（生物医学工程专业论文）基于想象动作电位的BCI系统设计与实验研究.pdf

关键词：脑一机接口( b c i ) ，想象动作电位，事件相关去同步( e r d ) ，时频图谱 ( t f s ) ，功率谱密度( p s d ) ，复杂度】( c ，功率谱熵( p s e ) ，小波熵( w e ) ，m a h a l a n o b i s 距离判别法 a b s t r a c t b r a i n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ( b c 0i s ad i r e c ti n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o na n d c o n t r o lc h a n n e le s t a b l i s h e db e t w e e nh u m a na n dc o m p u t e ro ro t h e re l e c t r i c a ld e v i c e s a n di ti saw h o l l yn e wc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a td o e sn o td e p e n do nt h eb r a i n s n o r m a lo u t p u tp a t h w a y so fp e r i p h e r a ln e r v e sa n dm u s c l e s a san o v e li n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , e e g - b a s e db c im a yp r o v i d et h ep a r a l y z e d ， e s p e c i a l l yt h o s e ：“l o c k e d i n ”b u tw i m i n t a c ti d e a t i o n 诵t ha ne f f e c t i v ec o m m u n i c a t i o n a n dc o n t r o lc h a n n e l sw i t l lo u t s i d ew o r l d t h a t sw h yb c ii sw i n n i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n s s e v e r a lk i n d so fe v e n t r e l a t e dp h e n o m e n ar e p r e s e n tf r e q u e n c ys p e c i f i cc h a n g e s o f t h eo n g o i n ge e ga c t i v i t ya n dm a yc o n s i s t ，i ng e n e r a lt e r m s ，e i t h e ro fd e c r e a s e so r o f i n c r e a s e so fp o w e ri ng i v e nf r e q u e n c yb a n d s t h i sm a yb ec o n s i d e r e dt ob ed u et oa d e c r e a s eo ra nm c r e a s ei n s y n c h r o n yo ft h eu n d e r l y i n gn e u r o n a lp o p u l a t i o n s ， r e s p e c t i v e l y n l c ：f o r m e rc a s ei sc a l l e da se v e n t r e l a t e dd e s y n c h r o n i z a t i o n ( e r d ) ，a n d t h el a t t e ra se v e n t - r e l a t e ds y n c h r o n i z a t i o n ( e r s ) m o t o ri m a g i n a r yc a nm a k es p e c i f i c i n f l u e n c eu p o nt h eo n g o i n ge e gs i g n a l s i nt e r m so ft h i sp r i n c i p l e ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t sas i m p l ea n de a s ym o t o ri m a g i n a r yp o t e n t i a lb a s e d b c ie x p e d m e n t a ls y s t e m h o wt or e c o g n i z et h i sr e s p o n s ef r o md y n a m i cp a r a m e t e r se x t r a c t i o ni sb e c o m i n gt h e k e yr e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o n i no r d e rt of i n dt h ed y n a m i cp a r a m e t e rw h i c hh a sm o r ec h a r a c t e r i s t i cs e n s i t i v i t y , w eh a v ea n a l y z e do n g o i n ge e gs i g n a l sb e f o r ea n da f t e rh a n di m a g i n a r ym o v e m e n t s b yu s i n gt i m e f r e q u e n c ys p e c t r o g r a m ( t f s ) ，p o w e rs p e c t r a ld e n s i t yo s d ) ， c o m p l e x i t yk a n dt 。w ok i n d so fi n f o r m a t i o ne n t r o p y , p o w e rs p e c t r a le n t r o p yo s e ) a n dw a v e l e te n t r o p y ( w e ) s e p a r a t e l y c o m p a r e d 谢t l le v e n t - r e l a t e dd e s y n c h r o n i z a t i o n ( e r d ) c o e f f i c i e n ti nm ur h y t h m ，w ef o u n dt h a tt f s ，p s d ，k c ，p s ea n dw ee x p r e s s e d t i m e - l o c k e dv a r i a n c e so nc o n t r a l a t e r a lp d m a r ys e n s o r i m o t o ra r e aw i 也o b v i o u s l yl o w e r r o rr a t e f u r t h e r m o r e ，t f s ，p s d ，k c ，p s ea n dw es h o w nd i f f e r e n tr e s p o n s e s c o r r e s p o n d i n gd i f f e r e n th a n da c ti m a g i n a t i o n f i n a l l y , t h et e s td a t aw e r ea n a l y z e da n d t h ea n a l y s i sr e s u l t sw e r ee v a l u a t e db yu s i n gm a h a l a n o b i sd i s t a n c e a n a l y s i sr e s u l t s s h o wt h a tt h em e t h o du s e di nt h i sp a p e rh a dah i g h e rp o s i t i v er e c o g n i t i o nr a t e ( e x c e e d 8 0 ) c o n c l u s i o ni st h a t ，t f s ，p s d ，k c ，p s ea n dw ec a nb eu s e da sr e c o g n i t i o n c o m p o n e n t si no n l i n eb c is y s t e mf o rt h e i rg o o dt e m p o r a ls e n s i t i v i t ya n dh i g h e r d i s t i n g u i s ha b i l i t y a p p l y i n g m a h a l a n o b i sd i s t a n c ed i s c r i m i n a n t a n a l y s i s t o d i s t i n g u i s ht h el e f ta n df i g h th a n dm o t o ri m a g i n a r yc o n s c i o u s n e s st a s k ，t h em o r e s a t i s f a c t o r y r e s u l tc o u l db eo b t a i n e d ( 5 p e r c e n t sh i 曲e 0 a b o v e r e s e a r c h a c h i e v e m e n t sw i l la p p l yag o o de x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no fr e a l t i m e b c is y s t e m k e yw o r d s ：b r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c e ( b c i ) ，m o t o ri m a g i n a r yp o t e n t i a l ， e v e n t - r e l a t e dd e s y n c h r o n i z a t i o n ( e r d ) ，t i m e - f r e q u e n c ys p e c t r o g r a m ( t f s ) ， p o w e rs p e c i a ld e n s i t y ( p s d ) ，c o m p l e x i t yk ，p o w e rs p e c t r a le n t r o p y 口s e ) ， w a v e l e te n t r o p y ( w e ) ，m a h a l a n o b i sd i s t a n c ed i s c r i m i n a n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂注盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名1 磔亥牟 签字日期： 。6 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：了硫臻平 签字日期：a 6年月日 导师签名：歹如弋讳 导师签名：巧肋吲带 签字日期：孤力参年月日 第一章绪论 1 1b c i 研究目的和意义 1 1 1 b c i 简介 第一章绪论 脑机接口( b r a i n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，b c i ) 是旨在人脑和计算机或其它电 子设备之间建立一种不依赖于常规大脑输出通路( 例如外周神经和肌肉组织) 的 直接信息交流与控制通道，是一种全新的人一机交互系统【l 】。一个基本的b c i 系统设计和控制如图1 1 所示：信号通过电极从头皮或颅内取得，经过信号处理 提取反映操作者意图的信号特征，这些信号特征被转化为控制外部设备的具体指 令( 例如字符处理程序、轮椅操作指令或用于神经损伤弥补等) ，只有操作者协 调好信号特征与其意图之间的关系，同时b c i 选择、提取特征并有效、准确地 将之转化为设备控制指令，系统才能进行有效操作。 图1 - 1 基本的b c i 系统及其控制结构示意 一个b c i 系统的实现，主要依靠两套自适应系统之间的相互作用，一个是 操作者的大脑，它产生并控制能够被b c i 系统检测到的思维活动信息( 例如脑 电信号) 。一个是信号的采集与处理系统，它能够对于采集到的思维活动信息进 行识别并归纳成为能够正确表达操作者意图的具体控制指令，从而实现人的思想 与外部设备之间进行直接的信息交流与控制。需要特别指出的是上述提到的思维 活动信息的来源是操作者的大脑，而将来源于操作者眼部、肌肉组织等其它部位 的人体生物电信号被视为伪迹和噪声，使用这些信号所组成的系统通常称为“人 一机接口”( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，h m i ) 。 1 1 2b c i 应用目标和科学意义 第一章绪论 正常生理状态下人体与外部设备之间进行信息交流与控制主要是通过外周 神经和肌肉组织进行信息的传递过程。上述信息交流通路一旦受到了组织器官病 变或外源性损伤的影响，人体与外界之间的信息交流就可能会受到不同程度的限 制( 例如铊或其它高毒性重金属可由呼吸道、消化道和皮肤吸收入血后分布于全 身组织器官。可能会出现脑神经麻痹、昏迷等症状。病程晚期可遗留精神智能衰 退、肢体瘫痪等症状 2 】) 。囿于医学水平的发展，此类疾病可能无法彻底治愈， 给患者的生活和心理带来严重创伤。针对此类疾病w o l p a w 等学者曾提出了三种 恢复患者神经、肌肉功能的方法【3 】： 1 增强现存通路的信息交换能力：即采用尚能自主控制的肌肉组织替代受 损肌肉。例如脑干严重受损而瘫痪( 即“闭锁”l o c k e d i n 状态下) 的 患者，此类患者大都仍然具备眼部运动能力，通过提取眼部电信号， 可以实现回答问题、发出简单指令、甚至可以进行文字处理工作等功 能。此外，严重构语障碍患者也可以通过手部运动来合成人工语言。 2 绕过通路中的损伤点：即绕过神经传导通路上受到损伤的区域，对受损 通路所控制的肌肉进行直接控制以实现功能的恢复。例如脊髓受损的患 者可以利用正常肌肉组织产生的肌电信号对瘫痪肌肉实施电刺激以替 代受损脊髓的控制作用，从而实现运动功能的恢复。这种技术被称为功 能性电刺激( f u n c t i o n a le l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n , f e s ) ，已经被成功应用于实 现上肢抓举动作功能的恢复，或让下肢瘫痪病人练习行走功能【4 】 5 】。 需要指出的是上述两类方法的实现皆需依靠功能尚存的肌肉进行控制， 对于几乎失去了所有外周神经控制能力和四肢肌肉运动功能的全身瘫 痪患者来说，其实用效果甚微。 3 进行神经重建或再造：即绕开外周神经和肌肉组织，另辟蹊径，为大脑 提供一种全新的对外信息交流与控制通路。这就需要检测大脑在进行思 维操作过程中的脑电数据及其相关生理参数，从中识别出使用者的思维 操作意图，提取能够反映使用者主观动作意识的特征参数并将其翻译为 相应的外部机电设备控制指令，实现人体对外界设备的控制功能，这就 是前述脑一机接口( b c i ) 技术的应用目标。 研究b c i 技术的重要科学意义在于： 1 b c i 技术为思维功能正常但运动功能残缺的患者提供了一种新型的对外 信息交流手段。使部分中枢神经信息传递阻滞并因此失去了基本运动功 能的瘫痪病人有可能重建或再造新的神经通路，从而重新恢复其运动功 能。如此将极大地扩展目前康复医学的研究应用领域，为康复医学的发 第一章绪论 展开辟一片新天地。 2 b c i 技术将大大扩展人类控制外界和交流信息的能力。作为一种新型的 人一机信息交换与控制技术，b c i 旨在“让思想直接变成行动”，其在 航空航天和军事科学领域的应用可能引发对传统人脑与外界信息交流 方式和思维控制手段的革命。 3 b c i 技术更为重要的科学意义和学术价值在于其研究和应用有助于对大 脑工作原理的揭示进而对人工智能研究产生深远影响。b c i 技术成果将 为脑认知科学和神经信息学研究开启新视窗，使脑或神经系统的功能重 建成为现实【6 】。 1 2 b c i 研究现状 大脑的主体部分是大脑皮质。大脑皮质由大量的神经细胞群组成，与人体 其它部位( 例如心脏、肌肉) 的细胞单元一样，能够产生细胞电信号。通常所 说的脑电图( d e e t r o e n e e p h a l o g r a p h , e e g ) 即是通过在头皮安置检测电极描记所 得的数以亿计大脑皮质神经细胞的群体电活动在头皮表面感应到的电位分布。 根据临床电生理学理论，e e g 反映了大脑皮质某一特定区域神经细胞群同步的 电位差，e e g 信号除了具备普通电信号的一般特征( 例如频率、幅度、相位) 外，还具有其出现方式与其在皮质各相应区域的分布相关，且针对不同的刺激 能够产生不同反应性的特征。故从理论上来说e e g 信号能够反映出大脑皮质各 个区域的功能活动。因此，人的意识与思维活动也能够在e e g 信号中得到体现。 基于这一设想，自2 0 世纪8 0 年代始陆续有科研人员将灵长类动物的神经系统与 某些电子仪器相连接，通过描记脑部的生物电信号，期望能够在神经系统生物 电信息和与之相应的生理活动功能之间建立起一条相互连接的桥梁。其研究成 果不断地应用于瘫痪等基本运动功能严重受损患者的医学康复过程中。随着电 子技术( 特别是微型计算机) 、信号采集、信号处理等领域的新理论、新技术 的不断出现与普及，b c i 研究也迎来了一个高速发展的新时期。根据b c i 系统 中所使用的脑电信号类型，现有的b c i 技术可以区分为以下三类： 1 基于自发脑电的b c i 技术：自发脑电是指在没有特定的外加刺激条件 下大脑皮质神经细胞自发的电生理活动在头皮表面反映出的电位变 化。需要指出的是所谓“自发”是相对没有任何外部刺激而言的吲。 e e g 信号中存在某些特征频段或节律成份( 例如a l p h a 波、b e t a 波、t h e m 第一章绪论 波和m u 节律等) ，其中已用于b c i 技术的成份主要有下述的a l p h a 波和m u 节律。 1 ) a l p h a 波：a l p h a 波频率g - - 1 3 h z ，振幅2 0 - 一1 0 0 9 v ，在枕叶及项叶后部记录 到的a l p h a 波最为显著。1 9 6 7 年，d e w a n 等学者利用a l p h a 波的阻断现象 ( 睁眼可以阻断a l p h a 波、闭眼可以增强a l p h a 波) 进行了m o r s e 电报码 的发送实验【8 】。实验中持续时间较长的a l p h a 波表示了动作“一”，持 续时间较短的a l p h a 波表示了动作“”。实验中每发送一个字符用时 3 5 5 0 s 。 2 ) m u 节律：m u 节律频率8 - - 1 2 h z ，是自发脑电a l p h a 波段的中位频率( 1 0 h z ) 。 m u 节律与运动、感觉皮层的神经电活动有关。w o l p a w 等学者曾经尝试 通过改变舢节律的幅度实现了光标移动的控制过程。在一维模式实验中 【9 】，要求实现光标的上、下方向移动。按照设想，当实验者m u 节律的 幅度超过一定的阈值时实现光标上移，低于阈值则光标下移。实验表明， 多数实验者在接受较短时间的训练后可以实现自主控制m u 节律的幅度 进而以较高的正确率( 约9 0 ) 完成一维模式下的实验。在进一步的二 维模式实验中 1 0 】，采用双电极通道进行信号的采集，以两个通j 煎_ m u 节 律幅度的和决定光标在垂直方向的移动，幅度的差决定水平方向的移 动。通过几周训练后，多数实验者的正确率能够达到7 0 。 3 ) 慢波皮层电位( s l o wc o r t i c a lp o t e n t i a l s ，s c p ) ：s c p 是持续时间为3 0 0 m s 至几秒，具有较大正、负电位差异的低频脑电信号。s c p 能够反映皮质 运动、感觉区的兴奋性。实验者通过反馈训练的学习，可以实现控n s c p 的幅度产生正向或负向偏移。德国b i r b a u m e r 实验室开发出了基于s c p 的 b c i 系统( t h o u g h tt r a n s l a t i o nd e v i c e ，t t d ) 1 4 。按照设计原理，全部的 字符被分为两部分在屏幕上显示出来，实验者使用s c p 幅度的偏移现象 对目标字符所在的部分进行选择，选定后的部分再次被分成两组，使用 s c p 再次进行字符的选择，重复上述过程直到目标字符被最终选择到为 止。实验者为两名完全瘫痪的患者，通过反馈训练的学习，两名实验者 均能够实现单词的拼写，可以与外界进行文字交流。 2 基于诱发电位的b c i 技术：给人体的感觉器官施加某种刺激，可以记 录到外周神经系统与中枢神经系统在信息传递过程中产生的微弱的 电位变化，这就是诱发电位( e v o k e dp o t e n t i a l s , e p ) 或称与事件相关的电 位( e v e n t - r e l a t e dp o t e n t i a l s 。e r p ) 。 1 ) 事件相关电位( p 3 0 0 ) ：p 3 0 0 是事件相关电位的一种( 是一种正向事件 相关电位) ，其峰值大约出现在相关事件发生后的3 0 0 m s 时刻处。相 第一章绪论 关事件出现的概率越小，其引起的p 3 0 0 现象越显著，并且在头部的顶 骨区( 中央部或后部) 记录到的p 3 0 0 现象最为显著。1 9 8 8 年f a r w e i l 和 d o n c h i n 等学者设计出基于p 3 0 0 的b c i 实验系统“o d d b a l l ，【1 5 1 ，在实验 中“o d d b a l l ”被设计为一个6 6 的字符方阵，连续闪烁1 2 次。每次随机 闪烁其中的一行或一列，每行、列的闪烁时间均为1 2 5 m s 。1 2 次闪烁全 部完成代表一次实验的结束。在一次实验中目标字符会出现两次( 字符 所在的行和列各出现一次) ，闪烁的行或列中如果包含有目标字符，就 会引发p 3 0 0 现象。计算所有可能的行、列组合所引发的p 3 0 0 峰值，求出 p 3 0 0 峰值最大的行和列，该行、列交叉点处的字符即为目标字符。实验 结果显示，实验者能够以2 3 个m i i l 的速率进行字符选择，正确率达到 9 5 。 2 ) 事件相关去同步( e v e n tr e l a t e dd e s y n e h r o n i z a t i o n , e 嘲事件相关同步 ( e v e n tr e l a t e ds y n c h r o n i z a t i o n 。e r s ) ：e r d e r s 是出现在运动、感觉皮 层特定频带的信号。伴随着信号与事件相关的程度，信号的幅度会出现 同步减少或同步增加现象。e ) e r s 与运动过程相关联并且大脑以想象 动作替代真实动作，即在预动作条件下同样存在e r d e r s 现象。 p f u r t s c h e l l e r 等学者于1 9 9 1 年进行了此领域的b c i 实验研究，设计出 g r a zi 、g r a z l l 等基于e r d 的b c i 实验系统。按照实验设想，当某一侧 肢体做真实动作或想象动作时，对侧皮层会出现事件相关去同步f e r d ) 现象，同侧皮层则出现事件相关同步现象。在g r a zi 实验中 1 1 1 ，通过 声音提示实验者实验开始，1 秒钟后，屏幕左侧或右侧出现提示方块， 提示实验者准备用相应侧的食指按动一个开关。再1 秒钟后，屏幕中央 出现一个十字形光标，此时实验者按动开关。记录实验中真实动作之前 ( 即准备动作阶段) 的e e g 数据。采用功率谱估计的方法对数据进行预 处理，采用“学习矢量量化”( l e a r n i n g v e c t o rq u a n t i z a t i o n , l v q ) 算法进 行分类 1 2 】，预测出将是左手动作还是右手动作。十字形光标则按照预 测的结果做出相应移动，同时将预测结果反馈给实验者。通过5 7 次的 训练，多数实验者的正确率能够达到6 7 一8 6 。在g r a z l i 实验中【1 3 】， 实验者只是做出动作的想象( 动作部位为左、右食指或右脚) ，真实的 动作并未发生，在经过一定的实验训练后，实验结果的分类正确率也能 够超过7 0 。 3 ) 短时视觉诱发电位( s h o r t - l a t e n c yv i s u a le v o k e dp o t e n t i a l s ，s l v e p ) ：给人 体视觉系统施加某种( 短时) 刺激后在头皮( 特别是枕部) 记录到的微 小电位变化就是短时视觉诱发电位。在不同的刺激方式下得到的v e p 信 一5 一 第一章绪论 号波形差异很大。根据这一特征，s u t t e r 等学者设计了名为“脑响应接 口”( b r a i nr e s p o n s ei n t e r f a c e ，b r i ) 的实验系统1 1 6 。根据设计屏幕上显 示一个8x8 的字符方阵( 称为m 序列) ，m 序列的某个子集( 即某些字符 的组合) 以一定的速率作红、绿交替闪烁。如果闪烁中包含了实验者选 择的目标字符，就会引发v e p 现象。实验开始时先对实验者进行1 0 - - - 6 0 m i l l 的初始阶段训练，记录训练阶段的数据并借此建立v e p 模板。实验 正式开始后，实验者注视欲选择的目标字符，待全部闪烁完成后，计算 每次闪烁( 即每个子集) 引发的v e p 平均幅值，通过与初始训练阶段中 建立的v e p 模板进行比对，能够以较高的正确率确定实验者所选择的目 标字符。 4 ) 稳态视觉诱发电位( s t e a d y - s t a t ev i s u a le v o k e dp o t e n t i a l s ，s s v e p ) ：稳态 视觉诱发电位是对应特定频率调制( 由刺激频率或刺激频率的整数倍频 率分量组成) 的视觉刺激响应，其特征是脑电活动随刺激频率的稳态出 现而增强。清华大学的研究小组设计出一个基于s s v e p 的b c i 实验方案 实现了对光标移动的控错t j 1 7 。根据实验原理，屏幕中出现代表不同方 向的4 个方块，分别以不同的频率进行闪烁。当实验者选择的目标方向 ( 方块) 出现闪烁时，相应的s s v e p 记录结果中会出现频率相同处信号 的幅值增强的现象。用快速傅里叶变换的方法对s s v e p 记录结果进行在 线处理，可以判定实验者所选择的目标方块( 方向) ，进而实现对光标 移动的控制。 3 基于植入电位的b c i 技术：即通过植入电极获得来自局部神经细胞区域 的电信号实现对b c i 系统的控制。基于这一原理c h a p i n 等学者设计出“神 经元一机械臂”实验系统，在动物实验中成功地实现了依靠采集自动物 大脑皮层区域的脑电信号对机械臂的运动进行控制的功能 1 8 】。 1 3 本文的b c i 技术方案选择 1 3 1b c i 实验信号的选择 近年来在对事件相关电位( e r p ) 的研究过程中发现：大脑在实施真实动作或 想象动作条件下均能够显著地改变其所诱发的e r p 信号中某些特征频段成份( 例 如a l p h a 波、b e t a 波和m u 节律) 的功率谱强弱比率。这一现象被定义为事件相 一6 一 第一章绪论 关去同步( e r d ) 以及事件相关同步( e r s ) 1 9 。其中e r d 对应于功率谱比率的下 降，e r s 对应于功率谱比率上升。并且想象动作条件下产生的e r d e r s 信号与 作业提示条件下诱发的被动思维e r d e r s 信号在发生的特征频段和相应的运 动、感觉皮层区域均有所不同( 例如对应手部运动的e r d 现象多出现在1 l i h z 及2 0 - - 2 4 h z 频段，对应足部运动的e r d 现象多出现于7 - 8 h z 及2 0 2 4 h z 频段) ： 同时不同的肢体部位运动所激活的大脑皮层区域也各不相同。因此通过记录、分 析相应的脑电信号模式及其分布特征，有可能预测出想要发生动作的部位( 例如 是手部或足部) 。基于上述分析，本文拟选用大脑在想象动作条件下所引发的 e r d e r s 现象来提取和构建b c i 系统的控制信号。 1 3 2 信号采集方式的选择 b c i 系统实验中常用的脑电信号采集方式有植入式与非植入式两种。 植入式采集即是将检测电极直接插入并固定在大脑皮层某些神经细胞区域 进行信号拾取。该采集方案具有检测信号稳定、信噪比高、空间分辨率好的优点 并能克服诸如肌电等干扰所造成的伪迹问题。但植入式采集需要进行开颅手术， 且植入后的电极要求长时期保持稳定而不被感染，存在着较高的技术难度要求。 非植入式采集即是将电极固定在头皮表面进行头皮电位检钡9 ，具有简便、无 创、适用范围广泛的优点。需要指出的是，这种方式下所采集的头皮电位是大脑 皮层中大量神经细胞电生理活动透过颅骨传递到体表的间接信号。在信号的传递 过程中，由于颅骨及颅内体液形成的导体容积效应将会造成信号较大程度的衰 减，同时伴随体表采集而来的肌电等伪迹干扰也为后续的信号处理环节提出了更 高的要求。 从实际的实验条件出发，充分考虑两种采集方式的优劣得失，本文选择非植 入式的信号采集方式进行e e g 信号的采集。 1 4 本文主要研究内容与章节安排 1 4 1 主要研究内容 本文依据大脑在实施真实动作或想象动作条件下其诱发的e r p 信号中某些 特征频段成份的功率谱强弱比率能够出现事件相关去同步( e r d ) 或事件相关同 步( e r s ) 现象这一原理，拟设计一组基于e r d e r s 的b c i 实验；实验中要求实 一7 一 第一章绪论 验者想象实施某种动作任务并能够成功实现对靶目标进行选择；通过对实验信号 的特征提取和模式分析，主要研究思维脑电中想象动作电位的信号特征规律和模 式识别方法，总结和归纳出几种能够正确、有效并快速地预测和识别想象动作电 位思维模式的信号处理算法，为最终实现基于想象动作电位的实时b c i 系统奠 定基础。 1 4 2 主要章节安排 全文共分四章，内容安排如下： 第一章绪论：简要介绍b c i 研究目的、科学意义、应用目标和研究现状； 讨论了b c i 技术方案、实验信号及其采集方式的选择；给出了本论文主要研究 内容与章节安排。 第二章b c i 实验系统设计：使用l a b v i e w 程序语言，设计出一组基于 e r d e r s 现象的b c i 实验系统；该系统能够实现对脑电信号的采集、记录和预 处理功能，能够实现对靶目标的成功选择。 第三章想象动作电位信号提取：使用时频图谱、功率谱密度、复杂度、功 率谱熵、小波熵等参数指标对想象动作电位实验数据进行信号的特征提取和模式 分析，总结和归纳出能够正确、有效并快速预测和识别想象动作电位思维模式的 信号处理算法。 第四章课题总结与展望：根据实验结果对现有信号的采集与处理方法进行 评价与总结，并展望下一步b c i 系统设计与实验要求，以期为设计基于想象动 作电位的实时b c i 系统做好技术准备。 一8 一 第二章b c i 实验系统设计 第二章b c i 实验系统设计 2 1 脑与e e g 产生基础 2 1 1 脑生理学基础 脑( e n e e p h a l o n ) 位于颅腔内，由端脑、间脑、中脑、脑桥、小脑和延髓( 图 2 1 1 ) 组成。延髓向下在枕骨大孔处与脊髓相延续。通常把中脑、脑桥、延髓 合称脑干( b r a i ns t e m ) 2 0 。 图2 - 1 1 脑的组成模式图 端脑( t e l e n c e p h a l o n ) 主要包括左、右大脑半球。每个半球表面的灰质，称为 大脑皮质( c e r e b r a lc o r t e x ) 。大脑半球内的腔隙，称为侧脑室。 2 1 1 1 大脑皮质结构简介 人脑的突出特点是具有发达的大脑皮质。大脑皮质是人类高级神经活动的最 高中枢，也是脑波活动的主要解剖基础，大脑皮质由1 4 0 亿以锥体状细胞为主的 各种大、小神经细胞和更大数量的神经胶质细胞组成，并形成庞大而复杂的信息 传递网络。皮质内的细胞按一定规律构成与表面平行的板层状结构。新皮质的板 层可分为6 层，由里向外依次为：分子层：内有水平细胞，其轴突横行于皮质 表面，有横向传导功能；外颗粒层( 小锥体细胞层) ：由较密集的小锥体细胞 第二章b c i 实验系统设计 组成；锥体细胞层：为主要皮质细胞，其顶树突长达皮质表面；内颗粒层( 星 形细胞层) ：由较密集的星形细胞组成；神经节细胞层( 大锥体细胞层) ：由大 锥体细胞组成，其顶树突可伸达皮质表面；梭形或多形细胞层：由不规则的梭 形细胞组成，其轴突伸至邻近白质，可通过胼胝体，将脑电信息传达至对侧半球 相应皮质。 2 1 1 2 大脑皮质的分区与功能定位 大脑皮质的分区是根据功能和结果确定的，分为躯体运动、躯体感觉、视感 觉和听感觉等区( “区”也可称为“中枢”) 。b r o d m a n n 将人体大脑皮质进行了分 区，其主要分区简要介绍如下： 1 第1 躯体运动区：主要在中央前回和旁中央小叶的前部。它接受对侧半 身的本体感觉纤维，并向对侧半身的骨骼肌发出纤维管理。在管理上具 有一定的顺序和局部关系( 图2 - 1 - 2 ) 。 。 图2 1 - 2 人体各部在第1 躯体运动区的定位 2 第1 躯体感觉区：位于中央后回和旁中央小叶后半，它管理全身痛、温、 触、压及对侧衰退的本体感觉。 第二章b c i 实验系统设计 3 视觉区：又称视觉中枢，位于距状裂两侧的皮质，是丘脑外侧膝状体的 视放线的终点。 4 听觉区：又称听觉中枢，位于颞横回。 5 平衡觉区：根据目前的电生理学研究，认为在中央后回的下端，此外颞 上回听觉中枢的正前方皮质也可能是平衡觉的最高中枢。 6 嗅、味觉区：分别位于海马旁回沟附近与中央后回下端覆盖岛叶的皮质。 以上各中枢都是特异性感觉传导束的最终投射区，能够引起性质明确的 感觉。 7 语言区域：语言区域是人类大脑皮质所特有的。语言区域多在左侧。临 床实践证明：右利手者和多数左利手者的语言区在左侧半球，少数左利 手者的语言区位于右侧半球。语言区所在的半球称为优势半球。有关语 言的中枢如下：视觉性语言中枢：位于角回；听觉性语言中枢：若 此中枢受到损伤，病人能听到别人谈话，但不能理解谈话的意思；运 动性语言中枢：位于额下回后部；书写中枢：位于额中回后部。 2 1 2e e g 的生理生化基础 1 9 2 4 年h a n sb e r g e r 首先记录了人类的e e g 信号。1 9 3 1 年他同时记录了头 皮及皮质表面的电活动，发现电位来源于大脑。通过比较灰质与白质的电位，他 得出电活动起源于大脑皮质的结论。现行的普遍观点认为：脑电活动是由垂直方 向的锥体神经细胞与其顶树突的突触后电位产生。 顶树突电位学说：用弱电流刺激动物( 猫或猴) 的脑表面，在距离刺激点数 毫米范围内，记录到持续时间为1 5 2 0 m s 的缓阴性电位。与神经细胞或神经纤 维产生的动作电位不同，该缓阴性电位不遵从全或无定律，具有可重叠性质。后 经现代研究证实为大脑皮质第3 、5 层锥体细胞顶树突的突触后电位。可分为兴 奋性突触后电位( e x c i t a t o r yp o s t s y n a p t i cp o t e n t i a l ，e p s p ) 与抑制性突触后电位 ( i n h i b i t o r yp o s t s y n a p t i ep o t e n t i a l ，i p s p ) 两类，目前被多数学者认为是脑电活动的 组成部分。 神经细胞反馈回路学说：大脑皮质中第3 、5 层锥体细胞排列十分规则，相 互平行且与皮质表面垂直，并直伸至皮质表面。此种排列方式有利于大量神经细 胞同时产生突触后电位并总和成强大的电场。多数的神经细胞和中间神经细胞之 间形成闭合回路，当回路中某一神经细胞发生兴奋时，冲动可以通过回路中的中 间神经细胞而仅仅作用于刺激神经细胞本身，形成反馈回路，进而产生一系列的 反复刺激及周期性的神经细胞反复放电过程，致使相互影响，使皮质内众多神经 第二章b c i 实验系统设计 细胞回路同时放电或同时停止，这一现象被称为同步化，对e e g 的同步节律性 产生重大作用【2 l 】。 丘脑一皮质反馈回路：丘脑的非特异性核群是接受全身感觉上行纤维的侧 支，对维持大脑皮质觉醒起重要作用。刺激该非特异性核群，可在大脑皮质产生 广泛的节律性电位活动。故丘脑一皮质之间的兴奋和反馈作用，对脑电活动的起 步及节律同步活动产生重要作用。 脑干网状结构对e e g 的影响：起源于脑干网状结构中的冲动，可以通过上 行投射系统干扰丘脑一皮质电活动起步结构的同步性，使e e g 的节律性同步消 失，被低幅的快波电活动替代，这一现象称为去同步化。上述四个方面，对e e g 的形成、节律性、同步性及去同步起着重要作用。 2 2 基于e e g 的b c i 实验方法 大脑与身体其他部位( 例如心脏、肌肉组织) 一样能够产生电生理信号，这 种电信号是自发的，在周围没有任何刺激的条件下仍然会存在，通过在头皮安置 检测电极描记所得的大脑皮层电生理活动就是通常所说的脑电图 ( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，e e g ) 。 2 2 1e e g 信号特征 e e g 反映了大脑皮质某一区域神经细胞群同步的电位差。e e g 信号除了 具备普通电信号的一般特征( 例如频率、幅度、相位) 外，还具备一些自身 所特有的信号特征，这些特征直接决定并影响着e e g 信号的记录、处理方法。 现简述如下： 1 e e g 信号自身较弱而其伴随背景噪声较强：e e g 信号的幅度范围为 5 0 - - l o o r t v 。通常在e e g 信号的记录过程中，会伴随有大量的强干扰噪 声( 例如心电、肌电等其他人体部位的生物电信号和电磁干扰等) ，提 高信噪比成为e e g 信号采集与处理环节中首先要解决的问题。 2 e e g 信号突出的节律特性：e e g 的主要组分可依据频率划分为d e l t a ( 8 ， 0 5 3 h z ) 、t h e t a ( 0 ，4 - m z ) 、a l p h a ( n ，8 1 3 h z ) 和b e t a ( 1 3 ，1 4 3 0 h z ) 等，各组分具有突出的节律特性。通常在频域内按节律来划分e e g 的 类型。不同的节律反映了各类e e g 信号各自的生理生化形成机制，即 第二章b c i 实验系统设计 与大脑皮质的运动、感觉功能区域密切相关。 3 e e g 信号的非平稳性与随机性：最直观的证据是e e g 信号的节律会随 着精神状态的变化而发生改变，表现为基本节律背景下的突发瞬时状 态。 4 e e g 信号的非线性：人脑是一个结构、功能高度复杂的生物系统。越来 越多的研究成果揭示出e e g 信号具有明显的“混沌”特征，使得非线 性动力学理论在e e g 信号处理领域得到广泛地应用。 2 2 2e e g 记录方法 2 2 2 1 电极的选择与安置方法 安置在头皮表面用以检测脑电信号的导电体被称为头皮电极，简称电极。通 常要求电极本身不产生噪声干扰和信号漂移现象。实践证明用火棉胶固定的银一 氯化银或金质盘状电极是目前最佳的e e g 记录电极。根据临床操作的实际需要， 国际临床神经电生理学协会对脑电信号的采集用电极及其安放位置制定了如下 的规范标准： 1 电极的安放位置应根据颅骨标志经测量后确定：测量应尽可能与头颅大 小及形状成正比例，电极的标准位置应适当地分布在头颅的各个部位。 2 电极名称应结合脑解剖学各部位的名称( 例如额、颞、顶、枕等) ，以 便于技术人员的掌握与使用。 3 相关脑区的定义：各解剖部位电极能够代表和体现各个大脑皮质区域的 功能。 4 代表数码的使用：国际通用的头皮电极代表数码采用阿拉伯数字，左半 球用奇数标识，右半球用偶数标识。a l 和a 2 分别代表左、右耳垂( 无 关电极) 。根据上述四条标准，国际临床神经电生理学协会推荐1 0 - 2 0 电极放置法( t e n - t w e n t y e l e