脑电波源成像在运动想象任务分类中的应用
发布时间：2021-04-12 12:06
EEG（Electroencephalogram,EEG）技术的迅速发展为运动想象（Motor Imagery,MI）在脑-机接口（Brain-computer Interfaces,BCI）的广泛应用开拓了空间。与诱发的EEG信号不同,运动想象EEG是一种内源性自发信号,即只需受试者用意念进行想象而无需要外界的刺激。并且由于这种技术简单、灵活、无创等特点,应用场景多,不仅可以用于康复理疗,也可以用于休闲娱乐等方面。本文针对多任务运动想象分类精度低、泛化性能差的问题,采用了一种创新的方法,在脑电源成像（EEG Source Imaging,ESI）的基础上,将侦察机（Scout）和卷积神经网络（Convolutional Neural Networks,CNNs）结合起来,对分类问题进行了优化。本文首先需要对脑电信号进行预处理来提高信噪比,包括了工频干扰和眼电伪迹,分别采用了陷波滤波器和独立成分分析（Independent Component Analysis,ICA）。采用带通滤波器带通8～30Hz,只关注运动想象任务相关的频率带。然后考虑到脑电仪测量的数据存在失真,不够直观这一实际...
【文章来源】：东北电力大学吉林省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１脑电信号采集系统??由于脑电号弱，一般在微伏数量级，且易受到扰，所以脑电验对于环??
东北电力大学工学硕士学位论文??２．１．３导联方式??导联（Ｍｏｎｔａｇｅ）按照不同的目的对电极有选择地进行组合的记录［６Ｑ］，常用的导联方式??有单极导联和双极导联。??（１）单极导联??单极导联（ｍｏｎｏｐｏｌａｒ?ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ）使用多个活动电极和单个公共参考电极，后者即将头??皮表面的某一电极置零，其他电极为活动电极。记录的是脑信号电位变化的绝对值，噪声??比例小，记录的波形稳定幅值高，因此应用广泛，如图２－２所示。但是若参考电极出现接??触不良等问题，将对半侧的脑波产生影响。??活动电极??参考电极??图２－２单极导联??（２）双极导联??双极导联（ｂｉｐｏｌａｒｒｅｃｏｒｄｉｎｇ）记录的是两个活动电极部分脑电的变化，只需要头皮表??面的两个活动电极如图２－３所示，采集到的脑电信号即两个活动电极之间的电压差。由于??并没有使用参考电极，因而能够从根源上除去因参考电极而产生的误差。活动电极彼此间??的距离要适宜（＞３ｃｍ），距离过近会造成电位差相消并且波幅较低的结果。双极导联法和??单极导联法相比不容易受到其他生物信号的干扰，并且能排除由无关电极活性化造成的伪??迹干扰问题。此法的优点是丢失波幅和波形较少，图像失真较少；缺点是受到两个活动电??极间距的影响。??对脑电信号进行预处理主要是为了去除ＥＥＧ信号中混杂的伪影，为后续分析的质量提??供保证。基于ＥＥＧ的ＢＣＩ实际上就是识别特定的脑电模式并执行相应的行动，脑电信号??预处理手段对分类精度的影响很大。因此本章将主要分析脑电信号的预处理方法，研宄其??对分类的影响。??－８?－??
第２章ＥＥＧ信号的研究基础??活动电极?一一—???图２－３双极导联??２．１．４影响脑电图的因素??能够对脑电图产生影响的因素很多，主要包括了心理因素，生理因素和病理因素，比??如年龄差异性、意识清醒度、精神活动等。??（１）年龄差异性??从脑电图可以观察不同的年龄段，脑电波之间存在差异性，因此脑电图在一定程度上??能够反映出大脑的机能状态和受试者的年龄［６１］。另外，因为不同年龄段兴奋抑制机制的发??育水平存在差异性，所以儿童对于外界的刺激反应更加激烈，也更易出现明显异常，但相??应地消失也快，研究表明小儿时期出现的异常的ＥＥＧ信号也与此因素有关。脑电波在成年??之后渐渐稳定，但在中年之后发生变化。大多数老年人因为大脑出现缺血性损伤或者萎缩，??脑电波会随之产生异常。关于脑电波的个体性差异大多出现在１岁以后，随着年龄的増长??而增加，到成人时期差异己经非常显著。??（２）意识清醒度??ＥＥＧ也能够随着意识的清醒度而产生变化，成人如果在意识清醒的状态下出现疲惫，??ａ波振幅下降，然后不久就变成了涟波状态。睡着后的脑电波产生的变化更为显著，同时??跟入睡的深度成正比。在有疾病的情况下，脑电波的变化还与疾病产生的原因及其程度相??关，通常可以观察到广泛性和弥漫性，也能观察到其他异常波形。医学上能够通过脑电波??的异常对相关疾病做出诊断。??（３）精神活动??通常精神活动会对脑电波产生影响，比如当受试者聚精会神进行某件事情时，ａ节律??会被抑制，变成幅值较低的３波，而且ａ波抑制效应与思维活动的剧烈程度成正比。也就??是说ａ节律越被抑制反映此时受试者精神活动越强烈这也就是在采集脑电波是要求受??试者放松的原因
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向假肢的场景动画稳态视觉诱发脑控方法[J]. 李睿,张小栋,张黎明,陆竹风. 西安交通大学学报. 2017(01)
[2]基于熟悉人脸范式的P300脑机接口字符输入系统的设计与实现[J]. 李健,郭冰,唐瑞阳,黄斌,张潇,李奇. 长春理工大学学报(自然科学版). 2015(04)
[3]基于P300幅值几何差和脑网络特征的测谎方法研究[J]. 常文文,王宏. 仪器仪表学报. 2015(04)
[4]脑机接口中基于ICA-RLS的EOG伪迹自动去除[J]. 杨帮华,章云元,何亮飞,李华荣,王倩. 仪器仪表学报. 2015(03)
[5]基于P300高性能BCI打字机的研究与实现[J]. 樊恩伯,陈曦. 计算技术与自动化. 2013(04)
[6]一种新的脑电特征提取方法研究[J]. 胡瑞芬,李光,张锦. 仪器仪表学报. 2006(S3)
本文编号：3133267
【文章来源】：东北电力大学吉林省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１脑电信号采集系统??由于脑电号弱，一般在微伏数量级，且易受到扰，所以脑电验对于环??
东北电力大学工学硕士学位论文??２．１．３导联方式??导联（Ｍｏｎｔａｇｅ）按照不同的目的对电极有选择地进行组合的记录［６Ｑ］，常用的导联方式??有单极导联和双极导联。??（１）单极导联??单极导联（ｍｏｎｏｐｏｌａｒ?ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ）使用多个活动电极和单个公共参考电极，后者即将头??皮表面的某一电极置零，其他电极为活动电极。记录的是脑信号电位变化的绝对值，噪声??比例小，记录的波形稳定幅值高，因此应用广泛，如图２－２所示。但是若参考电极出现接??触不良等问题，将对半侧的脑波产生影响。??活动电极??参考电极??图２－２单极导联??（２）双极导联??双极导联（ｂｉｐｏｌａｒｒｅｃｏｒｄｉｎｇ）记录的是两个活动电极部分脑电的变化，只需要头皮表??面的两个活动电极如图２－３所示，采集到的脑电信号即两个活动电极之间的电压差。由于??并没有使用参考电极，因而能够从根源上除去因参考电极而产生的误差。活动电极彼此间??的距离要适宜（＞３ｃｍ），距离过近会造成电位差相消并且波幅较低的结果。双极导联法和??单极导联法相比不容易受到其他生物信号的干扰，并且能排除由无关电极活性化造成的伪??迹干扰问题。此法的优点是丢失波幅和波形较少，图像失真较少；缺点是受到两个活动电??极间距的影响。??对脑电信号进行预处理主要是为了去除ＥＥＧ信号中混杂的伪影，为后续分析的质量提??供保证。基于ＥＥＧ的ＢＣＩ实际上就是识别特定的脑电模式并执行相应的行动，脑电信号??预处理手段对分类精度的影响很大。因此本章将主要分析脑电信号的预处理方法，研宄其??对分类的影响。??－８?－??
第２章ＥＥＧ信号的研究基础??活动电极?一一—???图２－３双极导联??２．１．４影响脑电图的因素??能够对脑电图产生影响的因素很多，主要包括了心理因素，生理因素和病理因素，比??如年龄差异性、意识清醒度、精神活动等。??（１）年龄差异性??从脑电图可以观察不同的年龄段，脑电波之间存在差异性，因此脑电图在一定程度上??能够反映出大脑的机能状态和受试者的年龄［６１］。另外，因为不同年龄段兴奋抑制机制的发??育水平存在差异性，所以儿童对于外界的刺激反应更加激烈，也更易出现明显异常，但相??应地消失也快，研究表明小儿时期出现的异常的ＥＥＧ信号也与此因素有关。脑电波在成年??之后渐渐稳定，但在中年之后发生变化。大多数老年人因为大脑出现缺血性损伤或者萎缩，??脑电波会随之产生异常。关于脑电波的个体性差异大多出现在１岁以后，随着年龄的増长??而增加，到成人时期差异己经非常显著。??（２）意识清醒度??ＥＥＧ也能够随着意识的清醒度而产生变化，成人如果在意识清醒的状态下出现疲惫，??ａ波振幅下降，然后不久就变成了涟波状态。睡着后的脑电波产生的变化更为显著，同时??跟入睡的深度成正比。在有疾病的情况下，脑电波的变化还与疾病产生的原因及其程度相??关，通常可以观察到广泛性和弥漫性，也能观察到其他异常波形。医学上能够通过脑电波??的异常对相关疾病做出诊断。??（３）精神活动??通常精神活动会对脑电波产生影响，比如当受试者聚精会神进行某件事情时，ａ节律??会被抑制，变成幅值较低的３波，而且ａ波抑制效应与思维活动的剧烈程度成正比。也就??是说ａ节律越被抑制反映此时受试者精神活动越强烈这也就是在采集脑电波是要求受??试者放松的原因
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向假肢的场景动画稳态视觉诱发脑控方法[J]. 李睿,张小栋,张黎明,陆竹风. 西安交通大学学报. 2017(01)
[2]基于熟悉人脸范式的P300脑机接口字符输入系统的设计与实现[J]. 李健,郭冰,唐瑞阳,黄斌,张潇,李奇. 长春理工大学学报(自然科学版). 2015(04)
[3]基于P300幅值几何差和脑网络特征的测谎方法研究[J]. 常文文,王宏. 仪器仪表学报. 2015(04)
[4]脑机接口中基于ICA-RLS的EOG伪迹自动去除[J]. 杨帮华,章云元,何亮飞,李华荣,王倩. 仪器仪表学报. 2015(03)
[5]基于P300高性能BCI打字机的研究与实现[J]. 樊恩伯,陈曦. 计算技术与自动化. 2013(04)
[6]一种新的脑电特征提取方法研究[J]. 胡瑞芬,李光,张锦. 仪器仪表学报. 2006(S3)
本文编号：3133267
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