左右手运动想象脑电采集与特征提取方法初探

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1、华中科技大学硕士学位论文图1.4基于非侵入式BCI的环境控制装置Fig.1.4Blockdiagramofenvironmentcontroldevicebasedonthenon-invasiveBCI由于脑电具有很高的时间分辨率，一定的空间分辨率以及采集容易，装置轻便易携带等优点，基于脑电的BCI是目前BCI研究的主流。依据脑电采集方式，BCI可[9]以分为侵入式和非侵入式脑机接口。侵入式是将电极阵列直接安装在大脑皮层，而非侵入式则是将采集电极放置于头皮。相对非侵入式而言,侵入式BCI有更高的信号强度和低干扰

2、性，因此可以对神经信号做出快速反应，但是由于需要外科开颅手术，[6]而且电极长时间安置于大脑皮层会产生毒性，因此风险很大。非侵入式脑机接口,如图1.4,图中被试的意识脑电被采集并送入计算机，计算机对其进行模式分类以后，发出指令控制外部环境中的辅助装置，具有安全的特性，但是相对侵入式脑机接口，它的空间分辨率很低，传输速率也比较慢。而目前，能为大多数人接受的还是非侵[11]入式的脑机接口,其中大量的工作是在数据的处理方法上。每年国际上都会有一次5华中科技大学硕士学位论文BCICompetition大赛，以促进BCI中

3、特征信号提取和模式识别（PatternRecognition）的发展。2006年，Mason等人在关于脑-机接口研究的调查中把现有的BCI系统分为三种类型:信号转换系统(transducer)、演示系统(demonstrationsystem)、辅助装置(assistive[12]device)控制系统。脑机接口的研究思路包括：(1)利用视觉诱发电位（VisualEvokedpotential）；(2)利用事件相关电位（Eventrelatedpotential,ERP）,如P300信号；(3)自主控制脑电，如利

4、用时间相关同步与去同步（ERS/ERD）;(4)利用眼动控制α波，如天津大学万柏[13]坤小组研究出的眨眼开关；(5)改变心理作业，利用α波的不对称性。国内BCI研究主要集中在视觉诱发电位上，部分研究小组有与运动意识相关的自发脑电BCI研究探索。清华大学高上凯教授领导的BCI的研究主要是基于稳态视觉诱[14][15-16]发电位BCI和基于运动想象的自发脑电BCI研究。目前这个小组共申请了四个关于稳态视觉诱发电位的专利（专利申请号：200510126358.X，00815134.2，99122161.3，2005

5、20136506.1），两个关于运动想象自发脑电的专利（专利申请号：200510126359.4，200510126360.7）。其基于左右手运动想象自发脑电信号的研究已经可以实现在线的控制，比如其研究成功的运动康复辅助装置和机器人狗。天津大学[17][18－19]万柏坤小组主要是基于P300和Alpha波的脑机接口研究，周鹏所在小组所做的[20]工作是基于改进的电极（拉普拉斯电极）左右手运动想象运动康复仪的研究。中[21－22][23－25]南大学的官金安和第三军医大学野战研究所的何庆华小组主要工作是基于视觉诱

6、发电位的BCI研究。国外的研究情况：基于视觉诱发电位的研究有，1988年，Illinois大学的Farwell[26]和Donchin利用P300电位设计了一种虚拟打字机。一个6×6字符矩阵按行或按列闪烁，顺序是随机的，则“包含使用者想要输入字符的行或列发生闪烁”就成为相关事件。求出引起P300幅度最大的行和列，则该行与该列交点上的字符就是要打印的字[27]符。基于自发电位的运动意识信号的BCI有三个极有意义的成果是：a.德国Tubingen大学NielsBirbaumer、DornhegeG等证明：人经过反馈训

7、练后能够自我管理慢皮层电位SCP（SlowCorticalPotential）幅度,这为我们提示了训练对于增强运动意识信号提高BCI识别准确率的巨大作用。b.美国Wadsworth研究中心的研究表明人可以学会控6华中科技大学硕士学位论文制Mu节律（8-12Hz）和Beta节律（18-26Hz）,这一研究成果为我们提示了运动意识信号所在的频带，对于数字信号处理中的滤波有十分重要的作用。c.奥地利Graz技术大学的Pfurtscheller等人进行了一系列基于事件相关去同步和事件相关同步（ERD/ERS）的BCI系统

8、的研究，结果表明：单边肢体运动或想象能激活主要的运动皮层（对侧：ERS,同侧：ERD）。1.4脑电中的运动意识信号BCI可以利用脑电时域信号特征（如诱发电位），也可以利用脑电频域信号特征（如mu节律或者β节律信号幅度，FarwellandDonchin于1988提出）。当人的大脑产生运动意识的时候会在感觉运动皮层(somatosensory或motorcortex)产生特