腦活動(dòng)狀態(tài)EEG信號(hào)解碼方法及其應(yīng)用.pdf

1、腦是自然界中最復(fù)雜的器官之一，是人體的中央控制器，控制和調(diào)節(jié)著人的情感、認(rèn)知、感覺、行為等活動(dòng)。了解和認(rèn)識(shí)腦的結(jié)構(gòu)、功能和活動(dòng)表達(dá)可以揭開人類腦的秘密，為腦疾病的治療提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，該課題的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本論文將以腦電(Electroencephalogram，EEG)信號(hào)作為研究對(duì)象，探索在不同的腦思維狀態(tài)下腦電的表達(dá)方式，揭示腦工作的機(jī)理。然后，根據(jù)這些腦工作的機(jī)理來發(fā)展識(shí)別算法，從而解碼在不同的腦思維狀態(tài)

2、下的腦電表征。解碼腦思維狀態(tài)的一個(gè)重要應(yīng)用是構(gòu)建腦機(jī)接口系統(tǒng)。腦機(jī)接口系統(tǒng)可以使得人們直接通過自己的腦與外界世界進(jìn)行溝通交流，而不需要通過傳統(tǒng)的神經(jīng)和肌肉輸出通路。本論文從揭示腦在不同思維下的腦工作機(jī)理，到發(fā)展機(jī)器學(xué)習(xí)算法來識(shí)別分類腦思維狀態(tài)，到構(gòu)建腦機(jī)接口系統(tǒng)應(yīng)用原型，對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行了系統(tǒng)化地研究。
　　 本文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面:
　　 1.腦機(jī)接口(BrainComputerInterface，BC

3、I)研究領(lǐng)域大部分論文集中于算法性能提高方面的研究，而相對(duì)忽視了受試者產(chǎn)生易分腦電模式的訓(xùn)練范式的研究。我們結(jié)合算法模型和受試者訓(xùn)練兩方面，提出了雙向自適應(yīng)訓(xùn)練框架。在雙向自適應(yīng)訓(xùn)練框架中，在訓(xùn)練時(shí)受試者的自我調(diào)節(jié)因素被充分考慮進(jìn)去，受試者可以根據(jù)神經(jīng)反饋的信息來更好地完成被要求的想象任務(wù)。此兩個(gè)過程交替進(jìn)行，互相學(xué)習(xí)，以使得兩者之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。通過受試者的調(diào)節(jié)和BCI模型的更新學(xué)習(xí)來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 2.傳統(tǒng)訓(xùn)練范式

4、存在的問題是當(dāng)受試者有時(shí)候想象的運(yùn)動(dòng)類型和提示給出的類型不一樣時(shí)，用于標(biāo)記數(shù)據(jù)的類型還是按照提示給出的類型標(biāo)記。那么誤標(biāo)的數(shù)據(jù)會(huì)干擾模型的訓(xùn)練，將會(huì)降低模型的性能和有效性。為了盡量避免這個(gè)問題的出現(xiàn)，我們提出了一種主動(dòng)訓(xùn)練范式。在主動(dòng)訓(xùn)練范式中，在必要時(shí)受試者有機(jī)會(huì)去確認(rèn)前面一個(gè)trial數(shù)據(jù)的標(biāo)簽。與傳統(tǒng)的訓(xùn)練范式相比較，我們提出的范式使得受試者更加主動(dòng)地參與到實(shí)驗(yàn)中。受試者不僅可以通過調(diào)節(jié)自己的腦活動(dòng)來影響訓(xùn)練效果，而且也可以通過數(shù)

5、據(jù)的標(biāo)示來更主動(dòng)地影響訓(xùn)練過程。
　　 3.為了探討不同尺度下運(yùn)動(dòng)想象引起事件相關(guān)電位的異同，我們?cè)O(shè)計(jì)了食指（小尺度）和手臂（大尺度）的運(yùn)動(dòng)想象對(duì)比實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)不同尺度下的運(yùn)動(dòng)想象對(duì)性能的影響，分別從分類準(zhǔn)確率和頻譜能量?jī)煞矫鎭砗饬繉?duì)比不同尺度下運(yùn)動(dòng)想象效果的優(yōu)劣。本實(shí)驗(yàn)的目的是研究不同尺度下不同想象運(yùn)動(dòng)類型的性能差異，從而可以為運(yùn)動(dòng)想象模式的選擇提供指導(dǎo)，為從事運(yùn)動(dòng)想象范式的研究人員在想象模式選擇中提供經(jīng)驗(yàn)參考。
　　

6、4.設(shè)計(jì)了一個(gè)延遲運(yùn)動(dòng)執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)范式用于研究在意圖運(yùn)動(dòng)方向準(zhǔn)備過程中腦活動(dòng)的機(jī)理和動(dòng)態(tài)變化過程。相對(duì)于意圖運(yùn)動(dòng)方向來說，ERP(EventRelatedPotential)的幅值在PPC(PosteriorParietalCortex)區(qū)域呈現(xiàn)同側(cè)正，對(duì)側(cè)負(fù)的現(xiàn)象。在后期，α頻帶的能量呈現(xiàn)明顯的同側(cè)能量增強(qiáng)，對(duì)側(cè)能量減弱的現(xiàn)象。另外，在后期我們?cè)陬~葉中間和項(xiàng)葉中間區(qū)域觀察到了與方向相關(guān)的腦活動(dòng)（慢波）。ERP和頻譜能量的分析結(jié)果顯示在視

7、覺運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和視覺空間注意這兩個(gè)過程中PPC區(qū)域記錄的EEG中包含了意圖運(yùn)動(dòng)方向相關(guān)的互補(bǔ)的信息。因此，結(jié)合ERP特征和頻譜能量特征可以提高意圖運(yùn)動(dòng)方向的解碼能力。
　　 5.根據(jù)不同領(lǐng)域的應(yīng)用和不同的使用目的，我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了輔助輪椅控制系統(tǒng)、多人賽車系統(tǒng)、網(wǎng)頁瀏覽系統(tǒng)和腦電數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。輔助輪椅控制系統(tǒng)旨在幫助運(yùn)動(dòng)功能嚴(yán)重受限的患者實(shí)現(xiàn)自主地移動(dòng)，而不需要借助于看護(hù)人員的幫助。多人賽車系統(tǒng)的目的是提供一種基于BCI技術(shù)的游戲控

8、制原型，可以為游戲領(lǐng)域提供一種新的控制輸入方式。網(wǎng)頁瀏覽系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)大腦直接控制瀏覽網(wǎng)上的信息，構(gòu)建腦與網(wǎng)絡(luò)之間的交流通路。為了簡(jiǎn)單直觀地呈現(xiàn)腦電數(shù)據(jù)中的本質(zhì)信息，我們開發(fā)了腦電可視化系統(tǒng)。
　　 6.設(shè)計(jì)開發(fā)了運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練平臺(tái)，用于實(shí)際的康復(fù)訓(xùn)練當(dāng)中。通過患者的想象運(yùn)動(dòng)來訓(xùn)練腦運(yùn)動(dòng)區(qū)域的神經(jīng)元細(xì)胞和功能性電刺激設(shè)備等刺激外周神經(jīng)和肌肉的感覺通路來閉環(huán)的訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)傳輸通路，使得神經(jīng)元細(xì)胞連接重組或代償形成新的網(wǎng)絡(luò)鏈接，恢復(fù)原