，澳大利亚悉尼技术大学的l k i r k u p 等人也利用a l p h a 波和眼部运动 的关系实现了可表达开关量的b c i 【1 。实验表明，人在闭眼时a l p h a 波的幅度都会 升高，闭眼幅度与睁眼幅度的比最大的频率在8 h z 到1 2 h z 之间。l k i r k u p 利用两 个电极记录脑电信号，通过检测者闭眼后a l p h a 波幅度的升高，来控制电子开关。 该系统运算简单，对不同的人只有一个参数需要调节，使用者不需要训练，可靠 性高。 1 3 7 改变精神活动( m e n t a lt a s k s ) 大家都知道，不同的大脑皮层区域拥有不同的功能，有些b c i 系统就是基于 不同的精神活动( m e n t a l t a s k s ) 。这些不同的活动会激活不同的大脑皮层区域，并 产生不同的脑电频率。在b c i 系统应用中使用的精神活动包括动作想象、视觉、 算术任务等。选择精神活动的原则是他们可以产生容易检测到的脑电。同时，为 东北大学硕士学位论文 第一章概述 层! 叉：域的活动。为了产生不同的藏电模式，精神活动应该可以激活大脑不同的部 分。因此，需要了解大脑皮层不同区域的功能。比如，对于右手运动的想象应该 激活左侧运动大脑皮层，而对于左手运动的想象应该激活右侧运动大脑皮层；视 觉任务应该激活相应的大脑皮层与视觉相关的区域：算术任务应该激活额叶前部 的大脑皮层。 科罗拉多( c o l o r a d o ) 州立大学的k e i r n 和a u n o n 研究了用脑电信号区分以下 五种精神活动的可能性：休息状态，心算乘法，想象物体旋转，打信件腹稿，想象 在黑板书写和擦除数字，每次分类只针对两种精神活动【2 。k e i m 采用的信号处理 方法是功率谱不对称估计。在功率谱估计时，分别采用了自相关法和a r 模型。自 相关的识别率在8 0 9 0 之间，a r 模型的结果在超过5 阶后，正确率与自相关法 差不多。 k e i m 还尝试了直接利用a r 模型的系数进行分类，发现分类结果比利用功率 谱还要好，它表明了无需估计功率谱就可以获得高正确率的分类，这将大大节省 运算时间。 1 4 论文的工作 本课题提出了一个新的b c i 解决方案，通过对特定的脑电信号的采集和分析 处理，实现对一个自制的机器人的控制。来辅助那些神经通路出现障碍，造成肌 肉不能运动的病人( 例如瘫痪人士等) 的一些日常生活工作。 本论文完成的任务主要有这些： 大量采集脑电信号。 对脑电信号特征进行分析，从中选取系统设计所需要的特定脑电信号。 对系统进行整体硬件架构设计。 实现机器人硬件电路的设计。 实现机器入软件系统的设计 东北大学硕士学位论文 第二章脑电信号特征 第二章脑电信号特征 学习脑电信号的特征，对于b c i 的研究人员来讲会有很大的帮助。首先，可 以从中选择出携带最多信息量的信号；其次，可以针对特定的信号研究出相应的 信号处理算法。如果不了解脑电信号的一些特性，将很难研究出有效的b c i 系统。 因此，对脑电信号的基础研究就显得很有必要。 事实上，脑电信号是大量脑神经细胞电活动的一种整体表现。早在一百多年 以前，脑电活动的主要特征就都已经被了解了：一是振荡性的e e g ；二是跨皮层 的电位差；三是感觉刺激所引起的凝时诱发电位变化：四是感觉刺激所引起的背 景脑电的变化。诱发电位反映的是与刺激相关的神经组织的功能状念。比如视觉 诱发电位就反映了整个视觉通路上神经细胞的机能状况。 虽然对于单独的神经元产生的电信号与神经元的放电、递质传递等活动之间 的关系已有一些明确的研究，但是对脑电信号和诱发电位还依然无法进行比较精 确的描述。其中一个原因是脑神经细胞数量巨大且联系复杂，它们产生的总体电 位变化并不是单个神经元电位变化的简单相加；另一个原因是头骨的隔离作用使 得在头皮处仅能记录到幅度微弱、与头骨内信号相比波形已变化的信号。这些问 题都给精确的描述脑电信号带来了很大困难。 2 1 脑电信号产生机理 要了解脑电信号的产生机理，首先要对神经解剖生理有一个概括的了解。 人类的大脑可以分为端脑，小脑，脑干和丘脑四部分。端脑是脑的最高级部 位，分为左右大脑半球。大脑半球表面的灰质层，称为大脑皮质( 2 1 1 。这其中与b c i 系统联系最多的就是大脑皮质( 或皮层) 。这两个大脑半球由称为胼胝体的粗大的 神经纤维束连接。每个大脑半球又可以分为四叶：即额叶、颞叶、枕叶和顶叶。 大脑皮质是很多高级神经活动的物质基础。机体各种功能活动的最高中枢在大脑 皮质上具有定位关系，比如解决问题的功能、语言理解的功能和复杂的视觉信息 处理的功能。这些大脑皮层可以分为很多不同的区域，每个区域具有不同的功能。 1 0 ， 东北大学硕士学位论文 第二章脑电信号特征 这些区域的划分如图2 ，1 所示。对于这些不同的区域的功能的了解，对于进行b c i 的研究将有很大的帮助。 图2 1 大脑不同区域功能划分 大脑的这些不同的区域，在执行相应的功能的时候，就会产生相应的电信号， 这就是脑电信号。脑电信号是大脑半球的生物电活动，决定着大脑的节律性同步 活动。这些信号是由上百万的神经细胞产生的，这些神经细胞叫做神经元。通过 神经元的突触，每一个神经元都与成百上千个其它的神经元连接。有一些连接处 在兴奋状态，这时会产生动作电位；而有一些就处在抑制状态，这时会产生休止 电位。每一个神经元都会接受到与它连接的其它神经元发来的信号，当这些信号 的和超过了一个闽值的时候，这个神经元就会发出神经脉冲。这些脉冲的传递， 就形成了脑电信号。这种单个神经元产生的电信号是不能从头皮电极上测量到的。 但是，当很多神经元都在传递信号的时候，这些电信号混合在一起，就可以测量 到了。 对于这些信号的测量，在时间的维度上，可以获得很高的解析率。然而，在 空间的维度上，得到的分辨率却很低，这依赖于在头皮上安置的电极的数量。在 正电子x 射线层析术( p e t ) ，磁共振功能成像( f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g ，f m r i ) 等设备上，可以得到毫米级的分辨率 2 2 】。 脑电信号的特征是频率和幅度。成年人的脑电信号幅度范围通常在l o 5 0 uv 之间，频率范围在0 5 3 0 h z 之间。但是，大多数的时候，这些脑电波形都是不规 则的，没有通用的模式可以研究。 虽然大多数的脑电信号没有什么规律，但是依然有一些特征，可以作为b c i 研究的基础。通常，可以将这些脑电信号分为有节律的脑电信号和事件相关电位 东北大学硕士学位论文 第二章脑电信号特征 ( e v e n tr e l a t e dp o t e n t i a l ，e r p ) 两类。当用电极在人的头皮部位记录电位的变化 时，在不施加任何外界刺激的情况下记录到的头皮电位变化称为白发脑电信号； 而当施加某种外界刺激时，记录到的脑电信号中含有由刺激所引起的附加的电位 变化，这种电位变化就被称为诱发电位。 2 2 有节律的脑电信号 有节律的脑电信号的主要特点是自发性和非平稳性。自发性可以理解为它与 生命同在。只要人的脑组织还有生物活性，就有这种有节律的脑电存在。非平稳 性指随机信号的统计特性随时i 可不断变化。对有节律的脑电而言，其随机性、非 平稳性比较显著。 有节律的脑电反映的是大脑皮层在没有外界刺激时产生的电活动。这种电活 动都具有连续性和节律性。人类处在不同的意识状态的时候，大脑的波形会表现 出不同的节律。比如，人类处在深度睡眠状态和清醒状态的脑电信号的节律是不 同的。这些节律是受人的思维和活动影响的，通过安排一些特定的活动，可以加 强或削弱某一特定的节律的脑电信号。这种思想在b c i 的研究中很有用。 有节律的脑电信号可以按照频率范围分成不同的波段，如表2 1 所示，这些信 号分别被称作6 律波、0 律波、a 律波、e 律波、0 律波和y 律波。通常e 律波、 b 律波和v 律波会归类在一起，统称为d 律波”。 表2 1 脑电信号频率分布 频带名称频率范围 6 0 5 3 h z e 4 7 h z 8 1 3 h z 1 4 1 7 h z b1 8 3 0 h z y3 0 h z 以上 6 律波通常在婴儿清醒的状态下出现，而对于成年人，却只在深度睡眠的状 态下才会出现。因此，这个波段对于b c i 系统来说没有什么研究价值。 1 2 东北大学硕士学位论文第二章脑电信号特征 0 律波在人的幼年和童年出现的比较多。对于成年人，大部分出现在困倦或 者睡眠状态，在清醒的时候，只有很少量的e 律波会出现。 a 律波一般出现在没有睡意的时候，通常在枕骨的区域带有较高的电压。a 律波的波幅范围很大，但是对于成年人来讲，大部分都低于5 0 “v 。在闭眼的状态 下，身体比较放松，而且心情比较平静的时候，可以很容易的观察到a 律波。在 睁丌眼睛、接受到其他刺激或者开始一些精神活动的时候，a 律波会立即消失。 u 律波的频率范围在1 0 h z 左右，幅度大部分都低于5 0 “v 。尽管它的频率和 幅度都和。律波很像，但是它在生理上是完全不同于。律波的。p 律波代表了运 动的状态，是与大脑的运动皮层紧密相关的。在运动的状念或者思考或准备运动 的时候，u 律波都会消失。这对于b c i 的研究很有用。 b 律波包括任何频率范围在1 3 3 0 h z 的脑电波。其波幅一般不高于3 0uv 。通 常分布于前额及中央区。它和u 律波有些联系，也会因为运动和感觉刺激而消失。 2 3 事件相关电位 事件相关电位( e v e n tr e l a t e dp o t e n t i a l ，e r p ) 是伴随感觉、运动或认知事件 所诱发的大脑电位集合的一个总称，是中枢神经系统在感受到外在或内在刺激的 过程中产生的一种电位变化。 在一些相关的事件产生的时候，人体的感觉神经系统会接收到刺激，并由此 产生一些神经冲动。这些神经冲动会沿着一些特定的神经通路传递，最终会反映 在大脑皮层。这些神经冲动在其传递的不同阶段上，经过不同级别的组合、分析 和反应，最后传递到大脑皮层。在大脑皮层，这些神经冲动传递的信息通过一些 复杂的机制，得到综合的处理。如对刺激信息的分析，并做出判断，最后做出适 当的反应。在神经冲动传导的不同阶段上，有关的神经元结构都会产生自身的电 位活动。若在头皮或身体其它部位安放电极，上述生物电活动可以被记录下来。 这时记录到的电位就是事件相关电位。 这种事件相关电位一般都很小，通常需要在一定的时间内重复给予几百乃至 几千次刺激，然后再对采集到的脑电信号进行取平均的操作。只有这样才可以除 掉脑电信号里面的那些随机波动信号，观察到那些事件相关电位脑电信号的变化。 通常可以把事件相关电位分为两类，一类是外源性的，另一类是内源性的。 一1 3 东北大学硕士学位论文 第二章脑电信号特征 外源性的事件相关电位也称作诱发电位( e v o k e dp o t e n t i a l ，e p ) 。内源性的事件相 关电位是一种有心理因素参与的，由内在的思想活动诱发的电位，也有人将其称 之为认知电位( c o g n i t i v e p o t e n t i a l ) 。 诱发电位通常是由一些外界的物理刺激，比如视觉、听觉和触觉等感官刺激 产生的。人在从外部世界接收到这些刺激的时候，会对这些刺激进行分析、比较 和判断，然后做出相应的反应，这个过程就会产生诱发电位。通常包括视觉诱发 电位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，v e p ) ，听觉诱发电位( a u d i t o r ye v o k e dp o t e n t i a l ， a e p ) ，躯体感觉诱发电位( s o m a t o s e n s o r ye v o k e dp o t e n t i a l ，s e p ) 和运动诱发电 位( m o t o r e v o k e dp o t e n t i a l ，m e p ) 等。 视觉诱发电位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，v e p ) 是一种很典型的诱发电位，也 是一种应用很广泛的一种诱发电位。它反映了整个视觉通路的一些输出特征。根 据视觉刺激频率的不同又可以将视觉诱发电位分为瞬态视觉诱发电位和稳态视觉 诱发电位。稳态与瞬态视觉诱发电位的区别仅在于视觉刺激频率的差别。这些刺 激都是物理性的刺激。 内源性的事件相关电位主要是通过人的主观意识的参与来实现的。在测量内 源性的事件相关电位时需要受试者保持清醒状态并主动参与，这样得到的脑电信 号中包含了受试者的思维与决策的过程，它反应了认知过程中大脑的神经电生理 改变。 也就是说需要由被测试的人通过自己的一些主观的想象来引发内源性的事件 相关电位。比如通过对身体动作的想象或者对于一些敏感事物的设定等，可以产 生一些特定的脑电信号，这种脑电信号就属于内源性的事件相关电位。其中最著 名的，应用最广泛的内源性的事件相关电位就是p 3 0 0 电位。 p 3 0 0 电位是反映大脑高级认知过程的内源性成分，它不受刺激的物理特性的 影响，可以将认知心理过程通过脑电信号表达出来。通过在心里预先设定一个感 兴趣的事件目标，作为兴奋产生的刺激焦点。当设定的这个事件发生并被感受到 的时候，就会在大脑皮层测到相应的兴奋脉冲。这个脉冲通常出现在事件发生的 3 0 0 m s 之后，所以被称作p 3 0 0 。这是一种心理反应的过程，而不是外界的物理刺 激，所以p 3 0 0 电位是一种内源性的事件相关电位。 对于内源性的事件相关电位和外源性的事件相关电位可以做一些对比，以明 确它们之间的异同之处1 2 3 。 首先它们都是和某些事件相关联的，但是刺激信号是不同的。对于外源性的 事件相关电位，即诱发电位，其刺激源是机械的、单一的物理刺激，反应属于被 一1 4 东北大学硕士学位论文第二章脑电信号特征 动性的。而对于内源性的事件相关电位，刺激源是一组事件，刺激信号的出现是 随机的，被测试者需要对这些事件做出主动的反应，并做出判断，这个过程是出 内在心理决定的。 其次，外源性的事件相关电位的潜伏期很短，在刺激出现的几毫秒到几十毫 秒之内就会出现。而内源性的事件相关电位的潜伏期很长，一般都会在相关事件 发生的1 0 0 毫秒甚至数百毫秒后才会出现。比如p 3 0 0 就是在事件发生的3 0 0 毫秒 后才1 出现的。 最后，电位产生的心理基础不同。外源性的事件相关电位反映的是神经系统 对物理刺激的反应。内源性的事件相关电位与刺激的物理参数无关，它反映了一 种心理认知的过程。 1 5 东北大学硕士学位论文第三章脑电信号控制机器人的b c i 系统的分析与整体设计 第三章脑电信号控制机器人的b c i 系统的 分析与整体设计 通过上一章对于e r p 的特点的分析，可以了解到，由于特定的相关事件所造 成的e r p 诱发电位具有特定的模式。因此，在同一条件下可以实现e r p 诱发电位 的再现。另一方面，由于e r p 是在事件控制下出现的。并且对于特定感觉系统的 e r p 电位，在空间上以相应的皮层投影区为出现的中心，并经该区向其他区域传 播，可以提供关于不同感觉及相关大脑区域更多的信息。因此对e r p 电位进行数 值分析相对于自发节律脑电要方便的多。基于以上的原因，本设计选择了内源性 的e r p 电位作为脑电信号控制机器人的b c i 系统的脑电控制信号。 当然，节律性的脑电也有很多特征和优势，使用不同的分析方法，也可以得 到控制所需要的控制信号。实际上也有很多人在从事这方面的研究。 3 1b c i 系统中脑电信号的测量 脑电信号通常是通过在头皮表面放置一些电极来采集的。这是一种非损伤性 的方式，优点是很安全，缺点是采集到的脑电信号不是很精确，里面混杂了很多 干扰信号。这里设计的脑电信号控制机器人的b c i 系统也是通过这种方式来实现 大脑与脑电采集设备的接口的。 电极是安置在头皮上用来测量脑电信号的导体。电极的种类很多，常用的有 银管电极、针电极和粘连电极等【2 3 1 。本系统使用的是银管电极，它们实现了头皮 与脑电测量设备之间的连接功能。为了加强它们之间的连通性和导电性，需要在 电极与皮肤之间加一些生理盐水。根据研究的需要的不同，电极的数量相应的也 会有些变化。 记录电极的放置方式采用e e g 记录的头皮电极