想象運(yùn)動(dòng)的腦電特征提取及分類(lèi)研究.pdf

1、“腦-機(jī)接口”系統(tǒng)(BCI)是一種全新的人機(jī)接口方式，它不依賴于腦的正常輸出通路，而直接從大腦獲取與外界通訊的信息。BCI的一個(gè)重要用途是為那些思維正常但有嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙的患者提供語(yǔ)言交流和環(huán)境控制途徑，以提高其生存質(zhì)量。另外，BCI技術(shù)在特殊作業(yè)、軍事、娛樂(lè)等方面也有潛在的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，BCI作為一種多學(xué)科交叉技術(shù)，正成為腦科學(xué)、康復(fù)工程、生物醫(yī)學(xué)工程及人機(jī)自動(dòng)控制等領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其中腦電信號(hào)(EEG)的特征提取、模式分類(lèi)等理

2、論研究和實(shí)驗(yàn)研究扮演著重要角色。本文對(duì)想象運(yùn)動(dòng)EEG的特征提取，模式分類(lèi)等理論方法以及信號(hào)采集、BCI系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容及成果如下： (1)針對(duì)想象運(yùn)動(dòng)的BCI存在分類(lèi)準(zhǔn)確率低、抗干擾能力差等不足，提出一種將離散小波變換(DWT)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的腦電識(shí)別方法(DWT-BP方法)。該方法通過(guò)計(jì)算左、右手想象運(yùn)動(dòng)的C3、C4的平均功率合理確定時(shí)間窗設(shè)置，進(jìn)一步對(duì)時(shí)間窗內(nèi)的平均功率信號(hào)進(jìn)行離散小波變換，并選取

3、尺度6上的逼近系數(shù)A6的組合信號(hào)作為腦電信號(hào)特征，以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為分類(lèi)器實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析。在“BCI Competition2003”競(jìng)賽數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DWT-BP方法能夠較準(zhǔn)確地提取腦電信號(hào)的本質(zhì)特征，具有較好的抗干擾能力和分類(lèi)性能，分類(lèi)正確率達(dá)到94％，證實(shí)了該方法對(duì)于識(shí)別運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)的有效性，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)想象運(yùn)動(dòng)在線BCI系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。 (2)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)任意非線性函數(shù)的逼近能力及較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、

4、自適應(yīng)能力，因而，將其作為腦電信號(hào)的分類(lèi)器在BCI的研究中得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于缺乏問(wèn)題的先驗(yàn)知識(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法往往很難找到理想的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這就影響了分類(lèi)器泛化能力的提高。為此，本文提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)的分類(lèi)算法。該方法通過(guò)離散小波變換抽取左、右手想象運(yùn)動(dòng)的主要特征，采用Bagging算法構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成(Neural Network Ensemble，NNE)模型，并選取相對(duì)多數(shù)投票法獲得網(wǎng)絡(luò)集成的輸出結(jié)果。在“BCI

5、Competition2003”競(jìng)賽數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法得到了比基于單個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的腦電信號(hào)識(shí)別方法更高的識(shí)別率(99．3％)。同時(shí)，降低了個(gè)體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的配置難度，提高了系統(tǒng)的泛化能力。 (3)針對(duì)國(guó)內(nèi)BCI研究多數(shù)是從國(guó)外獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了三種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行腦電信號(hào)的采集。其中，實(shí)驗(yàn)一要求受試者依據(jù)燈光點(diǎn)亮的方向選擇左、右手進(jìn)行實(shí)際按鍵操作；實(shí)驗(yàn)二的采集過(guò)程是依據(jù)箭頭提示方向進(jìn)行左、右手想象運(yùn)動(dòng)；實(shí)驗(yàn)三則以聽(tīng)覺(jué)刺