（生物医学工程专业论文）基于脑电的想象运动分类算法研究.pdf

山东大学硕士学位论文 3 ) 脑电信号特征提取 有效地提取大脑思维活动时的特征信息是b c i 研究的关键技术之一，是 正确识别不同意识模式的基础。本论文将自适应自回归模型( a d a p t i v e a u t o r e g r e s s i v em o d e l ，a a r ) 系数与事件相关去同步( e v e n t r e l a t e d d e s y n c h r o n i z a t i o n ，e r d ) 相结合提取脑电信号的一个特征，而将基于小波变换 和s h a n n o n 熵概念的小波熵( w a v e l e te n t r o p y ) 作为另一个特征，从而实现对想 象左右手运动意识任务的脑电特征的提取。 4 ) 意识任务分类器设计 分类器的设计是b c i 系统中的另一十分重要的环节，分类器的性能将直 接影响b c i 系统的性能。本文采用了f i s h e r 线性判别、人工神经网络和支持 向量机( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，s v m ) 几种分类方法。其中，支持向量机以统 计学习理论为基础，它不仅要求最优分类面将两类样本无错误地分开，而且 要使类间间隔最大，从而保证真实风险最小，能够较好地解决了小样本的分 类问题。经过实验的分类比较，最终分类结果表明：支持向量机的分类正确 率是最高的，能够很好的识别出想象左右手运动两种意识任务，得到理想的 分类效果。 采用本课题采集的数据，对于所提取的脑电特征，支持向量机分类的正 确识别率可达8 3 3 ，应用同样的算法对2 0 0 3 年国际b c i 竞赛中的左右手想 象运动数据进行识别时，正确率可达8 7 9 。这说明应用a a r 模型系数的 e r d e r s 、小波熵和支持向量机能够作为现在b c i 系统设计中一种可行分类 算法。 【关键词】脑一机接口；想象运动；事件相关同步去同步；小波熵；支持向 量机 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev a r i o u sk i n d so fb r a i ni l l n e s sa n di l l n e s so fn e u r a ls y s t e mm a k eb r a i n s c i e n c eb e c o m et h em o s t c h a l l e n g i n gr e s e a r c h i nt h e21 趴c e n t u r y m a n y n e u r o m u s c u l a rd i s o r d e r sc a n d i s r u p tt h ec h a n n e l st h r o u g hw h i c ht h eb r a i n c o m m u n i c a t e sw i t ha n dc o n t r o l si t se x t e r n a le n v i r o n m e n t ，w h i c hu s u a l l yd e p r i v e p a t i e n t s o ft h e i rb a s i cm o v e m e n tf u n c t i o na n dn o r m a lc o m m u n i c a t i o n 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 t 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 is 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 i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f e l e c t r i ca n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ef o u n d a t i o no fe e g p r o c e s s i n gh a sb e e n b u i l t a n dt h er e s e a r c ho fb r a i nc o m p u t e ri n t e r f a c e ( b c i ) a l s ob e c o m e sah o t i t e m i nt h er e s e a r c ho fb c i ，t h eb c is y s t e mb a s e do ne l e c t r o e n c e p h a l o g r a mg e t s m u c ha t t e n t i o nb e c a u s eo fi 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 j u r y i nt h i sp a p e r ，t h eb c is y s t e mb a s e do ni m a g i n a r ym o t o ri sr e s e a r c h e d t h e p u r p o s eo ft h i s t h e s i s i st oi n v e s t i g a t eb c is y s t e mb a s e do ns p o n t a n e o u s e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h i cs i g n a l s ，i d e n t i f yp a r t i c u l a rm e n t a lt a s k s ，a n df o r mt h e c o n t r o ld i c t a t i o n s ot h ec o m m u t a t i o nb e t w e e nt h eb r a i na n dt h ec o m p u t e rc a n b ec o m et r u ea n dt h o s ep e r s o n sw h oa r es e r i o u s l yh a n d i c a p p e dc a ng e th e l p t h i s k i n do fb c is y s t e mw o u l db eap r o m i s i n go n eb e c a u s eo ft h es i m p l es t r u c t u r e ， e a s ya n dn o n i n ju r ye e gs i g n a l s ，n os t i m u l a t i o ne q u i p m e n t ，s h o r tt r a i n i n g p r o c e s s i n g ， e t c a tt h es a m et i m e ，t h es p o n t a n e o u se l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h i c s i g n a l st h a ta r ec o l l e c t e df r o ms c a l pa r ev e r yw e a ka n dt h es i g n a l - t o n o i s eo f s i g n a l si sl o w s ot h ev a l i dm e t h o do fe l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h i cs i g n a lp r o c e s s i n g i sak e yt e c h n o l o g yi nt h er e s e a r c ho fb c i i nt h ef o u n d a t i o no ft h ep a s tw o r k ， t h i sp a p e rf o c u s e so ns o m et o p i c sd e s c r i b e da sf o l l o w i n g i i i 山东大学硕士学位论文 1 ) t h ed e s i g no fi n f o r m a t i o nc o l l e c t e d i n f o r m a t i o nc o l l e c t e dm o d e li sc r e a t e d t o c o l l e c t e dt h e e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h i cs i g n a l s 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 e e e ga c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h es u b je c to nt h eb a s i so ft h ee e gr e c o r d e q u i p m e n ta n dt h ef o r m e rs o f t w a r ei nt h el a b o r a t o r y a n dt h e nas o f t w a r ei s d e v i s e du s i n gv c + + 6 0t om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ee x p e r i m e n t 2 ) p r e p r o c e s s i n go fe e gs i g n a l s e e gs i g n a l sa r ev e r yw e a ka n da r ea l w a y si n f l u e n c e db ye y em o v e m e n t s ， b l i n k sa n dm u s c l e ，h e a r ta n dp o w e rl i n en o i s e a n ds oi ti sn e c e s s a r yt or e m o v e t h ea r t i f a c t sa n dn o i s e di ne e g i nt h i sp a p e r ，w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o na n dd i g i t a l f i l t e ra r ea p p l i e dt or e m o v et h ea r t i f a c t s t h ee x c e l l e n tr e s u l th a sb e e na c h i e v e d 3 ) f a c t u r ee x t r a c t i o no ft h ee e gs i g n a l s i nb c is y s t e m ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt of i n dam e a n i n g f u le e gs i g n a lf e a t u r e t h a tc o n t a i n st h er e m a r k a b l ei n f o r m a t i o no fd i f i r e r e n tm e n t a la c t i o n s t h e a d a p t i v e a u t o r e g r e s s i v e m o d e lc o m b i n e dw i t ht h ee v e n t r e l a t e d d e s y n c h r o n i z a t i o ni su s e di no u rr e s e a r c ht oo b t a i no n ef e a t u r e t h ew a v e l e t e n t r o p yi st r e a t e da st h eo t h e rf e a t u r ei no u ra p p r o a c h s ot h ef e a t u r ee x t r a c t i o n o fe e g s i g n a l si sc o m p l e t e d 4 ) d e s i g no ft h em e n t a lt a s k sc l a s s i f i e r i ti s n e c e s s a r yf o r ab c is y s t e mt od e s i g nac l a s s i f i e rw i t ha ne x c e l l e n t p e r f o r m a n c e f o rt h i sp u r p o s e ，d i f f e r e n ta p p r o a c h e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di n d e t a i l r e c e n ta d v a n c e si nm a c h i n el e a r n i n gr e s e a r c hh a v ep o i n t e do u tt h e a d v a n t a g e d o f s u p p o r t v e c t o r m a c h i n e ( s v m ) o v e r o t h e rc l a s s i f i c a t i o n t e c h n i q u e s s o l i dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n s ，g o o dg e n e r a l i z a t i o nc a p a b i l i t i e sa n d e a s yp a r a m e t e r su p d a t i n ga r ea m o n gt h em o s ta p p e a l i n gq u a l i t i e so fs v mf o r b c ia p p l i c a t i o n s i nt h ee x p e r i m e n t ，c l a s s i f i e r sa d o p tf i s h e rd i s c r i m i n a t i o n ， r b fn e u r a ln e tw o r ka n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) s v mc l a s s i f i e r a c h i e v e st h eh i g h e s ta c c u r a c yc o m p a r i n gt h eo t h e r si nt h ec l a s s i f i c a t i o nr e s u l t s 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 di n o u re x p e r i m e n ta r ea d o p t e df o rt e s t i n gt h e i v 山东大学硕士学位论文 a 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 i lf e a t u r e se x t r a c t e df r o m e e gc a nr e a c h8 7 9 a n d8 3 3 t h er e s u l t ss h o wt h a te r d e r s ，w a v e l e t e n t r o p ya n ds v m c a nb eu s e da sac l a s s i f i e ri nb c is y s t e m 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 ；w a v e l e te n t r o p y ；s v m v 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已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：盍煮氢照 日期：垫旦呈篁，坦 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：主燃师签名： 日期： 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 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 ) 等就通过对大脑生理学上直接地观察和实验分别提出了关于大脑功 能与生理结构的不同理论。后来的诸多学者、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。但这前期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l8 7 5 年，英国的r c a n t o n 在 动物脑中记录出电活动，l9 2 4 年j e n a 大学的h a n sb e r g e r 首先发现了人脑的 电活动，并于19 2 9 年首次记录了大脑的电活动并将其命名为 e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ( e e g ) ，从此人类开始了对于大脑研究的新篇章。 另一方面自从l9 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：脑一 机接i ：l ( b r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c g ，b c i ) 。对于脑一机接口，在19 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【l 2 】。 脑一机接口的研究，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。要想实 现这样一种接口，必须满足两个条件：一是必须有一种能够反映人脑不同状 态的信号；二是这种信号必须能够实时或短时被采集，而且能对该信号进行 识别和分类。 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，所以现在的脑一机接口大都采用脑电信号 作为待处理的信号。脑电信号是由大脑产生的电活动，它本质上是中枢神经 山东大学硕士学位论文 系统工作过程中神经和突触所产生的电噪声。当人们进行不同的感觉、运动 时，产生的脑电信号也是不同的。另外脑电信号也很好地满足了实现脑一机 接口所需的条件：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【3j 。 1 2 脑一机接口系统 b c i 技术形成于2 0 世纪7 0 年代，是一种涉及脑科学、信号处理、模式 识别、计算机科学等众多学科的综合性交叉科学。人们一般认为b c i 是基于 e e g 的一种人机接口技术，是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直 接交流和控制通道，通过这种通道，大脑能够与外界进行信息交换与控制， 人就可以直接通过大脑来表达想法或操纵设备，而不需要语言或动作【4 】。需 要指出的是，基于脑电的b c i 并非试图解释自发脑电，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，就可以做出不同的选择或发出不同的 指令【5 1 。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。 大脑 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一- 1 i i 外 部 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，转换为能够体现人真 2 山东大学硕士学位论文 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，在b c i 的研究中主要包括两方面 的内容：b c i 系统的设计和数据获取与处理方法的研究【6 】。其中b c i 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 的就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 e 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、麻省理工学 院脑与认知科学系等著名实验室在内有30 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，而且通常湮没在强背景噪声中，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。 模式识别技术在本文研究的b c i 系统中的应用主要是信号分类，用于区 分不同模式下的脑电信号。控制装置属于b c i 的后续研究，主要通过前面已 3 山东大学硕士学位论文 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，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精神状态的改变，而且反馈本身也 是视觉的，可能会引起e e g 活动的混乱。是否需要反馈目前还存在争议。在 反馈下，更好的反馈方法还有待作进一步的探索。 1 2 1 国外基于脑电的b c i 研究思路 国际上b c i 研究近年有较大发展，19 9 5 年仅有6 个知名的b c i 研究小组， 目前已发展到上百个。目前b c i 原型系统的应用主要集中在作为残疾人行为 障碍的弥补术，主要有五种研究方向： 1 ) 利用视觉诱发电位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l v e p ) s u t t e r 在19 9 2 年实现了名为脑反映界面的实时b c i 系统【7 】。使用者可利用 该系统操作字处理软件，在显示装置上有多个选项排列，使用者注视预选择 的一项。通过对显示方式进行控制，可以使人在注视不同选项时产生不同的 脑电信号。一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 求头部保持不动，实际应用中难以做到。 2 ) 利用事件相关电位( e v e n tr e l a t e dp o t e n t i a l e r p ) 利用p 3 0 0 电位 p 30 0 电位是事件相关电位( 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，其峰 值大约出现在相关事件发生后的3 0 0 m s 。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【8 1 。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。19 8 8 年i l l i n o i s 大学的f a r e w e l la n dd o n c h i n 利用p 3 0 0 设计了虚拟打字机【9 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 4 山东大学硕士学位论文 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 分钟【10 1 。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。 利用事件相关去同步( 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 ) 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19 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 1 1 1 ，并实现了g r a zi 和g r a zi 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 zi i 系统 中【12 1 ，实验者作想象的左右手运动，其识别率也达到了7 0 以上。 3 ) 自主控制脑电 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。 自主控制m u 节律幅度 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m u 节律幅度来 控制光标移动的可能性 1 3 , 1 4 l 。 自主控制稳态视觉诱发电位幅度 w r i g h t p a t e r s o n 空军基地的m c m i l l a n 和c a l h o u n 研究了用此方法控制飞 行模拟的b c i 系统【15 1 ，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。 4 ) 利用眼部运动控制a l p h a 波 19 6 7 年，d e w a n 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【16 1 。 通过眼球运动可以增大a l p h a 波幅度或阻断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6 9 9 。用这种办法发送一个字母的m o r s e 码需要3 5 5 0 秒。 l9 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 1 7 】，系统通过检测人闭眼后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。 5 山东大学硕士学位论文 5 ) 改变心理作业 当人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 l p h 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 l p h a 波的不对称性。电信号的这一特征为检测不同的心理作业 提供了可能。 c o l o r a d o ) ，h 立大学的k e i m 和a u n o n 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、想象在 黑板上书写和擦除数字【1 8 】。k e i r n 采用的信号处理方法是功率谱不对称比， 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，当a r 模型阶数超过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。 1 2 2 国内基于脑电的b c i 研究发展 国内b c i 方面研究工作开始不久，由于受设备条件等因素的限制，研究 组织不多，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 1 9 1 ，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 0 】。 他们的工作均属于基于诱发脑电的非独立b c i 方案。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，只需要简单的测量 ( 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。 1 3 研究的目的和意义 在当今社会，神经肌肉障碍疾病困扰了越来越多的人。例如脑中风、脑 部或脊髓外伤、脑瘫、肌肉萎缩、多发性硬化等很多种脑部及脊髓疾病都会 损伤控制肌肉运动的神经通路或者损害肌肉本身。这类疾病最严重时将导致 6 山东大学硕士学位论文 患者完全失去对肌肉的控制能力，甚至连眼球的转动和呼吸运动都可能被完 全阻断在体内从而使患者不能以任何方式传递信息。在现代医疗手段还无法 完全治疗这些疾病的情况下，有三种方式可以选择来恢复患者向外界传递信 息的功能。第一是增强剩下通路的功能，例如通过眼球的移动来回答问题， 提出简单的要求；第二是使控制肌肉活动的神经通路绕过阻断的部分。对于 脊髓损伤的病人来说，在损伤部位以上的肌肉发出的肌电活动可以给瘫痪的 肌肉以直接的电刺激，因此可以恢复运动功能。最后一种是为大脑建立一条 新型的信息与控制通道，即利用b c i 技术来向外部世界传送信息和指令。 基于脑电的b c i 技术是脑神经科学，认知科学，康复工程，现代信息学 与计算机科学等学科共同发展的产物，实现了人脑意识信息与计算机等电子 设备间的交换，对进一步研究人的思维机理，帮助有行为障碍的人康复等都 有十分重要的作用。具体说来可以体现在以下几个方面： 1 ) 康复领域：应用b c i 系统可以为那些瘫痪或严重运动障碍的人提供 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于控制运动神经并进而 产生运动的传导通道。人们希望通过探测和识别脑电生理活动来实现一个有 别于普通情况下的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。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。 2 ) 辅助控制：在特殊环境下，为正常人提供一种新的辅助控制方式。如 在一个大型手术操作过程中，医生需要全神贯注，一丝不苟。当传统手、脚、 语音等控制方式不能完全满足控制要求时，可以用脑信号进行控制。在航空 中，飞行员在紧急情况，也可以利用思维产生的脑信号作为一种新的辅助控 7 山东大学硕士学位论文 制方式。 3 ) 监控：可以用来对长途司机、宇航员、医生等的思维集中程度进行监 控，当思维集中程度不够时及时提醒。 4 ) 娱乐：b c i 装置可为人们提供一种新的娱乐方式，例如用“思想”玩电 子游戏。可以激发人们玩游戏的情趣。 5 ) 脑认知：b c i 的研究过程，同时也是人类对自身大脑不断认识的过程， 为人类了解大脑、认识大脑以及保护大脑提供了基础。 其中第一方面是b c i 最重要的应用，更多的应用场合正在不断的探索之 中。 1 4 本文的主要研究内容 从国内外的发展来看，b c i 研究对残疾人的康复工程、人脑功能研究及 思维机理研究等有极其重要的作用。b c i 研究是科学技术发展的一个新领域， 其研究还处于初级阶段，需要解决的问题很多。脑一机接口可以分为两部分， 前端是对脑电信号的特征提取和识别，后端是实现对外围设备的通讯控制。 由此可见，特征提取与模式识别十分重要，直接关系到应用的成败。本文主 要研究前端的内容，即寻求合适的脑电信号处理方法，提取最能反映信号本 质特征的特征量，寻找分类效果理想的分类器，从而提高脑一机接口通讯的 正确率和速度，改善b c i 系统的可靠性，为最终实现脑一机接口应用奠定比 较坚实的理论和实验基础。本文工作主要从以下几个方面展开： 1 ) 建立信号采集模块：设计大脑意识任务实验，确定脑电信号的采集方 式，完成实验程序设计。 2 ) 对采集到的脑电信号进行前期预处理：采用小波变换、数字滤波等方 法去除e e g 信号中的心电、眼电、肌电等干扰信号，提高信噪比。 3 ) 研究脑电信号的特征提取方法：针对本文设计的大脑意识任务实验提 取基于小波变换和s h a n n o n 熵概念的小波熵以及基于a a r 模型系数的事件相 关去同步等特征，获取有效信息。 4 ) 系统分类器设计：寻找适合b c i 研究的分类器，提高分类的速度和 精度。 r 山东大学硕士学位论文 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大 体地介绍。 第二章从生理学的角度，介绍脑电信号的特点、性质和分类。并介绍目 前脑电信号的检测技术。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。 第三章设计想象运动实验，完成实验程序设计。并采集实验中的脑电数 据。该章所作的工作为后续各章的算法研究提供了脑电数据来源。 第四章分析研究目前的脑电信号预处理方法，并详细介绍本文在信号去 噪方面所作的工作。针对想象运动脑电信号的特点，分别采用时域和频域滤 波、小波变换等方法对信号进行去噪，针对脑电信号中普遍存在的眼电伪迹 问题，提出了自己的去除算法。 第五章对想象运动的实验数据进行特征提取。在分析前人研究中提取的 时域、频域以及时一频域脑电特征的基础上，介绍本文的特征提取方法。 第六章延续前面的工作，对提取的脑电特征进行分类。分别介绍了 f i s h e r 线性判别算法、人工神经网络和支持向量机三种分类方法的推导及原 理。通过比较分类结果，最终选择支持向量机作为本文的分类器。同时对支 持向量机的构造分类过程作了详细的叙述。 第七章对实验结果进行分析讨论。 第八章总结和展望，对本文所做工作的进行了总结，并对以后的工作和 脑一机接口未来的发展研究进行了展望。 9 山东大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章脑电信号的理论知识 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。脑电信号是一种典型的生物 电信号，包含了脑内大量的神经元活动信息，反映了大脑的功能状态，是了 解大脑功能状态的有效途径之一。在基础医学研究、临床诊断与预防中有着 广泛的应用。目前，越来越多的科技工作者开始了积极的脑的研究。 对脑的研究内容包括脑的高级活动( 如学习、记忆、理解等) 的研究、 脑的功能性障碍的研究和脑的生理性疾病的研究三个方面。大脑结构的复杂 性、神经联系的丰富性，决定了脑研究是一个内容繁杂而又困难的课题，它 涉及到神经电生理学、生理解剖学、神经化学、生物物理、生物化学、信号 处理、智能技术、医学、心理学等诸多学科。因此脑研究的手段也是丰富多 彩的，但概括来讲可分为三类： 第一类是以脑的组织解剖和神经电生理为基础的方法，这种方法通过刺 激皮层的某一区域或取掉皮层的某一部分来观察机体的运动、识别出感觉或 语言能力的相应改变，从而进行大脑皮层上的功能定位。 第二类是从研究大脑活动的物质基础着手的方法，是对维持脑的正常代 谢与功能活动的物质基础的研究。有两个主要的研究方向：一是脑的血液循 环的研究，包括脑的血液供应、脑血液的调节、影响脑血流的因素、脑功能 及脑代谢与脑血流的关系等；二是学习、记忆等高级活动的物质基础的研究， 这类研究的方法一般是在对动物进行某种特定训练后，对该动物的脑提取物 进行生化分析，与未经训练的情况进行对比，或者将影响体内生物高分子或 者神经活动的药物注入脑内，观察它们对学习、记忆活动的影响，从而研究 学习、记忆的物质基础，以及与这些活动有关的皮层区域。目前，关于记忆 活动的物质基础的研究已经深入到分子水平。 第三类是从大脑活动与状态的识别入手的方法，这类方法就是脑的电磁 信号研究的内容，利用适当的方法对脑的电磁信号进行提取、处理和分析， 1 0 山东大学硕士学位论文 然后提取一定的特征，以对大脑活动与状态进行识别。这也正是本文所要研 究的内容。 以上三种方法分别从不同的角度对大脑进行研究，第一类是在脑研究的 历史上最早采用的方法，它比较粗劣但比较直接，用它进行大脑活动的定位 具有一定的指导意义，有助于其它方法进行深入的研究。第二类方法研究大 脑活动的物质基础，是研究大脑活动机制的根本，但由于大脑活动十分复杂， 特别是脑的高级活动，往往牵涉到许多部分的参与，因此，分析大脑活动的 物质基础往往需要参考其它方法的研究结果，从脑的相应部分提取物质进行 分析。以上两种方法都是有创研究，因而往往只能在动物身上进行，所以研 究的结果与临床应用存在一定的距离。 脑电研究方法是一种无创的手段，可以直接在人体上进行，而且方便灵 活，适合于临床应用。但是，脑电信号是大脑的神经元电活动的综合反映， 身体任何系统和器官的活动和状态都或多或少与之有直接或间接的联系，因 而它携带相当丰富的信息。所以，如何从中提取所关心的信息是一个非常困 难的问题。正因为如此，脑电的研究进展一直很缓慢。近几十年来，计算机 技术的发展与信息处理方法的应用，给脑电的研究带来了新的活力，也给我 们开辟了一个广阔的研究领域。 就脑电的临床应用来说