【脑电信号的理论基础及预处理理论基础概述5800字】

脑电信号的理论基础及预处理理论基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u32332脑电信号的理论基础及预处理理论基础概述 )其中为陷波数字频率，单位为rad。和分别为采样频率和陷波频率，单位均为Hz。因为有可以消除指定频率的特性，陷波滤波器在消除工频干扰上有极好的效果。本次工频去噪采用的是50Hz陷波滤波器，用MATLAB软件编程实现，实现的滤波器的幅频特性和相频特性如图2.11所示，滤波器在50Hz处幅值输出迅速下降，相位接近90°，表示滤波器可以有效滤除50Hz的工频干扰。图2.11陷波器幅度谱Fig.2.11Notchamplitudespectrum选取一个通道的脑电信号数据经过带陷滤波器滤波后，可以得到如图2.12所示。从滤波前后的图像上看来，滤波前后波形几乎没有差别，这种现象证明了BCI大赛所提供的脑电信号数据已经对原始数据进行了陷波处理。图2.12滤波前后的EEGFig.2.12EEGbeforeandafterfiltering低通滤波根据2.2.4节介绍，脑电信号主要集中于0.5~30Hz之间。而肌电信号集中于30~300Hz，所以选择低通滤波器来滤除肌电干扰。本文使用MATLAB中的EEGLAB工具箱来对脑电信号低通滤波。图2.13EEGLAB的启动页面Fig.2.13ThestartuppageofEEGLAB以数据集2进行仿真演示，其中通道数为25，每次实验采样点为1876点，共有69次实验，采样频率为250Hz。如图2.13所示。图2.14原始数据波形图Fig.2.14PrimordialEEG原始数据的波形图如上图2.14所示。可以看到原始的脑电波形起伏不平，杂乱无章，这说明包含有很多的噪声和伪迹，如果不进行处理的话，将会影响后续特征提取和特征分类，从而无法识别出上肢动作。由于脑电信号主要集中于0.5~30Hz频率之间，所以本文将脑电数据在EEGLAB中进行0.5~30Hz的低通滤波处理，带通滤波器的幅频特性曲线与相频特性曲线如图2.15所示，从而得到我们所需要频段的脑电信号，如图2.16所示。可以看到，低通滤波后的脑电信号不再杂乱无章，表明肌电信号被有效滤除了。图2.15带通滤波器Fig.2.15Band-passFilter图2.16滤波后的波形图Fig.2.16Filteredwaveforms本文又基于某次实验的C3通道进行了滤波处理对比，比较了频谱图，可以看到滤波后的脑电信号只保留了低频信号，如图2.17所示。图2.17滤波前后脑电信号频谱Fig.2.17EEGsignalspectrumbeforeandafterfiltering平滑去噪在数据处理中，原始数据或者波形通常有很多的干扰以及燥点，很多时候都是处于不稳定的状态，同时也会有明显的波动，因此必须去除脑电信号中混合的噪声与干扰成分，从而提高信噪比。本文选择小波阈值去噪算法[49]对EEG进行平滑去噪。图2.18去噪前后的脑电信号Fig.2.18EEGsignalsbeforeandafterdenoising经滤波处理后的原始数据与去噪后的数据的曲线如上图2.18所示，其中红线代表未去噪前的曲线，蓝色代表去噪后的曲线可以看出经过小波阈值去噪后的脑电信号，与原始信号相比曲线更平滑，锐化程度减弱，提高了脑电信号的信噪比，满足了空域上的要求。对数据集1和数据集2都进行上述操作，即可完成能表征左、右上肢弯曲动作的脑电信号的预处理，从而为下一步的工作和分析做好了准备。ERS/ERD现象验证由2.2节介绍，我们得知当想象左、右上肢弯曲时，在大脑皮层的中央感知区的脑电信号振幅会产生很大的波动。实验研究发现，C3和C4导联往往对应着上肢运动想象最显著的区域，而Cz导联往往对应着脚部动作想象的区域。因此本文仅采用数据源中的C3和C4两个通道的数据，本文选择这两个通道来验证ERD/ERS现象。本文选用数据集1进行验证分析。图2.19左手的ERD/ERS现象图2.20右手的ERD/ERS现象Fig.2.19ERD/ERSinleft-handFig.2.20ERD/ERSinright-hand验证结果如图2.19和2.20所示。其中，在C3通道中，想象右上肢弯曲时，ERD值出现大幅度减小，而想象左上肢弯曲时，ERD值基本保持不变；在C4通道中，想象左上肢弯曲时，ERD值出现大幅度减小，而想象右上肢弯曲时，ERD值基本保持不变。本文将采用C3、C4导联的脑电信号作为后续研究的数据。可以看出0～2s的时候，C3与C4通道的ERS/ERD曲线重叠率很高，与数据采集过程中前两秒的信息相吻合；在2～3s之间出现提示音，ERD/ERS出现陡降；3～8s之间C3与C4通道电位浮动剧烈，因此可表征脑电信号特征明显的时间段，也与脑电信号采集流程相符合，因此后续特征提取工作会截取3～8s的EEG进行分析处理。同样地，数据集2中，由于前2s为运动想象准备阶段，故舍弃，截取2~7s的脑电信号作为下一步的研究对象。本章小结本章首先介绍了大脑的结构和功能，使我们对人类大脑的组织结构有了一定的了解。又对脑电信号的产生机理进行了阐述，脑电信号具有非线性，非平稳性的特点，且按照频率划分，脑电信号可以分类为节律、节律、节律、节律和节律等。然后本章对用到的两个数据集进行了简要介绍，并依