多模态意识任务的脑电信号空间源定位分析

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1、多模态意识任务的脑电信号空间源定位分析摘要：为了分析附加汉字默读的多模态意识任务所激活的人脑皮层，采用空间源定位分析与意识任务相关的脑电信号。首先釆用独立分量分析算法将所有电极的脑电信号分解为各自独立的分量，每个分量可视为来自一个等价偶极子，并确定其在大脑皮层的位置和和方向；然后通过时频分析确定与意识任务相关的偶极子;最终分析和对比多模态意识任务和单模态意识任务之间偶极子的差异。对10位受试者进行实验，结果分析表明，与两个多模态意识任务相关的偶极子平均数量分别为5和4.3,均多于单模态任务，且偶极子数量的排序与这4个任务平均分类准确率

2、一致，说明更多大脑皮层的激活有利于提高分类准确率，并验证了该实验的有效性和合理性。0引言人机交互技术在近些年被广泛研究，尤其是将人体生物电发展为交互的媒介。脑机接口(BrainComputerInterface,BCI)就是一种用大脑的信号控制辅助设备的人机交互技术⑴。它为运动功能障碍者提供新的康复手段，让使用者获得了全新的沟通和交互途径。BCI系统己成功用于电动轮椅的控制、文字输入、机器人和智能家居的操控等⑵。检测人脑的活动有多种方式，其中脑电信号(Electroencephalography,EEG)拥有安全性高、造价廉价等优点，

3、所以该方式在BCI领域应用最为普及。冇多种实验范式能产生可区分的脑电信号⑶。不同的算法被用于分析这些实验范式的EEG,P300诱发电位常应用方差分析、相干平均和相关分析等时域分析算法⑷。稳态视觉诱发和运动想彖所产生的脑电信号具有一定的频率特性，可用短时傅里叶变换、小波变换等时频分析算法进行分析［5］。在研究多通道EEG信号时，还可使用引入通道选择的稀疏共空间模式(SparseCommonSpatialPattern,SCSP)等时空分析算法［6］。在考虑通过实验设计的方式增加BCI操作维数和分类准确率的研究工作中，本课题组提出了附加相

4、关汉字默读的多模态意识任务实验范式，并从时间、空间、频率综合验证了该实验范式的有效性和合理性［7］。相比较于单一的思维活动，附加汉字默读的多模态意识任务为多个高级思维活动的组合，这涉及更多的人脑皮层。木文通过空间源定位分析的方法來研究EEG信号，分析和比较不同意识任务所激活的大脑皮层以研究多模态意识任务的生理机理，并帮助BCI的研究和设计。1实验设计本文的实验已在文献［7］中做了详细描述。该实验有10位年龄为22-28岁的受试者快中7位为男性，3位为女性)参与，依次被标识为S1-S10,其中有6位受试者参加过类似的实验外，其他人首次参

5、加脑电实验。受试者均为右利手，身体状态良好，在实验前有足够的休息。受试者坐著完成整个实验，通过注视前方1m处的22英寸液晶显示屏来获得提示信息。受试者在明白实验H的和注意事项后，签署了《知情同意书》。为了比较意识任务附加汉字默读后的效果，整个实验包括两步子实验，第一步了实验为多模态实验范式,第二步子实验为单一模态实验范式。本实验为无反馈实验，具体内容如图1所示。“左”和“壹”这两个汉字作为提示信息会随机出现。空闲期吋，屏幕会显示一个星号“性受试者保持2s放松状态。接着显示1s的小十字“+”，让受试者做好准备。之后出现一个汉字，持续然后

6、显示4s的黑屏，表示为想象期，如果汉字是“左”，受试者在第一步子实验中想象身体左旋的同时默读“左”，共在第二步子实验屮仅想象身体左旋；如果汉字是“壹”，受试者在第一步子实验中想象写“壹”的笔画时默读“壹”，其在第二步子实验中仅想象写笔画。4s的意识任务结束后，一次实验完成，可放松0.5-1.5So每个提示在一组实验中会出现15次,每位受试者在同一天内完成5组实验。-组实验后，受试者可休息5min。2数据采集默读汉字屈于语言活动，想象身体向左旋转涉及空间想象，想象书绢汉字需要语言皮层和运动皮层协调工作。实验的电极如图2所示，它们遵照国际

7、10/20系统导联设置，并覆盖了威尔尼克区、布洛卡区和运动感觉皮层等大脑皮层的35导电极。实验所用的仪器为美国Neu「oscan公司的SynAmps2系统。安放两个双极性电极分别从水平和垂直方向记录眼电。为了降低50Hz工频干扰，需在头部前额设置接地电极。此外，在采集脑电信号吋，还需在头顶放置参考电极。为了减少实验过程中的信号失真，所有电极的接触电阻需维持在5kQ以下。系统的带通滤波器设置为0.1-100H乙信号采样率设置为250Hz。3分析方法3.1预处理数据采集后，首先通过系统自带的SCAN4.5软件的OcularArtifact

8、Reduction功能来去除眼电信号。成年人的EEG信号屮冇用的信息主要在a波和p波，因此信号经过一个4~45Hz的带通滤波器來滤除噪声。3.2独立分量分析独立分戢分析(IndependentComponentAnaly