畢業(yè)論文：腦機接口系統(tǒng)中運動想象腦電信號的分析與處理

題目：腦機接口系統(tǒng)中運動想象腦電信號的分析與處理
院（系） 　　　信息科學(xué)與工程學(xué)院　　
專 業(yè) 　　　自動化　　

摘 要

腦-機接口(Brain-Computer Interface，BCI)技術(shù)是近年來國際上的研究熱點之一。它可以為人們與外界之間提供一種新型通訊方式。BCI系統(tǒng)可以直接采集大腦的神經(jīng)生物學(xué)信號，并將其分析轉(zhuǎn)換為輸出命令，而不依賴正常的外周神經(jīng)中樞(CNS)和肌肉組織輸出通道。BCI系統(tǒng)利用不同的腦電（EEG）信號，利用外部的連接和控制設(shè)備將不同的思維活動與不同的指令結(jié)合起來，實現(xiàn)人腦和外部設(shè)備的通信。
某些類型的事件相關(guān)現(xiàn)象體現(xiàn)了連續(xù)腦電信號在特定頻域能量的減少或增加現(xiàn)象，分別反映在皮質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞群同步性活動的減弱或增強。前者定義為事件相關(guān)去同步（event-related desynchronization,ERD），后者定義為事件相關(guān)同步（event-related synchronization,ERS）。本文根據(jù)想像動作可引起腦電信號的ERD\ERS特異性變化這一思想， 針對想象左右手運動的實驗來研究腦電信號的分析與處理，識別腦電信號的特征。
在本文分析過程中，首先通過對2003年腦機接口競賽實驗設(shè)計中的試驗者想象左右手運動數(shù)據(jù)的離線分析，研究腦電信號的分析處理方法。在預(yù)處理過程中，采用了3階butterworth濾波器進行10-12Hz的帶通濾波；在特征提取時，選取時間3—9s內(nèi)的C3、C4通道的腦電信號進行特征提��；在分類器的選擇上，使用fisher判別的線性分類器。然后編寫了在線分析處理腦電信號的Matlab程序，并利用VC++和Matlab的混合編程，實現(xiàn)了腦-機接口中采集信號和處理信號的結(jié)合。


關(guān)鍵詞：腦-機接口 腦電信號 運動想象 ERD\ERS 特征提取 Fisher分類器

ABSTRACT
Brain-machine Interface technology is in recent years the international research hotspot. It can be for people and between the outside world provides a new way of communication. BCI system can be directly collection of brain nerve biology signal, and the analysis into output command, and no
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目錄
引 言 5
第一章 緒 論 6
1.1課題研究的背景及意義 6
1.2 BCI系統(tǒng)的定義及組成 7
1.3 BCI系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 9
1.4 課題研究內(nèi)容及目的 10
1.4.1課題研究內(nèi)容 10
1.4.2課題研究目的 10
1.4.3 主要章節(jié)安排 10
第二章 運動想象BCI研究基礎(chǔ) 12
2.1 腦電產(chǎn)生的機理和分類 12
2.1.1腦電產(chǎn)生的機理 12
2.1.2腦電信號的分類 12
2.2事件相關(guān)去同步\同步研究 14
2.3 腦電信號分析法 14
第三章 想象左右手運動腦電信號分析 17
3.1 實驗過程及數(shù)據(jù)采集 17
3.2數(shù)據(jù)介紹 18
3.3 數(shù)據(jù)處理 18
3.3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理 19
3.3.2特征提取 24
3.3.3分類器的設(shè)計 26
3.4數(shù)據(jù)分析結(jié)果 29
第四章 在線腦電信號處理的程序設(shè)計 31
4.1matlab編程 31
4.2 VC++與Matlab的混合編程 32
第五章 課題總結(jié)與展望 37
5.1總結(jié) 37
5.2課題展望 38
致 謝 40
參 考 文 獻(xiàn) 41





































引 言

腦—機接口( brain- computer interface, BCI) 是在人腦與計算機或其它電子設(shè)備之間建立的直接的交流和控制通道, 通過這種通道, 人就可以直接通過大腦來表達(dá)想法或操縱設(shè)備, 而不需要語言或動作, 這可以有效增強身體嚴(yán)重殘疾的患者與外界交流或控制外部環(huán)境的能力, 以提高患者的生活質(zhì)量。腦—機接口技術(shù)是一種涉及神經(jīng)科學(xué)、信號檢測、信號處理、模式識別等多學(xué)科的交叉技術(shù)。當(dāng)人們做單側(cè)肢體動作時( 如左手運動) , 大腦對側(cè)主感覺運動皮層的mu 節(jié)律( 8Hz～12Hz) 幅度明顯減小,而同側(cè)主感覺運動皮層的mu節(jié)律幅度明顯增大,這種現(xiàn)象被稱為事件相關(guān)去同步(Event- related desynchronization,ERD) 及同步( Event- related synchronization, ERS) 。不僅如此,當(dāng)人們僅是想象這個動作而沒有執(zhí)行時, 會激活相同的大腦感覺運動區(qū)域并產(chǎn)生與執(zhí)行這個動作相同的腦電模式。如果能夠從記錄的腦電時間序列中及時識別與運動想象相關(guān)的腦電模式, 并轉(zhuǎn)化為某種控制信號處理控制光標(biāo)的移動或輔助運動設(shè)備, 就可以幫助嚴(yán)重癱瘓病人通過計算機與外界環(huán)境進行交流和溝通或者幫助他們實現(xiàn)自己想做的動作。
本文所涉及的BCI系統(tǒng)是以受試者想象左右手運動時產(chǎn)生的事件相關(guān)去同步現(xiàn)象時的腦電為原始信號，這種BCI系統(tǒng)是非依賴性的，信號的產(chǎn)生完全來自受試者自主的想象運動。









第一章 緒 論
1.1課題研究的背景及意義
有多種疾病，如腦癱、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化（Amyotrophic Lateral Sclerosis,ALS）和腦干、脊髓損傷等，可以損傷腦與外部環(huán)境進行交流和控制的神經(jīng)肌肉通路，使人部分或全部失去自主的肌肉控制。現(xiàn)代的生命支持技術(shù)可以使患者長期存活，但患者的生活質(zhì)量低下，給家庭和社會造成的負(fù)擔(dān)也十分沉
重。在無法修復(fù)受損通路的情況下，人們嘗試?yán)闷渌椒ㄟM行功能恢復(fù)。一種方法是通過訓(xùn)練提高殘存的運動能力，另一種方法是繞過通路的受損部位直接控制肌肉，如功能性電刺激。這兩種方法都在一定范圍內(nèi)取得了成功。而現(xiàn)在出現(xiàn)了一種前景光明，更加有效的方法即腦-機接口。
產(chǎn)生這種新方法的原因是：首先，基礎(chǔ)和臨床的研究已經(jīng)對大腦的工作狀況有了比較詳細(xì)的了解，對于大腦的不同誘發(fā)電位和腦電節(jié)律以及它們發(fā)生的部位和機理都已經(jīng)比較了解。大量的研究已經(jīng)證實：腦電信號與實際的和想象的運動及精神活動都是密切相關(guān)的。其次，計算機、檢測及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，可以對腦電等信號進行實時分析。因此隨著計算機技術(shù)的進步和腦功能研究的不斷深入，人們開始嘗試建立一種新的、不依賴于肌肉的交流和控制通路，在腦和外部世界之間傳遞信息和命令，這就是所謂的腦-計算機接口（Brain-Computer Interface,BCI），簡稱腦-機接口。
二十世紀(jì)七十年代，Vidal首次使用“腦-計算機接口”一詞來描述基于計算機的、能獲得有關(guān)大腦功能信息的系統(tǒng)。在Vidal小組的研究中，研究人員開發(fā)出一個早期的BCI系統(tǒng)，這個系統(tǒng)利用從視覺皮層區(qū)域記錄到的視覺誘發(fā)電位（Visual Evoked Potential，VEP）信號，來確定使用者想象光標(biāo)移動的方向。近年來，國際上越來越多的組織和個人開始大量投入人力物力開發(fā)腦-機接口統(tǒng)。
目前腦-機接口的應(yīng)用前景已經(jīng)不再僅僅局限在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，它可以分為以下幾個方面：
1）康復(fù)工程。建立新的信息通道，實現(xiàn)對周圍電器設(shè)備以及智能假肢、輪椅等輔助設(shè)備的控制；或幫助部分殘疾人利用腦電信號完成打字輸入等。
2）研究腦功能。人的大腦是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，BCI技術(shù)的研究進展，可以幫助人們分析大腦功能，研究人的思維機理，開發(fā)人的智力，充分發(fā)揮人的潛能，使得人能在更深層次上認(rèn)識自己，改造自己，造福人類。
3）其他方面。例如軍事領(lǐng)域、娛樂、特殊控制領(lǐng)域等等。

1.2 BCI系統(tǒng)的定義及組成
1999年，第一次BCI國際會議給出了BCI的明確定義：“腦一機接口是一種不依賴于正常的由外周神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路的通訊系統(tǒng)”。大腦在進行思維活動，產(chǎn)生動作意識，或者受到外界刺激(如視覺、聽覺等)的時候，伴隨著其神經(jīng)系統(tǒng)的一系列電活動，這些腦電(Electroencephalogram,EEG)信號可以通過一定的手段加以檢測，再通過信號處理(特征提取和分類)，從中辨別出人的意圖，把人的思維活動轉(zhuǎn)換為命令信號，實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制和與外界的交流。這就是BCI的基本原理(圖1．1)。


BCI系統(tǒng)的輸入信號是腦電信號，輸出為控制命令。系統(tǒng)通常包括四個部分：信號采集、信號處理（特征提�。�、“翻譯”程序（模式識別），控制命令輸出。
1）信號采集
信號采集也就是獲取腦電信號，信號記錄可采用頭皮電極和植入式電極兩種方式。腦電信號屬于比較微弱的信號，通常需要進行放大、濾波等處理，放大后的腦電模擬信號還需經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，便于對信號進行進一步的信號處理。腦電信號采集也可以采用無線遙測的方式。信號采集模塊也可以包含數(shù)字信號處理芯片（digital signal processing,DSP），對信號進行預(yù)處理。
2）信號處理
信號處理是腦機接口研究的關(guān)鍵之一，其實質(zhì)是特征提取，也就是運用多種現(xiàn)代信號處理方法，包括時—空模式分析、統(tǒng)計分析、信源分解、空間濾波、高分辨率譜分析等，對腦電信號進行處理，從中提取出相應(yīng)的特征。在腦機接口系統(tǒng)中，特征量的提取涉及時域、頻域和空域。例如，在特定的皮層區(qū)域檢測腦電信號中不同的頻率成分（如mu或beta節(jié)律）；或者在時域中檢測的與事件相關(guān)的P300電位，這些都是攜帶了一定腦活動信息的特征量。
3）“翻譯”程序
“翻譯”程序是指將提取出來的特征量轉(zhuǎn)換為一系列控制命令，由此來實現(xiàn)受試者的意圖。“翻譯”程序?qū)嶋H上是一個模式識別或特征分類的過程。用于腦機接口的模式識別方法比較多，有線性識別方法（如經(jīng)典的統(tǒng)計分析方法），也有非線性識別方法（如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。比如在Graz BCI的研究中就采用了不同的模式識別分類方法，D.Flotzinger等采用了LVQ方法對腦電信號進行分類，K.Lugger等人采用了線性判別算法對腦電信號進行分類。
4）控制命令輸出
腦機接口的輸出信號是代表受試者意向的控制命令。根據(jù)腦機接口的不同應(yīng)用，控制命令輸出有多種不同的表現(xiàn)形式，比如在腦電信號控制外部設(shè)備的應(yīng)用中，控制命令經(jīng)過設(shè)備控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)外部設(shè)備控制，如控制電視、音響設(shè)備、電燈等電子設(shè)備的開關(guān)；在有關(guān)光標(biāo)控制的腦機接口應(yīng)用中，控制信號的輸出表現(xiàn)為光標(biāo)在屏幕上的移動；在虛擬打字機的應(yīng)用中，控制命令的輸出表現(xiàn)為字母的輸出或者是讀出單詞；在腦電假肢應(yīng)用中，輸出信號可以用來控制一個多_度的假肢實現(xiàn)三維空間的動作。
1.3 BCI系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
由于腦機接口技術(shù)在康復(fù)工程等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值，它引起了全世界越
來越多科學(xué)家和研究者的關(guān)注和重視，近年來，腦機接口技術(shù)發(fā)展迅速。1995年，全世界從事有關(guān)腦機接口的研究小組還不超過6個，1999年已經(jīng)超過20個。腦機接口的研究正成為生物醫(yī)學(xué)工程和康復(fù)醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的一個新亮點。
1999年6月，美國國家兒童研究院國家醫(yī)學(xué)康復(fù)研究中心和美國國家健康研
究院人類發(fā)展部在紐約主辦了關(guān)于腦機接口的第一次國際學(xué)術(shù)討論會。來自美國、加拿大、英國、德國、奧地利、意大利等國家的50多位科學(xué)家與工程研究專家，代表22個不同的腦機接口研究小組參加了會議。會議內(nèi)容涉及BCI研究現(xiàn)狀、有關(guān)BCI基礎(chǔ)研究及 ……（未完，全文共27172字，當(dāng)前僅顯示4887字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：腦機接口系統(tǒng)中運動想象腦電信號的分析與處理》）