基于节律同化效应的思维脑电信号分类分析

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1、中国科学技术大学博士学位论义摘要摘要脑电图(EEG)是用于检测脑的电活动的一种方法，是大脑皮层中无数神经元活动的产物。当以持续的频率闪光对人脑进行刺激时，大脑皮层的神经元会使其发放率与闪光刺激频率同步，使得EEG信号中与刺激频率及其谐波频率对应的节律成分明显增强，这种现象称为节律同化或光驱动反应。EEG信号以检测方便、检测设备简单价廉以及能动态实时地反映脑功能状态的变化等优点，在脑认知科学研究中起到了重要的作用。脑一计算机接口(BCI)是利用EEG信号实现入脑与计算机或其它电子设备通信和控制的系统，它不依赖于脑的正常输出通道(外周神经系统和肌肉组织)，是一种新的人机接口方式。BCI可为患有

2、严重神经肌肉紊乱如肌肉侧索肌硬化、脑干中风和脊髓损伤等疾病的患者提供最基本的通信手段，使他们能向看护表达他们的愿望甚至能自己操作字处理程序或神经弥补设备，同时可为人们提供一种利用思维进行游戏的全新娱乐方式。大脑在进行不同的思维活动时会激活大脑皮层不同区域并能诱发不同EEG节律的生理现象使得利用EEG信号对思维作业进行分类成为可能，并成为利用思维作业来设计BCI的依据之一。在基于思维作业的BCI系统中，用户进行与运动、数学运算等有关的思维活动，通过脑电采集装置采集相应的脑电信号，提取特征进行分类，然后将不同的思维活动与不同的指令结合起来，实现人脑和外部设备的通信。提高基于思维作业BcI通信速

3、率的关键在于对思维脑电信号的高准确率、高速分类识别，虽然目前有很多学者在进行自发脑电思维模式分类的研究工作，并取得了～定的成果，但试图将此类研究应用于实现脑一机接口的实时通信仍局限于实验室研究阶段，其通信速率和人的正常处理能力还有很大的差距。本文首次将脑电的节律同化效应应用于思维作业的分类研究中，对思维脑电信号的节律同化现象进行了比较深入的探讨。试图通过不同的节律同化实现方案，使不同思维作业EEG信号携带有不同的、易于分类的节律同化信息，以提高思维作业EEG信号的分类正确率。本文的主要研究内容、研究成果和创新点包括以下几个方面：1．思维脑电信号的分类方法研究。在信号的预处理方面，提出了一种

4、基于独立分量分析和功率谱分析相结合的具有辅助定位伪迹源功能的去除EEG伪迹的新方法。这种方法的优点是可克服利用ICA去除EEG信号伪迹中仅凭视觉定位伪迹源所引起的偏差，同时，这种方法可以不用人工干预，便于实时处理，对去除工频干扰、眼动、眼电等伪迹有较好的作用：在信号特征提取方面，根据思维脑电的生理学机理，提出了将互相关系数和信息熵作为脑电信号分类的特征—±旦至!兰塾查查兰堕=!i：堂堡丝兰塑墨值，取得了较好的分类效果。这些研究方法，目前还未见有类似的文章报道。2．思维脑电信号的节律同化现象研究。内容包括：(1)在大脑进行不同类型的思维作业时给予同一频率(即固定频率)的正弦调制光(SML)刺

5、激和不给予任何光刺激两种情况下分别采集思维EEG信号，通过对它们的对比分析，研究在固定频率SML刺激下，不同思维作业EEG信号产生不同节律同化效应的可能性：(2)对受试者进行一段时间的不同思维作业给予不同频率SML刺激的节律同化训练，通过对训练前、训练后采集到的思维脑电信号的对比分析，研究节律同化训练使不同思维脑电信号携带有与刺激频率相关的节律同化信息的可行性及节律同化效应的稳定性。研究结果表明：(1)大脑在固定频率的正弦调制光刺激下进行思维作业时，相应的思维EEG信号表现出与刺激频率及其谐波相对应的节律共振现象，即产生了节律同化效应。这种节律同化效应的特点是：不因刺激时间的增加而减弱；在

6、同一电极位置处，不同思维EEG信号表现出不同的节律同化效应效果：同一思维作业在不同电极位置处的节律同化效应也表现出不同的形式：思维EEG信号表现出左右半球不对称的节律同化效应。(2)节律同化训练后的思维脑电信号也携带有与训练刺激频率有关的节律同化信息，但相对于固定频率SML刺激思维脑电，这种节律同化效应的效果不太明显。3．节律同化思维脑电信号的分类研究。采用不同的节律同化思维脑电信号特征(信息熵、AR模型系数)，通过相互对比的方法，研究它们的分类效果。研究目的是探索思维EEG信号携带的节律同化信息对思维脑电信号分类的影响。研究结果表明：(1)当大脑进行不同思维作业时，如果给予固定频率的SM

7、L刺激，则能够提高某些思维作业脑电信号的分类正确率，最大提高幅度可达到20％以上。在这些固定频率SML刺激中，B频率刺激要比a频率刺激更有利于提高思维EEG信号的分类正确率。固定频率SML刺激还具有一个突出的优点是可以减少用于分类的多导脑电信号的电极数目，从而减少数据的处理时间，有利于提高基于思维作业BCI的通信速度。(2)持续～段时间的针对不同思维作业给予不同频率SML刺激的节律同化训练，对于提高思维脑电信号的分类正确