（生物医学工程专业论文）基于脑电alpha波的脑机接口系统设计.pdf

a b s t r a c t b r a i nc o m p m e ri n t e r f a c e ( b c i ) i sad i r e c ti n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o na n d c o n t r o lc h a n n e le s t a b l i s h e db j t w e e nh u m a na n dc o m p u t e ro ro t h e re l e c t r o n i c sd e v i c e s a n di ti saw h o l l yn e wc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a td o e sn o td e p e n do nt h eb r a i n s n o r m a l o u t p u tp a t h w a y s o fp c r i p h e r a ln e e sa n dm u s c l e s aw i d ev a r i e t yo f 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 t t h ec h a n n e l s t h r o u g h w 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 ，u s u a l l yd e p r i v ep a t i e m so f t 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 o s em o s ts e v e r e l y a f f e c t e dm a yb ec o m p l e t e l yl o c k e di nt ot h e i rb o d i e s ，u n a b l et oc o m m u n i c a t ew i t h c o n v e n t i o n a la s s i s t i v ed e v i c e s a saw h o l l yn e wi n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o na n d c o n t r o lt e c h n o l o g y , e e o - b a s e db c im a yp r o v i d et h ep a r a l y z e d ，e s p e c i a l l yt h o s e “l o c k e d i n b u tw i t hi n t a c ti d e a t i o n w i t ha ne f f e c t i v ec o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l c h a n n e l sw i t ho u t s i d ew o r l d t h a t sw h yb c ii sw i n n i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ， i nt e r m so ft h ef a c tt h a ti n c r e a s ei nt h ea l p h ac o m p o n e n to fe e g d u r i n ge y e c l o s u r ee x i s t sa m o n ga tl e a s t9 0 o f p e o p l ew i t hn o r m a lb r a i nn e u r a lf u n c t i o n t h i s d i s s e r t a t i o np r e s e n t sas i m p l ea n d e a s ya l p h a w a v eb a s e db c i s y s t e m i tr e q u i r e so n l y t w oe l e c t r o d e st ob ep l a c e dt o w a r d st h er e a ro ft h eh e a df o re a c hp e r s o n ，c a l lr a p i d l y a n d h i 【g h l yr e l i a b l yc o n t r o las w i t c hn e e d l e s so f t r a i n i n ga n d i tc a nf u r t h e rb ee x t e n d e d t oo f f e rm o r e s o p h i s t i c a t e d r e a lt i m ec o n t r 0 1 f i r s t ，t h el a be y e c l o s u r eb a s e d a c t i v a t i o ns y s t e m ( e c b a s ) i se s t a b l i s h e d b y p r o v i d i n gw i t hs w i t c hs u p p r e s sm o d u l e ( s s m ) a n ds o u n df e e d b a c k au s e rc a n r a p i d l ya n dr e l i a b l ys w i t c has i n g l ei n d i c a t i n gl i g h t t e ns u b j e c t sa t t e n d e de c b a s e x p e r i m e n tb ys w i t c ha ni n d i c a t i n gl i g h tc o n t i n u o u s l y f o r5 0 t i m e s t h e y h a v e a c q u i r e dt h ea v e r a g ee r r o rr a t eo f4 a n da v e r a g es w i t c ht i m eo f 2 4s e c o n d s t h i s r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ea l p h a a m p l i t u d ev a r i e t yw i d le y eo p e na n de y ec l o s u r ec a nb c ar a p i da n dr e l i a b l ec o n t r o lf o re l e c t r o n i c ss w i t c h n e x t 。o nb a s eo fe c b a s t h e r e c y c l i n gl i g h t sc h o i c em e n u ss y s t e m ( r l c m s ) i sd e v e l o p e da n dd e s i g n e do nt h e c o m p u t e rl a b v i e wp l a t f o r m i te x t e n d sa b i l i t yo fs w i t c h i n gal i g h td u r i n ge y e c l o s u r et of o u ro p t i o n sc h o i c eb ya r e c y c l i n gl i g h tc h o i c em e n u f i v es u b j e c t sa t t e n d e d t h ee x p e r i m e n tf o rr l c m s b yc o n t i n u o u s l yc h o o s i n gd e m a n d e do p t i o n sf o r2 0t i m e s i nf o u rs e c t i o n s a i ls u b j e c t sh a v ea c q u i r e da ne r r o rr a t eo fa tl e a s t1 0 a r e ra s h o r t t e r mt r a i n i n g i ti si n d i c a t e dt h a tr l c m si se a s yt ol e a r na n do p e r a t en e e d l e s s o f e x t r ab i o f e e d b a c k t r a i n i n ga n d t h a tt h ee c b a si sr e l i a b l ee n o u g ht ob ee x t e n d e dt o f o u ro p t i o n sc o n t r o lf r o mo n l yt w o s t a t es w i t c hc o n t r 0 1 l a s t ，w i t hr l c m sa sa p r o t o t y p e ，t h em i n l c a rs y s t e mc o n t r o l l e db ya l p h a ( m s c a ) i sd e s i g n e dt or e a l i z e t e l e c o n t r o lm i n i c a rc o n t r o l b yc y c c l o s u r e a l p h a w a v e f i v e s u b j e c t s a t t e n d e d c o n t i n u o u s2 5t i m e sr a n d o mc o m m a n dc o n t r o le x p e r i m e n t ，a n dt h e yh a v ea c q u i r e d a v e r a g ec o r r e c t i o nr a t eo f9 1 2 b ys u c c e s s f u l l yr e a l i z i n gt h er e a lt i m ec o n t r o lo f o u t e rd e v i c e ，i ti sp r o v e dt h a tt h er l c m si sf e a s i b l ea n dw i t h p o t e n t i a la p p l i c a t i o n v a l u e w i t hf u r t h e r d e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e d a n dp o r t a b l e s y s t e m a n ds u i t a b l e c o n t r o lp a n e l ，t h i sa l p h aw a v eb a s e db c is y s t e mc o u l dp r o v i d et h o s el o c k e d i nb u t 、v i t hi n t a c t 血n dw i t han e wa s s i s t i v e p r o d u c l s u c ha sc o n t r o lo f aw h e e l c h a i r k e yw o r d s ：e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h y ( e e g ) ，b r a i n c o m p u t e ri n t e r f a e e ( b c i ) ， a l p h a ( a ) w a v e ，e y e - c l o s u r eb a s e d a c t i v a t i o n s y s t e m ( e c b a s ) r e c y c l i n g l i g h t sc h o i c em e n u ss y s t e m ( r l c m s ) ，m i n i c a rs y s t e mc o n t r o l l e db ya l p h a ( m s c a ) i 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本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了谢意。 学位论文作者签名；南砌签字日期：o 卯参年胆月j d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 为移 签字日期：瑚p 多年d 月日 导师签名一一万妒叶 导师签名： 勿f 矿吨，吖 签字日期切j 年己月，。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 脑一机接口( b o i ) 发展背景 通过检测电极将脑细胞电活动记录下来，以其活动电位作纵轴，时间作为横 轴形成能反映大脑不同部位神经细胞群的自发性、节律性电活动随时间变化关系 的图谱，称之为脑电图。英文全称为e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，简称为e e g i 。 1 9 2 4 年德国精神病学家h a n sb e r g e r 首次发现并记录到人脑有规律的电活动， 1 9 3 3 年b e r g e r 的研究得到了英国著名生理学家e d a d r i a n 等人的肯定，从此脑 电图得到迅速的发展，先后出现了多导联常规脑电图( 自发脑电、诱发脑电) 、 睡眠脑电图、动态脑电图、视频脑电图等检测方法。 在那以后的7 0 年里，脑电图主要用于临床上神经失调的诊断估价和实验室 里脑功能的研究，也有几项研究讨论了它在治疗学上的意义。在此期间，人们也 曾考虑它是否有第四种功能：即从中解读人的思想和意图，使得人们在与别人交 流或者控制设备的时候直接通过脑活动的方式进行。不需要通常的外周神经和肌 肉通道。这种想法常常出现在科幻小说和科幻电影里。然而基于e e g 的对外信息 交流在近三年之前一直未受到严肃关注，存在以下至少两方面的原因：2 j 。 首先，由于e e g 记录了大脑不同部位神经细胞群的电活动，即应表现出大脑 各部位的功能活动。所以理论上，人的思维意识活动也应该在脑电中反映出来， 但是要通过脑电来探测和识别大脑的主观意愿，却又几乎难以实现。这是因为 e e g 由大量神经元的活动电位构成，而大脑有着复杂的电生理和空间几何特征， 以及未知、多变的功能活动。如此，要想在这样一个复杂，扭曲和多变的神经细 胞群电活动环境中识别单独一条神经传导信息或控制命令是几乎不可能的，即便 是有可能，其探测信息的分辨率和可靠性也受到极大的限制。其次，基于e e g 的 对外信息交流系统要求能够对e e g 进行实时的分析。但是直到最近，有关的技术 不仅造价昂贵，而且距实际应用相距甚远，其有限的信息交流能力也难以引起人 们太大的研究兴趣。 近年来的科技发展和社会进步已经改变了这一局面。首先，基础和临床研究 已经能够对构成e e g 的信号有了一个比较详细的认识。包括对主要的e e g 节律以 第一章绪论 及各种诱发电位，它们的位置，产生机制以及与大脑特定功能区域之间的联系已 不再模糊不清。大量的研究已经表明e e g 信号与实际或预动作电位，e e g 信号与 心理任务之间存在必然的联系 3 j 4 。这样研究者可以更好地考虑e e g 信号是否 可以用于对外信息交流和控制，以及他们怎么能被最好的使用。其次，价格便宜 的计算机硬件软件的快速持续发展支持了多通道e e g 的复杂在线分析。这场数字 革命也使人们理解这样一种事实即简单的交流能力( 如“是”或“否”，“开”或 “关”) 可以扩展服务于复杂的功能( 如进行字处理，补偿控制) 。第三，脊髓损 伤或脑瘫导致严重神经肌肉失调的残疾患者，对他们需求与潜力的社会认识的提 高使得临床、科学及商业上有兴趣进一步改善辅助交流和控制技术。 此外，电生理记录方法的发展和进步，比如使用硬脑膜外，硬脑膜下以及颅 骨内电极也为基于e e g 的对外信息交流的发展提供了进一步的选择。硬脑膜外和 硬膜下电极可以得到地形学上高分辨率的e e g 信号，颅内电极能够跟踪单个神经 元的活动 5 。进一步，最近的研究表明，选择适当皮层神经元的放电率可以描 绘出同步自发运动的神经活动细节。由于这些方法是侵入性的，所以临床上他们 使用的前提条件比通常的头皮电极要高，他们可能主要应用到那些极度瘫痪的残 疾人身上。但在另一方面，他们又比头皮电极提供更快更准确的交流和控制速率。 科学技术进步和社会发展极大的鼓励和推动了脑一机接口技术 ( b r a i n c 0 m p u t e ri n t e r f a c e ，b c i ) 的研究和发展。b c i 作为一种基于e e g 的 对外信息交流系统，通过解读人的思想分辨人的意识，实现由思想对外界的直接 交流和控制，可以为那些不能使用传统辅助设备的残疾患者提供一种新的交流方 式。 1 2b c i 定义 对b c i 的研究最早开始于上世纪7 0 年代美国国防总部看到了战斗飞行员 如果能用思维直接控制飞机将有极大的应用前景，因此对b c i 展开研究。由于当 时特定的技术限制，成功可能性很小，计划被取消了。但是当初所作的一些基础 工作却为今天这一领域的快速发展打下了基础。当今研究b ci 的主要目的是为 了帮助遭受脑瘫( c e r e b r a lp a l s y ) ，或脊柱损伤失去物理控制但思维能力尚存的 病人，使他们重新实现对外界的交流和控制。在过去的几十年里，这项研究已经 取得了巨大的进步。 b c l 是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立的一种直接的信息交流和 第一章绪论 控制通道，是一种不依赖于常规大脑输出通路( 外周神经和肌肉组织) 的全新的 信息交流系统 2 5 。一个基本的b c i 系统设计和控制如图卜1 所示，信号通 过电极从头皮或颅内获得，经过信号处理提取反映使用者意图的信号特征，这些 特征再被转化为控制设备的命令( 如一个字处理程序，操纵轮椅或神经损伤弥 补) ，只有使用者协调好信号特征与其意图之间的关系，圊时b c i 选择、提取特 征并有效准确的将之转为设备控制命令，系统才能进行有效操作。 b c i 系统 图i - ib c i 系统及其控制 b c i 的工作主要依靠两套自适应系统的相互作用，一个是使用者的大脑，它 产生并控制可以被b c i 系统检测的思维活动信息，如脑电信号；另一个是b c i 系 统，它识别思维活动的信息，并归纳为具体控制命令，从而表达使用者的意图， 实现用思想对外部设备的直接信息交流和控制。 首先，b ci 可以归属于人一机接口( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e - - h m i ) ，因 为b c i 也是介于操作者与操作设备( 计算机) 之间的一个界面或者平台，但h m i 有着更广泛的意义，从传统的工厂设备控制到康复工程中的辅助器械都属于h m i 技术的一部分。而8 cl 不同于传统意义上的h m i 不是依赖常规的大脑输出通路， 它为人的大脑开辟了一条全新的与外界进行信息交流和控制的途径。 b ci 作为一种全新的大脑输出通路，能够为思维正常但运动功能残缺的人 第一章绪论 提供一种新型的弥补功能和对外信息交流手段，但它与已有的运动功能康复手段 不同，也有别于另一些传统的残疾人辅助设备。运动功能康复手段主要有两种， 一是通过物理治疗提高残存运动功能，二是利用功能性电刺激( f u n c t i o n a l e 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肌肉；传统的 残疾人辅助设备，如语音合成器，键盘使用增强器，利用呼吸气控制的开关以及 手柄和鼠标的替代输入装置，则是利用可自主控制的肌肉替代萎缩的肌肉，增强 现有的传导通路能力。这些技术或多或少的都需要有某种形式的肌肉运动参与， 而b c i 突出的特点则是不依赖于任何外围神经和肌肉系统响应这些传统的信息 输出通路，它根据大脑思维意念或感官反映所产生的脑电信号进行工作因而是 全新意义上的康复辅助手段和大脑外界信息交流途径。 1 3b c l 的研究目的与科学意义 1 3 1 新的助残信息交流和控制手段 很多种神经肌肉紊乱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，包括肌萎缩性侧枝硬化症( 也就是a l s 或称l o ug e h r i g 氏病) 、 多硬化症、脑瘫痪和脊髓损伤，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路。a l s 可以说是b c i 诞生值得注意的一个动机。a l s 是严 重的神经肌肉疾病，它会破坏神经细胞，毁坏脑与脊髓之间的通道。运动神经元 从脑延伸到脊髓又由脊髓延伸到全身的各个肌肉，随着神经元的死亡，大脑激活 并控制肌肉运动的能力随之消失。由于资助肌肉活动被影响，a l s 病人在晚期完 全瘫痪失去活动能力；尽管如此他们的思维却并未受到影响。有一些人在他们疾 病的晚期甚至撰书描述其经历，表明他们仍保持着健康的思维状态。 在美国，每年大约新增5 0 0 0 人被诊断患有a l s ，并且病发率还在上丹。据 估计世界上任何时候大约有3 0 ，0 0 0 人在患此病，而美国将会有超过3 0 0 ，0 0 0 的人死于a l s 。由于现代技术的发展，一半的该病患者在诊断发现后能活至少3 年，大概2 0 的人能活五年以上，1 0 的人还会超过十年。有一个问题值得我 们进行一下讨论，即b c i 系统是否具有区别于现存其他弥补方法的任何优势。 v a u g h a n ，w o l p a w 和d o n c h i n 列出了恢复功能的三种方法：1 ) 增强现存通道能 力。2 ) 绕过受损伤的点，3 ) 提供给大脑一种全新的交流控制通道 6 。 第一种方法中用能够自主控制的肌肉代替瘫痪的肌肉，在由于脑干损伤瘫痪 第一章绪论 的患者中，大部分还具有眼动能力，通过监视眼电图，他们可以利用眼动来回答 问题，发出简单命令，操作一个字处理程序：严重语言障碍患者可以利用手动来 合成语音进行控制。 第二种方法即绕过神经通路上受损伤的点，恢复由这些神经控制的肌肉的功 能。脊髓损伤病人的正常肌肉的肌电可以用来直接控制瘫痪肌肉的电刺激，从而 可以恢复有用的运动。这种技术被称为功能电刺激( f u n t i o n a le l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n ，f e s ) ，已经被用来成功地恢复手抓动作，还包括让胸部脊髓损伤 病人行走 7 8 。这种方法和前一种方法依赖于还存在的某种残余的肌肉控制来 起作用，对于a l s 晚期失去了基本运动功能和控制交流能力的病人作用甚微。 第三种方法，e e g 基础上的交流代表了新的控制通道的建立，并且有潜力克 服前面两种方法提到的问题。b c i 作为一种不依赖于常规大脑输出通路( 外周神 经和肌肉组织) 的全新的信息交流系统，它的显见用途是为思维正常但运动功能 残缺的人提供一种新型的弥补功能和对外信息交流手段，其宗旨是“让思想变成 行动”，可以为a l s 病人的终身提供一种有用的控制系统。尽管早期的a l s 病人 由于替换肌肉和眼动仍可以使用，可能不需要一个b c i ，但是学习b c i 可以保证 当患者失去眼睛或肌肉运动控制时还可能保证可能的控制。 1 3 2 特殊作业与军事环境下的应用 前面提到b c i 的起源来自军事方面的需要，在n e l s o n 讨论的一个脑体激活 控制系统中( b r a i nb o d ya c t u a t e dc o n t r 0 1 ) 9 ，脑电信号与伪差信号( 眼动， 体动等) 联合创造一个信号，用来控制一个虚拟飞机飞行，空军方面希望这个脑 体激活控制能使战斗机飞行员做出更快的反映。它不是真正意义上的b c i ，但它 的确为b c i 的研究提供了广阔的前景，我们可以想象一个可以加快反映时间的系 统在军事上会有广泛的用途，比如在帮助飞行员在高加速度下控制飞机，进行空 中交通控制，军事目标定位甚至武器开火等。目前，空军对b c i 研究的主要焦点 是替换性控制技术( 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 ，a c t ) 。这一项目的目标 是使计算机使用者的手在忙于其他任务时，还可以同时和计算机进行交流。例如， 这种替换性控制使维护技师在动手操纵测试设备的同时还可以访问一个连接在 头部的显示器里的图表 1 0 。尽管空军只对这种离手的控制有特殊的兴趣，但是 这种控制可能在非军事领域引起广泛的兴趣。试着想象一下在外科手术的时候不 需要交谈和使用手，外科医生就可自如的操作。 第一章绪论 1 3 3 新的信息交流控制手段和娱乐方式 b c i 技术出现将大大扩展人们控制外界和交流信息的能力，它的出现可能是 对传统的交流控制手段的一个革命，为人们展现一种全新的传递信息手段和娱乐 方式，人们可以进行思维游戏，还可以把e e g 作为一种全新的计算机接口，不需 要点击鼠标或者其他身体动作，也不需要使用者说话，就能自如地操作计算机。 当然，要使这类系统为普通大众适用，还有待于脑电记录设备在技术上的进步( 目 前这样的设各要几千美金) 以及应用电极技术的提高。相信在未来，b c i 技术将 会给每个人的生活带来一场革命，人们将会看到一个全新的世界。 1 3 4b c l 研究的科学意义 综上，b c i 技术能够为思维正常但运动功能残缺的人提供新型的弥补功能和 对外信息交流手段，特别是对那些丧失了所有肌肉控制的瘫痪病人，使得他们能 够学习思维模式，重新获得对感觉和运动功能的控制，从而能打开电器，参与游 戏，甚至操作控制计算机阅读网页或驾驶轮椅等等，这些将会显著促进康复医学 的发展。 它的出现还将扩展人们控制外界和交流信息的能力，可以作为控制外界设备 的一种新的途径应用到军事等特殊环境下，还可阻为人们展现一种全新的娱乐方 式和传递信息方式，为传统的交流控制手段带来一场革命。 b c i 更为重要的学术意义和应用价值在于，它为大脑开拓了多种新的信息输 出渠道，有助于人们对大脑信息传递和控制模式的深入理解，也为分析脑刺激和 神经元相互作用提供了革命性的方法，这些将极大地丰富脑认知科学和神经信息 学的内容，其应用前景将是无限广阔的。 1 4 b c i 技术研究现状 现今的b c i 技术采用了各种不同的脑电特征信号来探测使用者的主观意图， 这里有头皮电极记录的脑皮层慢波，短时视觉诱发电位，稳态视觉诱发电位，p 3 0 0 电位，a 节律，m u 节律或b 节律，事件相关同步去同步电位以及从植入电极记 录道的皮层神经元活动情况，这些信号经过信号处理，特征被提取，经过算法转 换为实时控制命令，在计算机显示器或其他设备上进行连续控制( 如移动鼠标指 针) 或不连续控制( 如选择一个字母) ! j 6 。 第一章绪论 对b c i 研究目前主要集中在国外，如美国、西欧、澳大利亚等国家和地区， 国内仅清华大学开始起步研究，其它尚未有实质性研究开发结果。国际上，基于 脑电的b c i 研究也仅是b i b i j 起步，离实际应用阶段尚差很远，现有b c i 系统都处 实验阶段，受试者也多系正常人，尚未在残疾人中推广试用。作为辅助技术的应 用上，基于e e g 的信息交换目前仅对不能使用传统辅助设备的人才有实用价值， 而它的推广应用还要依赖于其速度和准确度的切实改善。目前的b c i 技术能够实 现的最大信息传递速度为每分钟5 2 5 位，而且上述b c i 系统都需要不同时间长 度的训练，其中使用生物反馈的，不是所有的试验者都可以学会利用它进行控制， 关于这部分内容详见第二章基于e e g 的b c i 研究方法。 目前为止，大多数研究者的实验对象还限于并无残疾的正常人，这样那些具 有显著神经肌肉功能丧失的患者使用基于e e g 交流系统的能力还有待进一步推 广试验，但是，考虑到这些患者具有更大的动机，且大面积的感觉皮层不再被通 常的功能所占据，这些严重瘫痪患者可能取得比实验中正常试验者更大的成功。 b c i 技术的发展还处于起步阶段，其未来的价值最终在于信息传输速率的提 高，和一系列关键问题的解决。他们包括：b c i 需要独立于正常神经肌肉交流通 道而依靠于正常大脑功能；选择信号采集和信号特征提取方法、转换算法、输出 装置和操作协议；开发使用者训练方法；注意影响使用者动机和成功的心理和行 为因素：应用对象和实验对象的选择；非肌肉交流通道上大量未知的能力和限制。 而这些都有待于神经科学和心理学基础领域的进一步发展，以及多学科之间的密 切合作。在接下来的十年里，设计个性化且实用的b c i 系统来帮助重症瘫痪病人 进行交流和装置操作是可行的，这也是认知工程的魅力和困难所在。 1 5 本课题的意义和研究内容 针对目前b c i 研究的现状，本论文设计并实验讨论了基于脑电a l p h a 波的b c i 系统，意义在于： 第一，为残疾人提供一种与外界进行交流和控制的选择，无需训练就可以快速而 可靠地控制外接机电装置运行开关，还可以扩展为多选项实时控制系统。 第二，通过设计过程，为下一步b c i 技术的深入研究，实现其它脑电信号采集和 控制方式的b c i 系统打下基础，积累了经验。 本论文的主要内容如下： 第一，实验考察1 0 个受试者闭眼后5 秒a l p h a 波的幅值变化，对a l p h a 波阻断 第一章绪论 现象的普适性进行验证和特征统计分析。 第二，搭建了实验室环境下基于闭眼a l p h a 波的开关激活系统，加入声音反 馈和开关抑制模块减少误控制，实现对单个开关的转换。通过实验，证明伴随睁 眼闭眼的a l p h a 波变化可以作为电子设备的一种快速可靠开关控制。 第三，在单个开关控制的基础上，设计基于计算机l a b v i e w 平台显示的循环 灯选择系统，利用闭眼a l p h a 波转换单个开关的功能，通过四灯循环作为指示菜 单，实现对四个目标的选择，并对系统进行了实验讨论，证明了基于闭眼a l p h a 波的开关激活系统作为扩展系统的基础，能够实现由两种状态选择控制到多个选 项的选择控制，同时系统具有可靠和易操作的特点。 第四，以循环灯选择系统为原型，设计a l p h a 波小车实时控制系统，实现通 过闭眼a l p h a 波对遥控电动小车的实时控制。5 个受试者参加了对小车的实时控 制实验，证明了利用a l p h a 波进行多选项控制设计的循环灯选择系统的可实现性 和潜在应用价值。 本文在下述几个方面具有一定的技术创新特色： 第一， 设计并搭建了基于l a b v i e w 平台的a l p h a 波开关激活系统，包括 脑电信号采集系统和信号处理平台的设计，实现对单个开关的快 速可靠转换控制。 第二，设计了基于计算机l a b v i e w 平台显示的循环灯选择系统，模拟轮 椅运动的控制过程，设计了方向选择和停止选择之间安全切换控 制模式。 第三， 开发设计了利用脑电a 波实时控制电动小车的b c i 实验装置，实 现利用a l p h a 波信号对一个遥控电动车的实时控制。 第二章基于e e g 的b c i 研究方法 2 1e e g 概述 第二章基于e e g 的b c i 研究方法 我们知道人和动物的大脑，特别是皮层细胞，存在着频繁的自发电活动，无 需任何外界刺激。从脑电极记录到的电位是对脑部大量神经元活动的反映，低至 微伏级，这种电活动的电位随时问的波动称为脑电波( e e g ) 。电极常由金或银制 成有助于提高信噪比，用圆盘电极在头皮表面记录到的脑电波形叫做皮层脑电 图，将深部电极插入脑的深部皮层下记录到的脑电波形称为深部脑电图。在电极 和头皮之间还要使用各种导电膏以尽可能减小头皮和电极间接触电阻 1 j 。 2 1 1 e e g 记录方法 电极的放置通常采用国际l o 一2 0 导联系统，如图2 - 1 所示1 1 1 ，它是基于电 极位置和大脑皮层之间的联系构造的。电极位置的表示由数字和字母两部分构 成，字母在前数字在后。偶数表示的电极在右半球，奇数表示电极位于左半球的， 而奇偶数前的字母代表了电极所对应的大脑皮层区域。a 代表耳，c 代表中央皮 层，f p 代表额叶前部，f 代表额叶，p 代表顶部皮层，0 代表枕部，t 代表颞叶。 表2 一l 列出了l o 一2 0 系统各导联的部位、名称、代号 1 1 。另外有时候记录水平 图2 - l 国际1 0 - 2 0 脑电极放置系统。 第二章基于e e g 的b c i 研究方法 表2 - 1 国际1 0 2 0 脑电极放置系统导联部位、名称、代号 部位名称左半球中线右半球 前额f r o n t a lp o l e f p l f p 2 额f r o n t a lf 3r 侧额i n f e r i o rf r o m a l f ， f 8 额中 m i df r o n t a l f z 颞 t e m p o r a l t 3l 后颞p o s t e r i o rt e m p o r a ll t 6 中央c e n t r a l c 3c d 顶点 v e n e x c z 顶p a r i e t a l p 3p 顶中m i dp a r i e t a lp z 枕 o c c i p i t a i0 1 0 2 瓦 a u f i c u l a r a 1 a 2 地g r o u n d g 图2 - 2 扩展的国际标准1 0 ，2 0 脑电极放置系统。 和垂直眼动的眼电图( e o g ) 的电极也被放置。垂直e o g 电极放置于眼的上下部 位，水平e o g 电极放置于两眼与鼻的相邻两侧。更多的电极放置矩阵可以遵循一 个修正的可扩展的1 0 2 0 系统，如图2 - 2 所示。显然，头部电极越多意味着信号 第二章基于e e g 的b c i 研究方法 在头部的空间分辨率越高。目前，2 5 6 个电极的矩阵已经成功应用到研究中 1 ：j 。 电极数目的增加随之产生了一个问题，那就是怎么将它们和记录装置相连 接。目前存在着大量的导联方式，但是主要的分类有两种：即使用无关电极作参 考的单极导联法( m o n o p o l a rr e c o r d i n g ，u n i p o l a rl e a d ) 和不使用无关电极而 只使用活动电极的双极导联法( b i p o l a rr e c o r d i n g ) ；身体上相对零电位的点叫 做无关电极( i n d i f f e r e n te l e c t r o d e ) ，或参考电极( r e f e r e n c ee l e c t r o d e ) ； 令一方面，安置在头皮上的电极叫做活动电极( a c t i v ee l e c t r o d e ) 1 3 。 单极导联法是将活动电极放置于头皮上，无关电极取于耳垂来记录脑电图的 方法。通常活动电极连接于第一栅极，无关电极连接于第二栅极，这样产生于活 动电极的阴性电位变化将作为波形朝上阴性波被记录下来。但是要找到一个完全 不活跃的部位作为参考电极几乎是不可能的，只能取距离脑部尽可能远的身体上 的某一点作为零电位点。若选躯干或四肢为相对的零电位点，在脑电图中就会混 进波幅比脑电图大1 0 0 0 倍的心电信号，所以一般只能使用耳垂、鼻尖或乳突部 作为零电位点，参考电极部位一般选两侧耳垂。单极导联的优点在于大致记录到 活动电极下的脑电位变动的绝对值。但头皮上电极与大脑皮层表面之间存在着脑 软膜、脑脊液、硬膜、颅骨、头皮等组织，也就是电极距离皮层表面相当远，因 此由活动电极记录到的是电极下直径3 4 c m 范围电活动的总和，产生于局限性 部位的小的电位变动则可能因被其周围脑组织的电活动所掩盖而不能发现。还有 缺点就是耳垂或乳突不是绝对零电位点，易混进其他生物电位干扰。特殊的参考 电极还采用将头皮上多个活动电极各串接1 5 m 的电阻后连接起来，作为参考电 极使用，叫作平均参考电极( a v e r a g er e f e r e n c ee l e c t r o d e ) ，可弥补耳垂无关 电极的不足。 双极导联法则是不使用无关电极而将头皮上的两个活动电极分别连接于第 一栅极和第二栅极的方法。用双极导联法记录下来的是两个电极部位的脑电位变 动的差值，即由第一栅极的波幅减去第二栅极波幅。一个头皮电极能记录到的脑 电活动有两个来源，一是来自局限于电极部位的成分；二是来自脑的较广范围的 成分( 3 4 c m ) ，双极导联的两个活动电极间如果距离较近( 如3 c m ) ，来自较广 范围的成分就由两个活动电极同样被记录下来，结果这种电活动成分将互相抵消 而不出现在脑电图上，所以两电极距离应在3 6 c m 以上，而且这种记录会使广 泛分布的电位波形和幅度产生变形，这是双极导联的缺点。另一方面，较局限于 电极部位的电活动成分，由于其他成分相互抵消的结果在双极导联法要比单极导 第二章基于e e g 的b c i 研究方法 联法更突出地表现出来。双极导联法不适合记录准确的波形或电位变动的绝对 值，但适合记录局限性异常波，并可排除无关电极活动引起的误差。 另外还有一种平均基准记录法，各导联采集的信号最后要减去所有导联信号 的平均值。显然，不同导联的选择会极大的影响系统识别信号中特定事件的能力。 由于b c i 主要是处理广泛分布的信号，大多数b c i 使用单极导联。单极导联引出 的信号再经过差动放大到原始电压的1 0 ，0 0 0 到2 0 ，0 0 0 倍。对于自发脑电的采 集，采样频率一般设定在1 0 0 1 0 0 0 h z 。 2 1 2 e e l 的基本特征 一个e e g 的分析者首先要区别下列特征：波形，周期性，频率，幅值，分布， 相位，时域，持续性，反应，这些也是要被b c i 区别的一些通常特征。波形可以 是规则的，一种典型特征是正弦波状；也可以是不规则的，具有不一致的波形和 周期。临床上，脑电的感兴趣频率段在0 1 h z 到2 0 h z 左右。很多频率在正常人 的e e g 中是明显的，频段可以帮助区分e e g 中大多数正常波和异常波，所以频率 分析称为临床脑电异常波估价的一个重要标准。当电极放置于头部不同的部位 时，电位活动可能出现在大范围或小范围内，这叫做脑电波的分布。这种分布可 能集中在头部的一侧也可能是分敖的。集中活动是局限在头部一个区域上的一个 或几个电极上的电位活动。一个信号的反应则是指由各种动机导致信号在某些正 常或异常模式下发生的改变。一个典型的例子就是a 节律由于睁眼或其他警觉过 程被阻断 1 2 。 大脑中的电活动一部分是有节律性的，一部分是无节律性的。脑电图的波形 很不规则，可视为由许多节律波合成。当代脑电图学根据其频率、振幅的不同， 将正常的脑电图划分为j 波，臼波，n 波和1 5 波( 目波和j 波又称为慢波) 1 3 人的意识状态决定于哪种波占主导地位。 a 波一般见于全部头皮导联，但以枕、顶区为著。以单极导联而言，显示最 高波幅者为枕，其次为顶、额后，再次为额前，波幅最低者为颞，但也可以是顶 区波幅最高，频率约为8 1 3 h z ，振幅约为2 0 1 0 0 u v ，它是有节律性脑电波中 最明显的波。整个皮层均能产生a 波，只是在枕部最为明显，但这决不能认为a 波是皮层细胞独有的或单独活动产生的。a 波在安静闭目的时候出现，波幅可表 现为由小交大，然后又由大到小作规律性变化，形成所谓a 波的梭形，这称为调 幅现象。n 波波形通常是正弦波样，有时呈弧形或锯齿状。睁眼、思考问题时， 第二章基于e e g 的b c i 研究方法 或接受其它刺激时，a 波消失而出现快波，这一现象称为a 波的阻断，如果被测 者又安静闭目，则a 波又重新出现。 b 波在额部及颞部最明显，它是个快波，频率约为1 8 3 0 h z ，振幅约为5 2 0 u v 。b 波往往是附加在a 波上，如用外刺激抑制了n 波，则可显现b 波。如果 被测者睁眼视物，或听到突然的响声，或进行思考活动时，则在头皮其他部位也 出现b 波，所以b 波的出现般代表大脑皮质兴奋的结果。 口波主要和临睡状态下的朦胧意识和梦境出现有关，频率约为4 t h z ，振幅 约为1 0 5 0 u v 。 j 波只有在睡眠时出现，但在深部麻醉、缺氧、或大脑有器质性病变时也可 出现j 波。频率约为1 3 5 h z ，振幅约为2 0 2 0 0 u v 。 2 1 3e e g 本质问题的争论 e e g 反映了大脑组织的电活动及大脑的功能状态，脑的复杂活动反映在头皮 上的电位活动就是e e g 孰迹，所以理论上。人的意图通过脑电应该可以被探测识 别出来，b c i 的前驱j o n a t h a nw o l p a w 曾经指出“在理论上，脑的感觉，运动 及认知意识在自发e e g 中应该是