（生物医学工程专业论文）脑机接口中想象运动分类算法的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 绍，阐述了他们的构造原理及公式推导。本文着重对支持向量机的构造过程 进行了详细描述，对构造过程中的核函数和参数选择也进行了详细地分析。 对于两个特征在输入支持向量机时的组合方式，本文提出了采用模拟人类思 考方式的人工神经网络方法，通过与普通方法的比较可以看出本文所采用的 方法其分类正确率较高。 本课题在算法研究阶段采用2 0 0 3 年国际b c i 竞赛数据，在算法验证阶 段采用本课题设计的m i e e g 软件采集的数据，对于提取的脑电特征，支持 向量机的分类正确率分别可达8 7 1 和8 2 8 ，而f i s h e r 判别函数法的分类 正确率为8 1 2 和7 6 6 。研究结果表明，对于左右手想象运动，支持向量 机的分类效果比f i s h e r 判别函数法优良。 关键词：脑机接口；想象运动；事件相关同步，去同步；f i s h e r 判别函数； 支持向量机 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a t i o na g i n ga n dt h eq u a n t i t yo ft h ed i s a b l e dg r o w i n g ，t h e c o m m o nc h a n n e lr e s p o n d e dt oe n v i r o n m e n ti ss o m e t i m e su s e l e s st ot h e m s ot h e r e s e a r c ho nb r a i ns c i e n c eh a sa t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o nt os a r i s f yt h ed e m a n d so f t h ep e o p l ew h ow a n tt oo v e r c o m et h e i rd i s a d v a n t a g e sb yt h eb r a i ns c i e n c e r e s e a r c ha n dt h er e l a t e dd o m a i n s r e c e n t l y , t 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 ) o u t s t a n d sf r o mt h eb r a i ns c i e n c er e s e a r c h e ss i n c ei ts u p p l i e sac h a n n e lb e t w e e n h u m a na n dt h ee n v i r o n m e n tw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h eu s u a lb r a i n n e r v e m u s c l ec h a n n e l s s u c he q u i p m e n tc a nh e l pt h ed i s a b l e da n dt h eo l dw h oh a v e d i f f i c u l t yi nl i m bm o v e m e n tt oo b t a i nt h ea b i l i t yt oc o m m u n i c a t ew i t ho t h e r s a g a i n r e s e a r c ho nt h eb c ib a s e do nt h ee l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ( b e q ) g e t sm u c h m o r ea t t e n t i o n si nb c ir e s e a r c h e s t h a n k st oi t sc h a r a c t e r i s t i co fs i m p l i c i t y , s a f e t ya n dn o n i n v a s i v e t h er e s e a r c hd o n ei nt h i st h e s i si st oc l a s s i f yt h ee e g w h i c hi sr e c o r d e dw h e nap e r s o ni m a g i n e st h em o v e m e n to fl e f th a n do rr i g h t h a n di na b c i o nt h eb a s eo ff o r m e rs t u d i e s ，ab c if r a m eo fl e f t r i g h th a n dm o v e m e n t i m a g i n a t i o n ( m i ) i sd e s i g n e dw i t ht h ei n t r o d u c t i o n ，r e s e a r c ha n di n n o v a t i o nt o e v e r yp a r to fab c is y s t e mi nt h i st h e s i s t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i sa r ea s f o l l o w s ： 1 ) an e we x p e r i m e n ti sd e s i g n e dt or e c o r dt h ee e ga c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n to ft h es u b j e c to nt h eb a s i so ft h ee e gr e c o r de q u i p m e n ta n dt h e f o r m e rs o f t w a r e si n t h e l a b o r a t o r y a n dt h e nas o f t w a r en a m e dm i e e gi s d e v i s e du s i n gv c + + 6 0t om e e tt h e r e q u i r e m e n t s o ft h e e x p e r i m e n t t h e s o f t w a r em i e e g d e s i g n e dc a nb eu s e da sap a r to ft h es d u n dw h i c hi s a l s oa s o f t w a r ed e s i g n e di nm yl a b o r a t o r yb e f o r e b e s i d e si tc a na l s ob eu s e da sa n i n d e p e n d e n te e gr e c o r d i n gs o f t w a r et or e c o r de e gd u r i n gt h em i t h i s s o f t w a r ec a nb ee x t e n d e de a s i l yf o rm o r er e s e a r c hi nt h ef u t u r e i 山东大学硕士学位论文 2 ) t h ep o s i t i o nu s e dt or e c o r de e g i sc o n f i r m e db yr e f e r e n c eo ft h eb r a i n f u n c t i o ns u b a r e a sa n db yc h o o s i n gs u i t a b l ee l e c t r o d ea n dl e a d - m o d e a f t e r f i l t e r i n gt h er e c o r d e de e gd a t ai nf r e q u e n c yd o m a i n ，t h es e n s i t i v eb a n df o rm i i ss e l e c t e d t h e nh a n d l i n go fn o r m a l i z a t i o no nt h ed a t ai su s e dt om i n i m i z et h e e r r o r t h es e n s i t i v et i m eb a n df o rm ii nt i m ed o m a i ni sa l s os e l e c t e di nw h i c h t h ee e gf e a t u r e sa r ee x t r a c t e da n dq u a n t i z e d t h ef e a t u r eu s e di nt h i st h e s i si s e v e n t - r e l a t e d s y n c h r o n i z a t i o n d e s y n c h r o n i z a t i o n ( e r d e r s ) w h i c hi s s e n s i t i v et oi m a g e r ym o v e m e n t t w of e a t u r ev a l u e si n c l u d i n gt h ee f f e c t i v ef i e l d ma n dt h es p a c ec o m p l e x i t yqa r eq u a n t i z e df o rt h ee r d e r s t og e tah i g h a c c u r a c y , t h es u b t r a c t i o ni sh a n d l e do nt h eq u a n t i z e df e a t u r e sq t om a k ei tm o r e f o v o r a b l ef o rc l a s s i f i c a t i o n 3 ) t w oc l a s s i f i e r sc o n t a i n i n gf i s h e rl i n e a rd i s c r i m i n a t i o n f u n c t i o na n d s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) a r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h e i rc o n s t r u c t i o n p r i n c i p l e sa n df o r m u l ad e r i v a t i o n sa r ea l s oe x p l a i n e d t h em a i nt a s ki nt h i ss t e p f o c u so nh o wt oc o n s t r u c tt h es v m ，s e l e c tt h ec o r ef u n c t i o na n dt h ep a r a m e t e r s w h e nt h et w of e a t u r e sa r ei n p u tt ot h es v m ，a r t i f i c i a ln e r v en e t w o r ki s p r e s e n t e di nt h i st h e s i st os i m u l a t et h eh u m a nt h o u g h t sa n dah i g h e ra c c u r a c yi s a c h i e v e d t h ed a t a s e to f2 0 0 3i n t e r n a t i o n a lb c ic o m p e t i t i o na r eu s e df o rr e s e a r c h p u r p o s e ，a n dd a t a s e tr e c o r d e db ym i e e g a r ea d o p t e df o rt e s t i n gt h ea l g o r i t h m t h ec l a s s i f i c a t i o na c c u r a c yu s i n gs v mo nf e a t u r e se x t r a c t e df r o me e gc a n r e a c h8 7 1 a n d8 2 2 w h i l eu s i n gf i s h e rl i n e a rd i s c r i m i n a t i o nf u n c t i o nc a n r e a c h81 2 a n d7 6 6 t h er e s u l t ss h o wt h a ts v mp e r f o r m sb e t t e rt h a nf i s h e r l i n e a rd i s c r i m i n a t i o nf u n c t i o nd u r i n gl e f t r i g h th a n dm o t o ri m a g e r yt a s k k e yw o r d s ：b c i ；m o t o ri m a g e r yt a s k ；e r d e r s ；f i s h e r d i s c r i m i n a t i o n f u n c t i o n ；s v m 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己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：銎。捱照 e t 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 、 论文作者签名：孤箍遢导师签名：越日期：刊 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 人，一直被认为是万物之灵，区别于其他的动物的特点就是人的思想。 正因为有了思想，人类社会才能不断的进步，人才能当之无愧地称为万物之 灵。人类的思想促进了人类社会的进步，人类社会的进步又反过来促使人对 自己的思想产生了好奇，即产生了对人类大脑的研究这既包括对大脑生理 方面的研究，也包括对大脑功能方面的研究，以及更为细化的对大脑精细分 区的研究，甚至产生了人为控制或利用大脑的愿望。 早在十八世纪，意大利医生和生物学家佛洛恩斯( f l o u r e n s ) 、德国医 生加尔( g a l l ) 等就通过对脑的直接的生理学上的观察和实验各自提出了关 于大脑功能与生理结构的不同理论。后来的诸多学者及医生也都对脑的功能 定位等方面提出各种不同的意见或假设。但前期的这所有的研究都基于对人 类大脑的解剖，即需要将大脑暴露在研究人员面前。直到1 8 7 5 年英国的 r c a n t o n 在动物脑中记录出电活动。1 9 2 4 年，j e n a 大学的h a n s b e r g e r 首先 发现了人脑电活动，并于1 9 2 9 年首次记录大脑电活动并将之命名为 e l e c t r o e n k e p h a l o g r a m m ( e e g ) ，从此开始了人类对于大脑研究的新篇章。 另一方面自从1 9 4 6 年第一台电子计算机e n i a c 出现以来，随着计算机 的迅猛发展，有的科研工作者就从脑电信号的计算机研究及应用角度出发对 脑电信号进行研究。从而诞生了一个全新的，多学科交叉的科研领域：脑机 接口( b r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，b c i ) 。脑机接口的研究，对于研究者有较 高的要求，一方面要求对大脑的生理有一定的了解，另一方面要求对机械、 电学等学科也要有所研究。 对于脑机接口，在1 9 9 9 年的第一届b c i 国际会议上，就做出了如下定 义；“脑一计算机接口是能够使人不依赖周围神经系统和肌肉，而与外界通信 或进行控制的设备。”换句话说，b c i 就是使用户能够仅仅通过思想就可以与 外界进行交互的设备。 要实现一种脑机接口，首先，大脑活动必须能够被监测，即必须有某种 1 山东大学硕士学位论文 可以被监测到的能够反映大脑活动的物理量；其次，该物理量必须是能够被 提取并可以处理的；最后，为了能够应用到实际中，处理后的信号必须能够 被用来控制其它的设备。 原则上说，伴随着大脑的活动，电、磁、化学、热等各种信号不断的产 生并都可以采集、处理，最终也都可以转化为控制信号。由于人类对电信号的 处理经验比较丰富，理论也比较完善，另外随着计算机技术的发展，对电信 号的处理也显现出明显的优势，所以现在的脑机接口大都采用脑电作为待处 理的信号。另外脑电信号也很好地满足了实现脑机接口所需的几个条件：第 一，脑电信号是由大脑活动时所产生的信号，是大脑活动的电反映，本质上 是中枢神经系统工作过程中神经和突触所产生的电信号的复杂组合。不同的 脑电信号对应着人们不同的感觉、运动状态；第二，脑电信号可以从头皮或 大脑皮层采集到，采集过程简单，无创伤，因此用脑电信号实现b c i 系统是 可行的。但需要指出的是，基于脑电的b c i 研究并非针对自发脑电信号，而 是使人产生容易被解释的脑电，b c i 识别出这种脑电后，就可以作出相应的 选择或发出相应的指令n 1 1 2 脑机接口的结构 一个完整的b c i 系统通常包括信号采集、信号处理、模式识别、控制装 置及外围设备等，如图1 。1 所示。 r 一1 信号采集控制装置 j lf 外 部 信号处理 l- i 模式识别 设 备 图1 1b c i 系统组成的结构框图 大脑产生的脑电信号一般通过脑电采集设备的电极从头皮或大脑皮层采 集，经过抗干扰、放大、a d 转换等处理转换为可以被计算机识别的信号。 在计算机内通过各种算法和程序设计进行处理和识别，转换为能够体现人的 2 山东大学硕士学位论文 真实意图的特征量。最后再利用控制装置实现对外部设备的控制，从而实现 脑电信号的应用。 使用者能否成功地操作b c i 系统还取决于以下两个方面的因素：一方面 是使用者能否控制信号的特征量：另一方面是b c i 系统能否正确地从这些特 征量中分析出使用者的意图。与此相对应的在b c i 的研究中主要包括两方面 的内容：系统的设计和数据获取及处理方法的研究乜1 。其中系统设计主要包 括：输入信号的选择、输出信号的选择和使用者的训练这方面的研究主要 用来满足第一个方面的要求，即选择一种容易被使用者控制的特征量，或者 训练使用者使其能够控制所选择的特征量。数据获取与处理方法包括：数据 采集、信号处理和分析、转换算法、人机交互等。这部分研究主要针对的是 第二方面即分析使用者的意图。 目前针对脑电信号的采集已经有比较成熟的或者说可以广泛应用的采集 设备。比如美国n e u r o s c a n 公司生产的n e u r o s c a n 系列产品、澳大利亚 c o m p u m e d i c 生产的多导睡眠检测仪( 其中包括脑电信号的监测) ，国产的中 科新拓脑电图机等。其中以美国n e u r o s c a n 系列产品做得最为出色，市场占 有率最高。在国外，包括美国心理健康研究所脑与认知实验室、| i ；l 省理工学 院脑与认知科学系等著名实验室在内有3 0 0 0 多个重点实验室用n e u r o s c a n 的 产品进行相关领域的研究。我国许多重要的实验室也都选用了n e u r o s c a n 系 统，如；中国科学院生物物理所、中国科学院心理研究所等。目前国内也有 很多科研机构或公司在进行脑电采集设备方面的研究与生产。但由于起步较 晚、技术不成熟等方面的原因，与国外产品相比显得逊色不少 虽然脑电信号理论上可以反映出大脑的活动状态，但是由于脑电信号是 非平稳的随机信号，而且通常淹没在强背景噪声中，如肌电、心电、眼电、 电极的电子噪声、工频干扰以及一些不被b c i 系统所使用的神经信号等，因 此由电极记录得到的原始脑电信号很难被直接应用于b c i 系统中，特别是当 噪声出现的频率、时间或者幅值与b c i 系统所要研究的脑电信号相似时，问 题将更加严重。所以e e g 信号分析和处理是每个b c i 系统必不可少的核心 部分，也一直是非常有吸引力但又具有相当难度的研究课题。两次b c i 会议 都将e e g 信号处理技术列为重要议题1 3 。信号处理部分现在国内外也有许 多不同的处理方法，但归结一下其实现方法大致分为时域处理方法和频域处 3 山东大学硕士学位论文 理方法，在后续章节将陆续叙述。 在本文研究的b c i 系统中，模式识别技术主要应用于分类，用于区分不 同脑电模式下的脑电信号。控制装置属于b c i 的后续应用，主要通过前面已 经处理、分类得出的信号来设计控制电路或程序来实现对外围设备的驱动， 从而达到人类利用脑电信号的目的。 为了提高系统性能，有些b c i 系统还设置了反馈环节。反馈环节不仅能 为使用者操作b c i 系统提供指示，而且还能帮助使用者根据反馈信息来训练 脑电信号。然而，重复的失败可能导致实验者挫折及精神状态的改变，再者， 反馈本身也是视觉的，可能会引起e e g 活动的混乱。因此是否需要反馈目前 还存在争议。在反馈下，最好的反馈方法( 离散、连续、更有趣味的视觉反馈 等) 也还有待进一步的探索。 在b c i 系统的各个环节中，信号处理环节和模式识别环节是每个b c i 系统 的核心部分，其功能是将输入的脑电信号转换为能够按照人的本来意愿控制 外界装置的输出信号。 1 3 脑机接口的发展 脑机接口技术自从被提出来以后就获得了迅速发展，近几年发展趋势尤 为良好。2 0 0 4 年，美国罗得岛州医院专家为全身瘫痪的2 5 岁美国马萨诸塞 州男子马修纳格尔的大脑中植入了一个电极传感芯片，从而使马修成为第 一个用思想开电视玩电脑的“仿生人”2 0 0 6 年5 月2 4 日日本国际电气通 信基础技术研究所( a t r ) 和日本本田研究所联合研制了一种以核磁共振成像 仪为主体的，能够用机械手代替玩者的双手，做成石头、布和剪刀形状的“脑 机接口”。2 0 0 6 年1 2 月1 7 日据英国科学促进会主办的“阿尔法伽利略”科 学新闻网站目前报道，瑞典吕勒奥大学研究人员发明的这种轮椅，特别适用 于不能直接操纵轮椅的严重伤残者。他们可以利用头部动作向感应器发出指 令，如“继续直行”、“向左转”等，并通过电脑程序来控制轮椅运动。诸 如此类的报道在新闻媒体及科技报道中频频出现。 下面从国外b c i 研究的思路和国内b c i 研究的现状介绍一下脑机接口的 发展。 4 山东大学硕士学位论文 t 3 1 国外b c l 研究的思路 现在国外有很多研究所和科研机构在从事b c i 的研究，比较著名的研究 机构包括美国纽约大学的w a d s w o r t h 研究中心、美国c o l o r a d o 州立大学 a n d e r s o n 领导的研究小组、加拿大的n e i ls q u i r e 基金会、美国 w r i g h t p a t t e r s o n 空军基地m i d d e n d o r f 领导的研究小组、奥地利g r a z 科技大 学的b c i 研究小组和德国的n b i r b a u m e r 实验室等 对b c i 研究的首要问题就是脑电信号的选择。如前文介绍，现在的b c i 系统主要是通过解释人脑所产生的较容易区分的脑电来实现的，因此下面就 以各研究机构在研究b c i 时采用的不同脑电信号及其获得方法为主要内容介 绍一下国外的发展。 1 p 3 0 0 诱发电位 p 3 0 0 电位是事件相关电位( e v e n t r e l a t e dp o t e n t i a l ，e r p ) 的一种，其峰 值大约出现在相关事件发生后的3 0 0 m s 。理论研究表明，相关事件出现的概 率越小，所引起的p 3 0 0 电位越显著皤。用矩阵中的元素表示各备选目标，当这 些元素以不同的频率闪烁时，就可以刺激人的视觉，从而产生p 3 0 0 电位。 1 9 8 8 年i l l i n o i s 大学的f a r e w e l l 和d o n c h i n 利用p 3 0 0 设计了虚拟打字机1 字符以6 * 6 矩阵方式排列在计算机屏幕上，矩阵中的行或列以随机顺序被加 亮。加亮的行或列如果包含操作者想输入的字符就引起p 3 0 0 。求出引起p 3 0 0 最大的行和列，处于该行和列交点上的字符就是要打印的字符，系统的平均 通讯速度为2 3 字符分钟。2 0 0 0 年，d o n c h i n 等人，对上述打字机进行改进， 在w i n d o w s 9 5 下设计了新的虚拟打字机，准确率为8 0 时，平均通讯速度提 高到7 8 字符分对于以p 3 0 0 为输入信号的b c i ，其优点是使用者无须通 过训练就可产生p 3 0 0 。但其缺点是长时间的刺激容易使受试者产生视觉疲 劳，从而影响识别结果。 2 视觉诱发电位 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 式的处理，可以使人在注视不同选项时产生不同的脑电信号”1 。 s u t t e r 在1 9 9 2 年实现了名为脑反映界面的实时b c i 系统n 3 。通过让使用者 注视显示器上伪随机红绿交替的8 * 8 符号矩阵，将采集到的脑电与事先记录 山东大学硕士学位论文 的模板相比较，从而确定出使用者所注视的目标比较直接地得到注视目标 的方法是跟踪人的视线，但这种方法要求保持头部不动，在实际应用中难以 做到。 美国空军研究室的a c t ( a l t e r n a t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g y ) 计划是利用稳态 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 s v e p ) 来设计b c i t t o 。 对s s v e p 的使用有两种方法，其一，通过用1 3 2 5 h z 正弦调制的白色荧光刺 激产生s s v e p ，受试者通过训练学习控制s s v e p 的幅度，从而1 ) 控制模拟飞 行器向右或向左转；2 ) 控制功能性电刺激的开关及电流幅度，训练瘫痪肢体； 3 ) 选择与任务相对应的开关。而第二种方法不需要训练，通过识别不同频率 的s s v e p 来实现相应的控制。屏幕上有2 个按钮，以不同频率闪烁，受试者注 视要选择的按钮时，s s v e p 中相应频率成分的幅度就会增加，通过检测可以 确定出受试者的选择。 3 事件相关同步去同步 奥地利g r a z 科技大学的p f u r t s c h e l l e r 等人从1 9 9 1 年起，进行了一系列基于 事件相关同步去同步的b c i 系统研究，并实现了g r a zi 和g r a z i i 两个具有代 表性的b c i 系统。研究表明，单边的肢体运动和想象运动都会在大脑对侧产 生事件相关去同步( 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 ) 电位，而在大 脑同侧产生事件相关同步( 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 ) 电位。在 g r a zi 中“”，实验者做实际的左右手运动，其识别率最高可达8 6 。而在 g r a z i i 系统中“”，实验者做想象的左右手运动，其识别率也达到了7 0 以上 4 自主控制脑电信号 这种思路建立在操作性条件反射基础上，认为人可以通过生物反馈来学 习控制脑电信号的某些成分。这种b c i 一般都是通过自主控制脑电信号的a 节 律或者“节律的幅度来实现的。 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u 节律幅度来 控制光标移动的可能性“3 。”。 5 皮层慢电位 皮层慢电位( s c p ) 是产生于皮层的电位交化，持续时间为几百毫秒到 几秒，能反映皮质i 层和层的兴奋性，健康人和瘫痪病人通过反馈训练学 习，可以使s c p 幅度产生正向或负向的偏移“”。 6 山东大学硕士学位论文 德国n b i r b a u m e r 实验室的t t d ( t h o u g h tt r a n s l a t i o nd e v i c e ) 系统即是利 用头皮电极记录的s c p 为肌萎缩性侧索硬化症( a m y o t r o p h i cl a t e r a ls c l e r o s i s ， a l s ) 瘫痪病人设计的。病人通过反馈训练学习控制s c p 幅度，使s c p 产生正 向或负向偏移。当自我调控s c p 准确率大于7 5 ，就可以使用t t d 在计算机语 言支持程序中进行拼写了。具体方法是：将所有字符分两部分在屏幕上显示， 用s c p 偏移选择目标字符所在的部分，选定部分再分为两部分，再用s c p 进行 选择，依次类推，直到所要的字符单独位于屏幕的某一部分时操作结束，至 此完成一个字符的输入。利用该系统，两名完全瘫痪的病人可以自由书写单 词，从而完成与外界的交流。 6 利用跟部运动控制伍波 在1 9 6 7 年，d e w a n 就采用自主控制a 波幅度的办法发送m o r s e 电报码“”。 通过眼球的运动增大a 波幅度或阻断a 波，持续时间较长的n 波表示“一”，持 续时间较短的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 5 0 8 。 1 9 9 7 年，澳大利亚悉尼技术大学的k i r k u p 等人设计了可以表达开关量的 b c i “”，通过检测入闭眼后a 波幅度的升高来控制电子开关。该系统运算简 单，对所有的使用者都只有一个参数需要调节，使用者不需要训练。 7 改变心理作业法 人们很早就注意到，当进行不同的心理作业时，脑电信号在左右半脑是 不对称的。例如，对于语言作业，a 波在左半脑较弱而在右半脑较强，对于 空间作业则相反。这种现象称为a 波的不对称性。脑电信号的这一特征为我 们检测不同的心理作业提供了可能。 c o l o r a d o 州立大学的k e i r n 和a u n o n n 盯研究了用脑电信号区分以下五种心 理作业的可能性：休息状态、心算乘法、想象物体旋转、打信件腹稿或者想 象在黑板上书写和擦除数字。k e i r n 采用功率谱不对称比作为信号的处理方 法。在功率谱估计时，分别采用了自相关法和a r 模型。结果，自相关法的分 类正确率在8 0 9 0 之间，a r 模型的阶数超过5 阶后，正确率和自相关法差 别不大此外，k e i r n 还尝试了直接利用a r 模型的系数进行分类。 以上的介绍中，信号的分类方法并不唯一，也没有严格的界限。比如有 的研究人员将s s v e p 并入自主控制脑电信号中，而也有的人将p 3 0 0 与事件相 7 山东大学硕士学位论文 关同步去同步统一称为利用事件相关电位，这些都是允许的，并不存在冲突。 1 3 2 国内8 c i 研究的现状 由于国内b c i 方面研究工作开始不久加上优良的脑电研究设备价格比较 昂贵的限制，在我国，脑机接口方面的研究组织并不多，但也取得了一定的 成果目前已知有清华大学采用稳态视觉诱发电位实现光标运动控制和虚拟 电话拨号键盘“”，以及中南民族学院采用去同步平均技术从视觉诱发响应中 提取读字符信号和进一步实现基于模拟阅读事件相关( i r e r p ) 的脑一机接 口【2 ”。 他们的研究都是基于诱发脑电的，这种基于诱发脑电的b c i 称为非独立 b c i 。非独立b c i 的优点是：所关注的脑电活动出现在特定的时间或特定的 频率，只需对某些特征量作简单的测量( 例如峰值幅度) ，信噪比较高缺 点是需要一种固定模式的、能反复施加的刺激( 如视觉刺激) ，要求相关的感 觉形式是完整的，且完全或部分地投入到基于脑电的信息交换中，如果实验 时间过长，则有可能给实验者带来该感官上的疲劳( 如视觉疲劳) ，从而对该 类b c i 的有效性产生影响。 i 4 脑机接口研究的意义 b c i 在康复医学和控制领域具有重要的应用价值。目前对b c i 的应用主要 体现在以下几个方面： 第一，体现在它对大脑正常但有运动功能障碍的人的辅助作用。应用b c i 系统可以为那些瘫痪或严重运动障碍的入提供一种新的扩展通讯技术。很多 种神经肌肉紊乱疾病诸如肌萎缩性侧索硬化症、多硬化症、脑瘫痪和脊髓损 伤等都会阻断大脑与外界环境的信息交换及对其的控制通道。这些紊乱，阻 断或削弱脊髓和脑干中用子控制运动神经并进而产生运动的传导通路”。人 们希望通过探测和识别脑电生理活动来实现一个有别于普通情况下，不通过 人的外周神经和肌肉的通道，用来与外部世界实现沟通。严重的神经肌肉功 能丧失的患者，即所谓闭锁( l o c k e d i n ) 在轮椅和床上的病人，他们思维正 常，但生活无法自理，也不能通过普通渠道与外界进行交流。b c i 可以让这 8 山东大学硕士学位论文 些病人不经过神经肌肉系统，获得全新的交流和控制通道，即病人通过b c i 用思维控制轮椅、机械手、虚拟键盘等设备。获得与外界交流的能力，甚至 部分生活自理。另外，有的b c i 研究人员还将b c i 应用在一些医疗康复中， 比如应用于四肢麻痹患者的康复治疗中乜”。还有人将b c i 用于脑电反馈的实 验环境中，比如在改善睡眠的实验中通过加入脑电反馈技术来提高反应能力 和精神负荷能力 第二，为需要在特殊环境下作业的人群提供一种途径。b c i 的研究与特 殊环境下操作人员的精神负荷状况也有密切关系由于人类从收到某种信息 到做出反应的过程包括脑一脊髓一神经末梢一肌肉几个环节，实际的动作与大 脑发出指令之间存在时间差，尤其在紧急情况下，精神生理参数发生变化， 大脑已经做出判断但是运动系统的反应过程还未完成，容易导致事故的发生 因此，将b c i 应用于特定的环境如飞机、航天器、机动车辆驾驶等环境中， 一旦发生紧急情况，b c i 有可能自动启动应急措施，从而避免灾难的发生。 第三，b c i 的研究可以促进认知脑科学和神经电生理学研究的发展。b c i 还可为人们提供无需体力操作的新的人机交互通讯方式，适合于特殊环境下， 当不便采用传统控制方式时，用脑电控制外界设备。 此外，b c i 可为人们提供一种新的娱乐方式，不用动手，直接用“思想” 玩电子游戏会更加有趣“”。 当今，由于人们生活与工作节奏的加快，由车祸等导致肢体受伤、脑部 受损而致残者日益增多。我国现有残疾人己超过七千万，这个庞大的特殊群 体给社会、家庭带来了沉重的负担。对于这些伤、残患者而言，提高生活自 理能力，减轻家庭和社会的负担是他们最大的愿望。在此需求的推动下，b c i 的研究工作将具有更加重大的实用价值。 1 5 主要工作与各章节的安排 从以上的讨论中我们可以看出，脑机接口的发展是很有理论和现实意义 的。现在国外的发展已经远远领先于国内，而且有的方面已经开始进行应用 领域的研究。虽然目前国内b c i 方面的研究也如雨后春笋般不断地兴起，但 目前还主要集中在各大高校和科研机构，力量比较单薄，还处于初级阶段， 其很多功能还很不完善，脑功能也没有得到充分地挖掘。本文在目前已有的 9 山东大学硕士学位论文 科研成果基础上，从b c i 各个不同的构成部分上进行了相应的研究。 ( 1 ) 通过设计相应的实验，确定了脑电波的采集方式，通过编程，建立 了适合本文实验的脑电采集软件平台。 ( 2 ) 对采集到的脑电波进行相应的前期处理，使其更有利于特征的提取。 ( 3 ) 对预处理过的信号进行特征提取，提取合适的特征以利于后期分类。 ( 4 ) 对提取的特征经过处理以提高分类准确率，同时通过使用新型的分 类器。以提高分类的速度和精度。 全文的主要内容和结构安排如下： 第一章对b c i 做简单的介绍。通过对b c i 的定义、历史和现状的讨论， 探讨在我国发展b c i 课题研究的理论和现实意义，并对b c i 的基本框架进行 了简单的分析，使读者对b c i 框架有个大体的认识。最后对本文所作的主要 工作做了简要地介绍 第二章从生理学的角度，对大脑的构造，脑电产生的机制、原理作了介 绍。并从工程学的角度考虑了脑电信号的特征及分类。最后对脑电图作了简 单介绍本章是基础章节，为后续章节对脑电的各项操作提供了理论支持。 第三章详细讲述b c i 对b c i 的分类、脑电信号采集的已有方式、导 联选择等进行了详细地讲述。最后对作者自己编写的脑电采集程序进行了简 单介绍。该章所作的工作为后续各章的算法验证提供了脑电数据来源。 第四章通过选择合适的脑电特征，对特征进行适当的量化，提取出适用 于分类需要的脑电特征值。该章中，通过对脑电信号进行功率谱分析，确定 出对想象左右手运动敏感的频段，通过频域滤波，提取出该敏感频段。然后 通过对提取频段内特征的分析，选择合适的时间段进行时域滤波，最终在选 定频段、选定时段内的脑电信号提取出特征值用于后续的分类。 第五章接续第四章的工作，对提取的脑电特征值进行分类。本文中采用 两种分类方法对想象左右手运动脑电特征值进行分类。分别介绍了f i s h e r 线 性判别式和支持向量机两类分类方法的推导及原理，并给出了各自的分类结 果。本章着重对支持向量机进行了详细的介绍，并对支持向量机的构造过程 作了详细的叙述。最后对两种分类结果进行了比较。 第六章总结和展望，对本文所做工作的进行了总结，并对以后的工作和 脑机接口未来的发展研究进行了展望 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章脑电信号 人体是一个极为复杂的有机体，人体各系统的功能虽然各不相同。但彼此 之闻并不是孤立的，都受神经系统的直接或问接的调节”人的各种复杂的 行为、思想、感情都是神经系统与其他各系统相互影响，相互作用的结果。 一方面神经系统可以自主地发出信号。促使人体作出主动的反应；另一方面 神经系统还可以对体内、体外各种环境的变化做出迅速而完善的适应性调节 神经系统的组成包括中枢神经系统和周围神经系统。中枢神经系统包括 脑和脊髓，位于颅腔和椎管内。周边神经系统包括神经干和神经节，包含所 有位于颅腔和椎管以外的神经组织乜”。 在人的所有神经系统中，大脑处于至关重要的地位世界上已有许多国 家将脑死亡作为最终判定人死亡的标准，而不是过去的心死亡，由此可见脑 在人体系统中的重要 大脑位于人的颅腔内，成人脑的平均质量约为1 4 0 0 9 ，然而就是这1 4 0 0 9 的质量，却控制着人全身的各神活动。脑之所以能够完成这么复杂的使命是 与脑内部的复杂结构分不开的，迄今为止，人类也没有能够完全破译人脑的 全部奥秘。下面我们就首先从脑的生理结构出发讲解脑电的产生机理及其可 用性。 2 1 脑电信号的产生 2 1 1 大脑的生理结构 脑的生理结构比较复杂，如前所述，脑属于中枢神经系统的部分，人 脑由5 - ? - 部分组成，即大脑、问脑、中脑、后脑( 包括桥脑、小脑) 和延髓( 末 脑) 。大脑半球又分额、颞，顶、枕四叶，由胼胝体和大脑前、后联合等相互 连结脑的具体生理结构如图2 1 所示。 在图2 。1 中需要特别注意的就是大脑皮层。大脑的表层部分叫大脑皮层， 大脑皮层是大脑信息处理的中枢( 大脑皮层上的负责记忆功能的沟和回的概 念早已为大多数人所熟悉) ，人的不同感觉和运动也都对应于大脑皮层的不 1 1 山东大学硕士学位论文 同区域可以说，大脑皮层是大脑的灵魂，是人的复杂活动的根源。大脑皮 层之所以具有如此复杂的功能是因为大脑皮层具有约1 4 0 亿神经细胞，如此庞 大数量的神经细胞相互之问有着千丝万缕的联系，正是这种联系成就了大脑 无比复杂的功能。 2 1 2 大脑的功能分区 图2 1 大精生理结构圈 当大脑完成某项功能的时候并不是整个大脑都参与其中的，而是相关的 一部分区域，这就引出了对大脑功能分区的研究。一直以来，神经生理学的 研究者们利用脑外科手术的机会，对患者进行局部皮层刺激，探究皮层与身 体各部位和各种生理功能的对应关系，以及通过皮层电极进行脑电图测量研 究。基于以上的研究成果，并结合现代的f m r i 和p e t 等脑功能成像技术，建 立了脑功能分区的概念，即对于身体不同部位的感觉、运动，涉及的脑皮层 部位也有所差异。脑功能分区的。小矮人”图如图2 2 所示 圈2 2 脑功能分区一。小餐a 田 山东大学硕士学位论文 2 1 3 脑电活动的根源 神经细胞能够感受刺激和传导兴奋，是构成神经系统的结构和功能的基 本单位，又称为神经元( n e u r o n ) 旺”绝大多数神经元由胞体和突起两部分 组成。突起又分为树突和轴突。一个神经元可有一个或多个树突，他们由胞 体向外伸展成树枝状分叉轴突和感觉神经元 的长树突二者统称为轴索，轴索外面包有髓鞘 或神经膜，成为神经纤维。神经元的基本结构 如图2 3 所示 很显然