脑电信号特征提取及分类

第 1 章绪论

1.1引言

大脑又称端脑，是脊椎动物脑的高级的主要部分，由左右两半球组成及连接两个半球的中间部分，即第三脑室前端的终板组成。它是控制运动、产生感觉及实现高级脑功能的高级神经中枢[1]。大脑是人的身体中高级神经活动中枢，控制着人体这个复杂而精密的系统，对人脑神经机制及高级功能进行多层次、多学科的综合研究已经成为当代脑科学发展的热点方向之一。

人的思维、语言、感知和运动能力都是通过大脑对人体器官和相应肌肉群的有效控制来实现的[2]。人的大脑由大约1011个互相连接的单元体组成，其中每个单元体有大约104个连接，这些单元体称做神经元。在生物学中，神经元是由三个部分组成：树突、轴突和细胞体。神经元的树突和其他神经元的轴突相连，连接部分称为突触。神经元之间的信号传递就是通过这些突触进行的。生物电信号的本质是离子跨膜流动而不是电子的流动。每有一个足够大的刺激去极化神经元细胞时，可以记录到一个持续1-2ERP的沿轴突波形传导的峰形电位-动作电位。动作电位上升到顶端后开始下降，产生一些小的超极化波动后恢复到静息电位（静息电位（Resting Potential，RP）是指细胞未受刺激时，存在于细胞膜内外两侧的外正内负的电位差）。人的神经细胞的静息电位为-70mV（就是膜内比膜外电位低70mV）。这个变化过程的电位是局部电位。局部电位是神经系统分析整合信息的基础。细胞膜的电特性决定着神经元的电活动[3]。当神经元受到外界刺激时，神经细胞膜内外两侧的电位差被降低从而提高了膜的兴奋性，当兴奋性超过特定阈值时就会产生神经冲动或兴奋，神经冲动或兴奋通过突触传递给下一个神经元。由上述可知，膜电位是神经组织实现正常功能的基本条件，是兴奋产生的本质。膜电位使神经元能够接收刺激信号并将这一刺激信号沿神经束传递下去。在神经元内部，树突的外形就像树根一样发散，由很多细小的神经纤维丝组成，可以接收电信号，然后传递给细胞体。如果说树突是树根的话，那么细胞体就是树桩，对树突传递进来的信号进行处理，如果信号超过特定的阈值，细胞体就把信号继续传递给轴突。轴突的形状像树干，是一根细长的纤维体，它把细胞体传递过来的信号通过突触发送给相邻神经元的树突。突触的连接强度和神经元的排列方式都影响着神经组织的输出结果。而正是这种错综复杂的神经组织结构和复杂的信息处理机制，才使得人脑拥有高度的智慧。我们的大脑无时无刻不在产生着脑电波，对脑来说，脑细胞就像是脑内一个个“微小的发电站”。早在1857年，英国的青年生理科学工作者卡通（R.Caton）就在猴

脑和兔脑上记录到了脑电活动，并发表了“脑灰质电现象的研究”论文，但当时并没有引起广泛的关注[4]。1872年，贝克（A.Beck）[5]再一次发表脑电波的论文，才引起广泛关注，从而掀起脑电现象研究的热潮。可是，直至1924年德国的精神病学家贝格尔（H.Berger）[6]才真正地记录到了人脑的脑电波，从此人的脑电图诞生了。

图1.1 人脑图图1.2 神经元图

1.2脑机接口概述

1.2.1脑机接口背景及意义

脑-机接口( Brain-Computer Interface , BCI) 是在大脑与外部设备之间建立的直接的交流通道。脑机接口技术产生于二十世纪七十年代，是一种多学科的交叉技术，目前它在国际研究领域非常活跃，它涉及生物技术、生物医学工程、纳米技术、认知科学、信息技术、计算机科学、神经科学和应用数学等，成为众多学科科研工作者的研究热点。人的大脑是一个极其复杂的系统，研究人的思维机理、实现神经系统损伤患者于周围环境进行信息交换是神经学领域里的极其重要的一项研究课题。人体脑电信号综合地反映了大脑神经系统的思维活动，是分析脑状况和神经活动的主要依据[7]。脑电信号与神经系统脑部疾病如脑血管病、癫痫、神经系统损失等有着密切的关系。因此脑电信号的分析处理和分类识别对脑部疾病的病态预报、辨识和防治具有很重要的意义。

BCI为人们提供了与外界进行交流和控制的另一种方式，人们可以不通过语言和动作来交流，而是直接通过脑电信号来表达思想、控制设备，这也为今后智能机器人的发展提供了一个更为灵活的信息交流方式。脑-机接口作为连接生物智能系统

和人工智能系统的一个复杂平台，对脑机接口的研究是一项长期而艰巨的任务。最近十年来，脑-机接口的研究有了可喜的发展[8]。在全球范围内，越来越多的学者和教师等科研人员投入到脑-机接口的研究热潮中来。

BCI装置的应用场合大致有如下四个方面：一是为思维正常但神经肌肉系统瘫痪（如脊髓(或脑干) 损伤，肌萎缩性侧索硬化等）的病人设计出合适的BCI装置，让病人恢复对身体肌肉的控制和交流能力；二是当传统控制方式不能完全满足一些场景的控制要求时，为特殊环境作业人员提供辅助控制（如医疗手术、航空航天等）；三是BCI装置可为人们提供另一种新的娱乐方式，例如用“思想”玩网络游戏等；四是在研究自动化控制的同时，加深对人类脑电活动规律的认知深度[9]。上述四方面中第一个应用场景是目前最重要的应用，而随着研究的深入和扩展，其他的更多的应用场合也正在不断的增加。时至今日，大多数BCI系统仍然处于实验室的理论研究阶段，直到最近几年，才逐渐看到其在实用的医疗器械装置中崭露头角。BCI系统将“电脑”与“人脑”完美地整合在同一个系统中，可以说实现了一句古话：“心想事成”。虽然目前BCI技术的开发中还存在许多技术难关尚未攻破，但从目前所取得的阶段性成果中我们已经看到了开发此类装置的重要科学价值及其广泛的应用前景。现在，使用脑-机接口技术研制的的人机交互系统在航空航天、智能控制和信息处理等领域也有着广泛的应用。

中国有大约三千两百多万[10]老年人需要不同形式的护理，而目前我国为老年人提供的服务设施严重短缺。同时，由于各种灾难和疾病造成的残障人士也很多，这就更加增大了对服务设施的需求。目前许多发达国家采用服务机器人为老年人与残疾人士提供服务，用来提高他们的生活质量。但是，由于大多数服务机器人与人的交互方式都是通过声音、按钮等传统方式，而很多老年人及残障人士部分或完全丧失了自主控制肌肉的能力，甚至吞咽、说话都困难，这些人控制此类服务机器人的难度非常大。如何使这部分人群重新恢复对外部世界的控制能力以及与外部世界交流的能力，帮助他们重新返回现代社会是目前研究的热点[11]。脑机接口是人脑与计算机或其他电子设备之间建立的直接的交流和控制通道。通过这种通道，人就可以直接通过脑来表达想法或操纵其他设备，而不再需要通过肢体的动作或语言，这是一种全新的通信和控制方式。由于其无创性、记录简单和高时间分辨率，利用脑电图方法获得人脑的电活动信号已成为脑-计算机接口研究、神经障碍患者康复研究等领域的重要监测手段。

研究脑机接口有非常深远的意义，尤其是在脑机接口实用装置上。现在国内已经有很多科研单位及高校都在积极展开脑机接口的研究工作。并且，随着人们对脑机接口越来越深入的研究，目前已经有一些小组成功开发了一些基本可用的脑机接口原型[12]。另外，有些企业也认为脑机接口的市场前景很广阔，正在着力开发医学