（生物医学工程专业论文）脑机接口中P300识别算法的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 基于f - s c o r e 特征选择和支持向量机的p 3 0 0 识别算法。通过f - s c o r e 方法对输入 特征进行选择，可以剔除大量冗余特征，降低输入空间维数，提高分类器的识 别精度。论文在w a d s w o r t hc e n t e r 的数据集上对此算法进行了验证。实验结果表 明，此算法仅需4 次重复实验便可达到1 0 0 的字符识别准确率。 ( 3 ) 由于f - s c o r e 方法的最优门槛选择过程比较烦琐，而门槛选择的耗时过 长势必会影响最优p 3 0 0 分类器的训练速度为了能够消除此不利影响，在不影 响识别准确率的前提下进一步提高p 3 0 0 分类器的训练速度，本文设计了一种基 于小波分解的特征提取方法。此方法借助小波分解在特征提取中的独特优势， 既可有效提取p 3 0 0 特征，简化输入空间维数，又无需烦琐的门槛选择过程。 ( 4 ) 为了提高单次实验的识别准确率，本文提出了一种基于f - s c o r e 的最优 导联选择算法。通过此方法可以有效地提取任务相关导联( 即与p 3 0 0 密切相关的 导联) ，剔除任务无关导联。实验结果表明，此方法可以将单次实验的识别准确 率提高到8 3 8 7 。 论文最后对全文进行了总结，并对下一步的研究工作进行了展望。 关键词：脑一机接口；事件相关电位；p 3 0 0 ；支持向量机 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r a i n - c o m p u t e ri n t v r f a c e0 3 c i ) i sa k i n do f h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c 跫f o rd i r e c t c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb r a i na n dc o m p u t e r so ro t h e re l e c t r i cd e v i c e s , b yw h i c h p e o p l ec 跚c o n t r o le l e c t r i cd e v i c e si n d e p e n d e n to fn o r m a lp e r i p h e r a ln e r v es y s t e m s a n dm u s c l eo u t p u tc h a n n e l s m a n ys t u d i e s n e u r o l o g ys c i e n c es h o wt h a tb r a i nc 觚p r o d u c es p e c i a l e l e c t r i c a la c d 、，i 6 髓0 , 3 0 0p o t e n t i a l s ) w h e nt h es u b j e c ti sp r e s e n t e d 谢t ht a s k - r e l e v a n t s t i m u l i t h e s ee l e c t r i c a ld “d 髂c 缸b er e c o r d e da sb r a i n 8 i g n a ：i sb y e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h a n dt h e n , w oc a ne x t r a c tu s e f u li n f o r m a t i o nf r o mt h e s e e l e c t r i c a ls i g n , sb ys p e c i a la l g o r i t h m s i nt h i sw a y , t h e t h o u g h tt h a tt h es u b j e c tw a n t s t oe x p r e s sc 锄b ei n f e r r e de a s i l y f i n a l l y , a sl o n ga st r a n s l a t i n gt h et h o u g h t si n t o d e v i c ec o n 仃o lc o m m a n d , t h ea c to f c o n t r o l l i n go t h e rd e v i c e sw i l lb er e a l i z e d h e n c e ， t h ek e yp r o b l e mo fb c is y s t e mi sh o wt ot r a n s l a t ep 3 0 0s i g n a l sr e c o r d e db y e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h i n t od e v i c ec o n u o lc o m m a n d sq u i c k l ya n d a c c u r a t e l y h o w e v e r , p 3 0 0p o t e n t i a lm a yb eh a r dt ob ed e t e c t e dw i t h i no n l yo n e ：r e p e t i t i o n , d u e t ot h ec h a r a c t e r i s t i co f v a r i a b i l i t ya n d l o ws i g n a l - t o - n o i s er a t i o s c 、，e r a lr e p v t i t i o m 批 n e e d e dt oi n f e rt h ed e s k e di n f o r m a t i o nc o r r e c t l y h e n c e ，t h ec r i t e r i o l l st o 船s e s st h e p e r f o r m a n c eo f p 3 0 0d e t e c t i o na r ea sf o l l o w s ：t h en e e d e dn u m b e ro f r e p e t i t i o n sw h e n a l lt h ei n f o r m a t i o na r ei n f e r r e dc o r r e c t l y , t h ed e t e c t i o na c c u r a c yo fs m # er e p e t i t i o n , t h et r a i n i n gs p e e do ft h eo p t i m a lp 3 0 0c l a s s i f i e ra n dt h ed e t e c t i o ns p e e do fp 3 0 0 p o t e n t i a l s s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) i san e wt e c h n i q u ef o rd a t ac l a s s i f i c a t i o na n d p a t t e r nr e c o g n i t i o n i t sb a s i ci d e ai st om a pd a t ai n t oah i g hd i m e n s i o n a ls p a c ea n d f i n das e p a r a t i n gh y p e r p l a n ew i t ht h em a x i m a lm a r g i n s u p p o r tv e c t o rm a c h i n eh a s t h eg o o dg e n e r a l i z a t i o ni ns m a l ls a m p l e s ，n o n l i n e a r i t ya n dh i g hd i m e n s i o ns p a c e h e n c e ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n eh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ea r e ao fe e g r e c o g n i t i o n h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a ls v m - b a s e dp 3 0 0d e t e c t i o nm e t h o d ss t i l lh a v e t h es h o r t c o m i n go f l o wd e t e c t i o na c c u r a c yo f s i n g l er e p e t i t i o n , l o wt r a i n i n gs p e e do f i h 山东大学硕士学位论文 o p t i m a lc l a s s i f i e ra n dt o om a n yr e p e t i t i o n sa 糟n e e d e dt oi n f e ra l lt h ei n f o r m a t i o n c o r r e c t l y t o8 0 l v et h e s es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a la l g o r i t h m s ，w ep r o p o s es o l n cp 3 0 0 d e t e c t i o na l g o r i t h m st h a tc o m b i n es v ma l g o r i t h mw i t hf - s c o r em e t h o da n dw a v o l e t d e e o m p o s i d o nt h e o r y t h em a i ne o n t r i b u d o mo f t h i st h e s i sa 托g i v e nb e l o w ： ( 1 ) t oi m p r o v et l a et r a i n i n gs p e e do fo p t i m a lp 3 0 0c l a s s i f i e r , an o wt r a i n i n g s e l e c t i o nm e t h o di sp r o p o s e di nt h i st h e s i s b yt h i sn e w l r a i n i n gs e l e c t i o nm e t h o d , w e c a l ld i v i d et h ep r i m a lt r a i n i n gs e ti n t oa ( r a i n i n gs e ta n dav a l i d a t i o n8 c t a n dw i t ht h i s v a l i d a t i o ns e t , t h eo p t i m a lp a r a m e t e ro f t h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n ec l a s s i f i e r sc a l lb o p r e d i c t e d1 3 1 0 1 0q u i e l d y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep a r a m e t e rt 矧j l l l a t i o n s p e e do f o u rm e t h o dw a s 0 1 1 0t i m e sl a i g l a e rt h a nt h a to f t h ef i v e - f o l dc r o s s - v a l i d a t i o n c 2 ) t oi n f e ra l lt h ei n f o r m a t i o nc o r r e c t l yw i t hf e w e rr e p e t i t i o n s ，w ep r e s e n ta n e wp 3 0 0d e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do n f - s c o r ef e a t u r es e l e c t i o na n ds u p p o r tv e c t o r m a e l a i n e u s i n go u rf - s c o r ef e a t u r es e l e c t i o nm e t h o d , w ec 眦e l i m i n a t el a r g er l t m a b c r o fr e d t m d a n tf e a t u r e s t t e a e o 。w e 锄e n h a n c t ：t h ed e t e c t i o na c c u r a c yo f $ v m - b a s o d p 3 0 0e l a s s i t i e r s t h i sa l g o r i t h mw t k qt e s t e dw i t hap 3 0 0d a t a s e tf r o mw a d s w o r t h c e n t e r a n dt h er e s u l t ss h o w e dt i mt h i sa l g o r i t h ma c h i e v e d 趾a c c u r a c yo f1 0 0 i n p 3 0 0d e t e c t i o nw i t h i no n l yf o u rr e p e t i t i o n s ( 3 ) s i n c et h oo p t i m a lt l a r 鹤h o l ds e l e c t i o np l d c 加o f f - s c o r ef e a t u r es e l e c t i o n m e t h o di sv e r yt i m e - e o m u m i n g ，l a e n e ei tm a ys l o wd o w nt h et r a i n i n gs p e e do f o p t i m a lp 3 0 0c l a s s i f i e rb a d l y ho r d e rt os o l v et h i sp r o b l e mi nt h ec 撇o f t h ep 3 0 0 d e t e c t i o na c c u r a c yi sn o td o w n , w e p r o p o s ea n e wp 3 0 0e x l r a e t i o na l g o r i t h m ，w h i c h i sb a s e do nw a v e l e td e c o m p o s i t i o nt h e o r y , t oi m p v et l a ot r a i n i n gs p e e do fp 3 0 0 c l a s s i f i e r $ i n e ow a v e l e td e c o m p o s i t i o nm e t h o dh a sag o o dp e r f o r m a n e oi nt h et e r m s o ff e a t u r ee x l r a c t i o n i - i e n e c ，b yt h i sm e t h o dw cc a l le f f e c t i v e l ye x t r a c tf e a t u r e so f p 3 0 0p o t e n t i a l sa n dr c d u e et h od i m e n s i o no fi n p u ts p a c e , a n d 曲n o tn e e dt h e t i m e - e o m u m i n go p t i m a lt h r e s h o l ds e l e c t i o np r o c e d u r e ( 4 ) i no r d e rt oo n h a n c et h ed e t e c t i o na c c u r a c yo f s i n g l er o p e t i t i o n , w ep r e s e n t 粗 o p t i m a le h a m a e l ss e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e d0 1 1f - s c o r em e t h o d u s i n gt h i sa l g o r i t l ：瑚 w ec a l le f f e e t i v o l ye l i m i n a t et a s k - i r r e l e v a n te e gc h a n n e l sa n do b t a i nt h eo p t i m a l 山东大学硕士学位论文 t a s k - r e l e v a n te e gc h a n n e l s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sa l g o r i t h m a c h i e v e dad e t e c t i o na c c u r a c yo f 8 3 8 7 w i t ha s i n g l er e p e t i t i o n f i n a l l y , w em a k eac o n c l u s i o na n dp r o p o s et h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h i s 矗e l 正 k e y w 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 ；e v e n tr e l a t e dp o t e n t i a l ；p 3 0 0 ；s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e 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： 垂金未么e t 期：2 磁：2 竺 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_ 丈作者签名：二i i ：l 猛匕导师签 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 临床上有些患者患有全身瘫痪或者脊侧索硬化等疾病，他们虽然头脑清醒， 但肢体和语言器官不能正常工作，因此不能与别人进行正常交流或者不能通过 肌体自主控制外部环境，生活相当不便。由于这些患者具有完整的大脑功能， 而人的一切活动又是由大脑发出的命令来完成的，因此科学界设想如果能从人 的大脑中直接检测脑信号，利用现代信号处理手段从中分析出受试主体想要进 行的操作或者表达的意图，再通过计算机控制光标的移动，或者控制键盘的输 入，由机械手完成应该由人手完成的动作，就可以实现高度残疾患者对外界的 重新控制，并实现他们与外界的交流。这项工作的实现对于肢体或者语言器官 严重损伤患者控制外界功能的恢复和对人类资源的充分应用无疑具有重大的科 学意义和深远的现实意义 近年来，随着各学科交叉融合的发展，产生了一种不依靠人的外周神经， 而只通过脑电信号实现与外部通信和交流的新技术脑一机接口技术( b r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，b c r j 。脑一机接i = l 是连接脑和计算机或者其它电子设备的通 信系统，是丧失语言功能和肢体活动能力的患者恢复对外交流的有效途径；此 外，脑一机接口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。因此，脑 一机接1 3 技术的研究具有重要的现实意义和理论价值【l 棚。 1 1 脑一机接口的研究发展概况 1 1 1 脑一机接口的研究意义 脑一机接口就是一种在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接交流 和控制的通道，通过这种通道，人就可以直接表达想法或操纵设备，而不需要 语言或动作，这可以有效增强身体严重残疾的患者与外界交流或控制外部环境 的能力，以提高患者的生活质量。另外，脑一机接口还是一种新颖的人机交互 方式，它为人类与计算机之间的信息交流提供了一种全新的途径。 脑一机接口技术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 1 山东大学硕士学位论文 型的对外信息交流手段。神经肌肉失调( 主要包括脑瘫痪、多硬化症、脊髓损伤、 肌萎缩性例技硬化症和肌肉营养失调等) 患者是当今残疾人中的一个强大弱势群 体，仅在美国就有2 0 0 万至3 0 0 万人，他们目前可以得到的传统辅助设备有语音 合成器、游戏杆或鼠标等但由于这些设备都不能直接被患者独立使用，因此 必须在陪护人员的帮助下才能实现对外界的控制。而对于由于晚期肌萎缩性侧 枝硬化症或脑干中风而闭锁的人和那些由于严重脑瘫痪而不具备任何自主运动 能力的人来说，则需要一种完全不用外界干涉就能发挥作用的接口设备，因此， 脑一机接口技术对于不能使用传统辅助设备的患者具有重要的实用价值和广泛 的应用前景。 另一方面，对在特殊环境下工作的工作人员而言，如飞行员、宇航员、或 潜水员等，脑一机接口技术可为其提供一种特殊的操作外部设备的技能；而对 所有身心健康的人来说，脑一机接口将为其提供一种全新的对外信息交流手段， 它的真正意义是凭借思维来实现与外部环境的交流。 从学术意义和应用价值来看，脑一机接口技术的重要之处并不仅仅在于将 促进康复医学的显著发展，更为重要的是其将为人们开拓一种新的大脑信息输 出渠道，从而扩展人们对外界的控制能力另外，其信息传递和控制模式的研 究开发将极大丰富脑认知科学和神经信息学的研究内容。 1 1 2 脑一机接口系统的原理及结构 神经科学的研究表明，在大脑产生动作意识之后和动作执行之前，或者受试 主体受到外界刺激之后，其神经系统的电活动会发生相应的改变。神经电活动的 这种变化可以通过一定的手段检测出来，并作为动作即将发生的特征信号。通过 对这些特征信号进行分类识别，分辨出引发脑电变化的动作意图，再用计算机语 言进行编程，把人的思维活动转变成命令信号驱动外部设备，实现在没有肌肉和 外围神经直接参与的情况下，人脑对外部环境的控制。这就是脑一机接口的基本 工作原理需要特别注意的是【7 】：通过脑电阅读人的思想目前是不可能的，但对 脑功能的某些种类进行区分是可能的【s 】；另外，脑一机接口并非试图解释自发脑 电，而是设法使人产生具有特定模式的容易被解释的脑电信号 9 1 基于各种不同的需求，人们已经设计出多种可以在实验室中进行演示的基 2 山东大学硕士学位论文 于脑电的脑一机接1 ：3 原型系统 1 0 - 1 1 】原理上，脑一机接口系统一般由输入、输出 和信号处理及转换等功能环节组成 输入环节的功能是产生并检测包含有某种特性的脑电活动特征信号，并对 这种特征用适当的参数加以描述目前常用的特征信号有稳态视觉诱发电位 ( s s w p ) 、p 3 0 0 、皮层电位c o g ) 、慢皮层电位( s c p ) 、意动电位p ) 、事件相 关同步去同步0 s r s e r d ) 以及频域的l a 、i s 节律等 信号处理的作用是对源信号进行处理分析，把连续的模拟信号转换成用某 些特征参数( 如幅值、波面积等) 表示的数字信号，以便于计算机的读取和处理， 并对这些信号进行特征提取，提取出尽可能明显的脑电特征。 信号转换是把反映使用者主观动作意识的有用脑电特征转换为对外界机电 设备的具体操作命令它利用先进的数据挖掘算法对脑电特征信号进行分类识 别，产生相应的驱动或操作命令，对输出装置进行操作或直接输出表示患者意 图的字母或单词，以达到与外界交流的目的作为连接输入和输出的中间环节， 信号分析与转换是脑一机接口系统的重要组成部分。在训练强度不变的情况下， 改进信号分析与转换的算法，可以提高分类的准确性，以优化脑一机接口系统 的控制性能 ， 脑一机接口系统的输出装置包括指针运动、字符选择、神经假体的运动以 及对其它设备的控制等。 1 1 3 脑一机接口的分类 根据信号检测的方式不同，可以把脑一机接口分为电极内置式和电极外置 式两种基本形式电极内置式信号检测方法使电极直接和大脑皮层接触或进入 大脑皮层，测量的信号噪声小损失低，但由于涉及外科手术，操作复杂，需要 具有专业技术的操作人员，而且容易感染。而电极外置式信号检测方法，由于 电极距离信号源较远，其噪声较大：但由于其所测得的脑电信号也可反映大脑 的不同状态，能够实时地被提取和识别，且操作简单、安全，因此基于外置电 极的脑一机接口的研究是最多的。 根据输入信号的性质不同，可以把脑一机接口系统分为基于自发脑电信号 的脑一机接口系统和基于诱发脑电信号的脑一机接口系统。基于自发脑电的脑 山东大学硕士学位论文 一机接口系统是应用自发脑电作为系统的输入特征信号。其特点是，受试者经 过训练之后能够自主地控制脑电变化，从而直接控制外部环境，但通常需要对 受试者进行大量的训练，容易受其身体状况、情绪，感情等各种因素的影响。 基于诱发脑电信号的脑一机接口系统使用外在刺激诱发大脑皮层相应部位的 电活动产生变化，并以其作为特征信号外部诱发脑一机接口系统不需要对受 试者进行过多的训练，但需要特定的环境( 如排成矩阵的闪烁视觉刺激输入) ， 这不利于系统的推广和应用。在系统输出模式上，前者能使操作者把指针移到 任意的二维或者多维位置，而后者只能使操作者在所列出的选项中进行选择。 1 1 4 脑一机接口技术的研究现状 由前面的介绍可知，根据电极的放置位置，脑一机接口可以分为内置式和 外置式两种。使用内置电极可以深入大脑皮层特定功能区，获得与操作目标最 接近且信噪比最佳的信息交流与控制信号，因而可以达到最佳的接口匹配结 果，但技术困难，且需要以有侵袭和损伤为代价外置式具有较低的信噪比和 空间分辨率，但由于它的无创性，成为日前研究的重点。本文也将重点讨论外 置式的各种研究方法，这些方法可以分为两大类：一类是基于脑诱发电位 ( e v o k e dp o t e n t i a l ，e p ) 或事件相关电位啾r e l a t e db d t 硎a l ，皿d 的研究方法， 即主要研究由特定感官刺激或事件操作所诱发的大脑皮层神经电活动；另一类 主要研究大脑思维意识过程中自发产生e e g 的特定频率成分，如a l p h a 波( 8 1 3 h z ) 、m u 节律( 1 明哟等 ( 1 ) 基于诱发脑电的脑一机接口 目前对使用诱发脑电的脑一机接口的研究，主要集中在对视觉诱发电位 ( v i s i l a le v o k e dp o t e n t i a l ，珊和p 3 0 0 诱发电位的研究上。 1 ) 基于视觉诱发电位的脑一机接口 视觉诱发电位在一定程度上是视觉信息在大脑中进行处理的电生理表现， 视觉诱发电位会随外界刺激的改变而发生改变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。s u t t o r 1 2 1 在1 9 9 2 年设计了名为脑反应界面的实时脑 一机接口系统。显示器上8 x 8 的符号矩阵按照一种伪随机二进制序列进行红， 4 山东大学硕士学位论文 绿色交替，使用者注视想要选择的符号，将测得的脑电信号与事先记录的模板 比较，就可以确定使用者注视的目标，使用者可利用该系统操作字处理软件 另外，近来研究表明，基于稳态视觉诱发电位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 d p o t e n t i a l ) 的脑一机接i = i 系统具有很强的实用潜力美国a c t 实验室在2 0 0 0 年对 此进行了相关的研究【廿】国内清华大学在s s v e p 上做了大量工作，基于s s v e p 设计并实现了电话号码输入系统【1 4 1 、开关选择【嘲、自由度假肢的控制【阍。 基于p 3 0 0 诱发电位的脑一机接口 p 3 0 0 电位是事件相关电位的一种，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，并在头部的顶骨区( 中部 或后翻最为显著。1 9 8 8 年，卫1 i l l o i 8 大学的f a t w e l 和d o n c h h l ；f l j 用p 3 0 0 电位设计了 一种虚拟打字机【1 7 1 。一个6 x 6 的字符矩阵按行或按列闪烁，顺序随机，当受试 者注视被加亮的行或列时，会引起p 3 0 0 事件相关电位，通过数据处理获得引起7 p 3 0 0 的行和列的序号，即可判断出受试者所凝视的目标字符。由于消除闪现方式 易使用户对刺激产生疲劳，因此中南民族大学的研究者针对这个问题对上面的方 法进行了改进，用移动刺激取代闪现刺激，设计了一种基于模拟自然阅读的虚拟 打字机【1 8 】。不过这种方法的缺点就是大大延长了字符矩阵的显示周期，从而影 响了字符输入的速度 ( 2 ) 基于自发脑电的脑一机接口 1 ) 基于皮层慢电位的脑一机接口 皮层慢电位( s l o wc o r t i c a lp o t e n t i a l ，s c p ) 是持续时间在0 5 1 0 s 范围的皮层 电位慢变化，定义为e e g 中1 h z 以下的部分，与运动和皮层激活有关。可以通过 生物反馈训练来产生或增强该信号。德国的d o r n h e g eg 等人证明了人能够自我 管理s c p 该研究组在s c p 上做了大量的研究，设计出了一种能够帮助病人实现 与外界进行文字交流的思维转换设纠1 9 】。 2 ) 基于m u 节律与b e t a 节律的脑一机接口 在人们醒着并放松时，主要感觉运动的皮层经常呈现8 1 2 h z 的e e g 活动。 这种空闲的活动当集中在体觉或运动皮层时称m u 节律。m u 节律活动包含8 1 2 h z 的大量脑电变化，并通常与1 8 2 6 i - i z 的b e t a 节律有一定联系。m u 和b e t a 节 律的增大和减小与实际运动及运动想象有关。w a d s w o r t h 研究中心的研究表明， 山东大学硕士学位论文 人能够学会控制m u 节律与b e t a 节律的幅度，且m u 节律比b e t a 节律在区分想象运 动方面更明显。利用m u 节律可以实现：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行选择项引2 0 1 。 3 ) 基于事件相关同步去同步的脑一机接口 事件相关同步去同步( 聃吐r e l a t e ds y n c h r o n i z a t i o n d e s y n c h n m i z a f i o n ，e r s d ) 是与运动相关的，出现在特定频带的信号，其信号幅值随事件相关程度同步增 加或同步减少，主要产生于感觉运动皮层，并且在大脑以想象运动代替真实动 作( 即预运动) 时也存在e r s d 现象。其幅值也可以通过生物反馈学习来调节。奥 地利g r a z 研究中心的研究表明，单边的肢体运动或想象运动能激活主要的感觉 运动，大脑对侧产生e r d ，同侧产生e r s 2 。2 0 0 0 年，g r a z 研究组进行了左右 两种想象运动分类的研究圈。2 0 0 4 年g r a z 研究组又对五种心理作业的分类进行 了研究【2 l 】 基于诱发脑电的脑一机接口均需外界刺激，也可称为被动式( 不需人积极主 动执行心理作业) 或依赖式( 需要外界刺激) ，其具有特征提取容易、准确率高、 受主观因素影响小的特点。基于自发脑电的脑一机接口也可称为主动式( 主动进 行心理活动) 或非依赖式( 无需依赖外部刺激) ，其所使用的e e g 更接近于大脑日 常思维意识过程，便于直接使用。但通常需要对受试者进行大量的训练，且容 易受主观因素( 身体状况、情绪，注意力等) 的影响。 1 2 基于p 3 0 0 的脑一机接口系统的研究概况 目前，可用于构建脑一机接口系统的信息载体主要有稳态视觉诱发电位 ( s s v e p ) 、事件相关同步，去同步电位( e a s e r d ) 、p 3 0 0 、皮层电位c o g ) 等。其 中p 3 0 0 作为一种内源性的、与认知功能相关的事件相关电位，在脑一机接口领 域引起了人们的广泛关注【”l 2 3 - 2 9 1 2 1 事件相关电位与p 3 0 0 1 ) 事件相关电位 事件相关电位是一种与认知功能有关的特殊诱发电位 3 0 - 3 2 | ，是指受试者对 给予的特定刺激进行认知加工( 如注意、记忆、思维) 时从头皮上记录到的大脑电 6 山东大学硕士学位论文 位活动。其主要反映了受试者的外周感觉神经、感觉通路及中枢神经系统中相 关结构在特定刺激情况下的状态反应，反映了受试者的思维与决策过程 事件相关电位反映了外周感觉神经，感觉通路及中枢大脑皮层相应区域的 神经电活动，因而可以用来协助确定中枢神经系统的可疑病变，检测出临床病 灶，另外，它反映了受试者的思维与决策过程，为了解受试者的认知过程提供 了一项定量指标，可用于人脑高级功能的研究，如：心理学研究、测谎试验以 及生物反馈技术，在康复医学，神经学研究以及临床诊断，手术监护中有着重 要的意义 事件相关电位是一种特殊的诱发电位，一种近场电位按潜伏期来说属于 长潜伏期诱发电位它与普通诱发电位的主要不同是：事件相关电位是有意赋 予刺激某些心理意义，利用多个或多样刺激( 如o d d b a l l 序列) 、或利用刺激的变 化引起的电位事件相关电位与普通诱发电位相同之处是：两者都是由多次刺 激和平均叠加方法得到的。但事件相关电位不单是反映了生理过程的电位变化， 尤其主要的是反映了认知过程的心理活动。 事件相关电位的各成分可以分为外源性成分和内源性成分两大类。其中外 源性成分是对外部刺激的固有反应，易受刺激物理特性的影响，只要感觉系统 是完整且有效的，外源性成分是与刺激在受试者信息处理过程中的角色无关的。 而内源性成分与刺激在受试者信息处理过程中的角色有关，不受刺激物理特性 的影响，它与认知有密切的关系，可以成为“窥视”心理活动的“窗口”。常用 的内源性成分有n 2 、p 3 0 0 ( 或称p 3 ) 等。其中p 3 0 0 以其良好的特性，引起了人 们越来越多的关注【竹 2 3 - 2 9 。 2 ) p 3 0 0 p 3 0 0 是能反映高级认知处理过程的一个内源性成分，是事件相关电位中投 入研究最多、应用范围最广、最引入注目的成分之一它是e r p 中的第三个正 相成分，故又名p 3 。因早期记录其潜伏期多在3 0 0 毫秒左右故命名为t 3 0 0 。 p 3 0 0 是一种内源性的、与认知功能相关的事件相关电位，是对掺杂在一系 列事件无关刺激中的相对稀少的事件有关刺激的反应诱发p 3 0 0 所用的刺激可 以是视觉刺激、听觉刺激以及体感刺激等，和普通的诱发电位不同的是必须有 两种或两种以上的刺激随机编成刺激序列要求受试者对其中的一种刺激做出 反应，这种刺激被称为靶刺激，另一种不需受试者做出反应的刺激被称为非靶 7 山东大学硕士学位论文 刺激。 引出p 3 0 0 的最简单的刺激模式是o d d b a l l 模式，在要求受试者对其中的低 概率刺激做出反应时，便能在头皮上记录到高波幅的p 3 0 0 。这一实验过程揭示 了引出p 3 0 0 的两个基本条件低概率和相关事件当事件相关刺激的概率大 于一定值( 如0 9 ) 或让受试者忽视刺激时均不能引出p 3 0 0 。并且有研究【3 3 】表明， p 3 0 0 的波幅随事件相关刺激概率的减小而增大 p 3 0 0 由数个潜伏期、持续时间、心理学意义及分布区域不同的亚成分组成 它们多出现在刺激后2 2 0 6 0 0 毫秒的时间范围内，可以孤立出现或在时间和空 间上相互重叠这些成分被合称为晚正复合波( l a t ep o s i t i v ec o m p l e x ， q ，主 要包括p 3 a 、p 3 b 、p 3 e 、新奇刺激p 3 0 0 和慢波( s l o ww a v e ，s v o p 3 a 是l p c 中最早的成分，潜伏期较短( 2 0 0 2 8 0 毫秒) ，于额一中央分布。p 3 b 是研究最多 的l p c 成分，潜伏期较长( 3 0 0 6 0 0 毫秒) ，于顶部分布，p 3 b 的决定因素是任 务相关事件及从相关事件中获得的信息p 3 e 是一潜伏期相对较短( 2 5 0 3 5 0 毫 秒) 、波幅相对较小、中央区( c z ) 分布的正相成分，由任务相关刺激引出。新奇 刺激p 3 0 0 是由新奇刺激诱发产生的。所谓新奇刺激是指复杂的、色彩丰富的、 不易辨认和抽象的刺激( 即难以编码的刺激) 。新奇刺激p 3 0 0 潜伏期较短，于额 一中央分布。慢波是一个在f 3 b 以后的潜伏期较长( 6 0 0 - 9 0 0 毫秒) 的张力性成分， 其波幅低，基底宽。主要特点是在额区和顶区极性相反，于额区为负向、顶区 为正向。 1 2 2 基于p 3 0 0 的脑一机接口系统的基本特征 1 9 8 8 年，f a r w e l l 和d o n e h i n 设计了第一个基于o d d b a l l 实验模式的p 3 0 0 拼 写器系统n 7 l 。论文所用的p 3 0 0 实验数据来源于b c i c o m p e t i t i o n 2 0 0 3 ，它是由 w a d s w o r t hc c r 【3 4 】提供的。其实验系统是由f a r w e l l 和d o n e h i n 的p 3 0 0 拼写器 系统发展而来的。图1 1 给出了w a d s w o r t hc e n t e r 设计的p 3 0 0 拼写器的原理结 构框图。下面将以此拼写器为例，对基于p 3 0 0 的脑一机接口系统进行介绍。 受试者位于计算机前面，面对屏幕给出的o d d b a l l 诱发模型。如图1 2 所示， 诱发模型为一个6 行6 列的字符矩阵。 8 山东大学硕士学位论文 圈1 11 3 0 0 拼写器原理结构圈 田1 2 p 3 0 0 诱发模型 受试者的任务是集中注意力到所期望输入的某个字符上。随后字符矩阵的 行或列以5 7 i - i z 的频率被连续而且随机地增强加亮，因此，在行或者列的1 2 次 加亮中，有两次加亮( 一次行加亮和一次列加亮) 包含期待的字符，这两次加 亮所诱发的刺激反应与其余1 0 次所诱发的反应是不同的，而且这两次加亮所产 生的诱发法电位包含p 3 0 0 成分，因此，通过采集实验过程中受试者的脑电信号， 就得到了由于加亮刺激而诱发产生的事件相关电位。 由前面的描述可知，刺激的产生是通过随机地加亮字符矩阵地某一行或某 一列得到的某一行或某一列被加亮一次便为一个刺激。字符矩阵的6 行6 列 均加亮一次，为一次实验循环。实验要求受试者集中注意他要选择的字符，并 对此字符被加亮的次数予以计数，此时包含有这个字符的行或列便成为相关事 件。这样在一次实验循环的1 2 个事件中只有2 个为相关事件，相关事件的概率 为1 6 7 由此可以看出，包含有目标字符的行或列是事件相关且是低概率的， 满足诱发出p 3 0 0 的两个基本条件。另外将包含有目标字符的刺激，称为靶刺激； 将不包含目标字符的刺激，称为非靶刺激。因此当靶刺激出现时，便会诱发受 9 山东大学硕士学位论文 试者产生p 3 0 0 电位。例如，输入字符“o ”，则当包含字符“o ”的行或列被加 亮时( 如图1 3 ( a ) ( b ) ) ，受试者产生p 3 0 0 电位。 小概率出现的靶刺激可以诱发p 3 0 0 ，因此，如图1 4 所示，只要识别出包 含p 3 0 0 的一个行靶刺激和一个列靶刺激，就可以确定受试者想要输入的字符。 由此可见，如何快速准确的识别出包含p 3 0 0 的行列靶刺激是此脑一机接口系统 的关键问题。 ( i )c o ) 豳1 3 圈中和分别为包含字符。o ”的行和列被加亮时的情况 圈1 4 字符选择示意图 1 2 3 玛识别算法的研究现状及存在的主要问题 由前面的介绍可知，基于p 3 0 0 的脑一机接口系统的关键问题是如何实现 p 3 0 0 信号的快速准确识别。但由于脑电中p 3 0 0 信号极易被噪声污染，从而使得 很难仅仅通过一次实验就将其准确地识别出来，必须进行多次重复实验并将结 果叠加才能较准确地识别出p 3 0 0 。而由对实验过程的描述可以看出，