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1、基于腦電圖的人機交互技術(shù)研究摘要：基于腦電圖（electroencephalogram,EEG）的人機交互技術(shù)是當(dāng)前神經(jīng)工程領(lǐng)域的最活躍的研究方向之一，這項技術(shù)的研究在生物醫(yī)學(xué)、神經(jīng)康復(fù)和智能機器人等領(lǐng)域具有很重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景，該項技術(shù)的主要研究途徑是通過腦機接口來實現(xiàn)的，腦機接口（brain-computerinterface，BCI），有時也稱作directneuralinterface或者brain-machineinterface，它是在人或動物腦（或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物）與外部設(shè)備間建立
2、的直接連接通路。本文通過介紹腦機接口中所采用的EEG信號分類，論述近年來腦機接口的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，腦機接口系統(tǒng)的主要組成部分，對各組成部分常涉及到的相關(guān)基本理論和技術(shù)作了總結(jié)和介紹，主要包括腦信號獲取、腦信號預(yù)處理、特征提取、變換算法等相關(guān)技術(shù)和理論，指出目前BCI研究存在的問題，最后對腦機接口未來的研究方向進(jìn)行展望。關(guān)鍵字：腦電圖（EEG）；腦機接口（BCI）；腦電信號；信號提??；特征產(chǎn)生；特征提取；預(yù)處理；變換算法；1.引言腦機接口(brain-computerinterface,BCI)是目前生物醫(yī)學(xué)
3、工程領(lǐng)域中的一個研究熱點，它是一種連接大腦和外部設(shè)備的實時通信系統(tǒng)。通過BCI可以把大腦發(fā)出的信息直接轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動外部設(shè)備的命令，并代替人的肢體或感覺器官實現(xiàn)人與外界的交流以及對外部環(huán)境的控制。BCI技術(shù)中的關(guān)鍵問題之一是必須提供一個安全的、可長時間持續(xù)的探測或者注射信號的方法。此方法中包含了電極的類型和植入方法、信號的提取特征等等。最近10年來，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，BCI得到了快速的發(fā)展，BCI系統(tǒng)已逐漸從實驗室走進(jìn)人們的實際生活中來．然而由于BCI是個多學(xué)科交叉的研究方向，涉及到的內(nèi)
4、容較多，對于初次進(jìn)入BCI研究領(lǐng)域的工作者來說通常很難在短時間里找到正確的研究思路，為了方便這些研究者們快速地找到正確的研究思路，本文在前人文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)詳盡地介紹BCI的各主要組成部分及其涉及到的一些關(guān)鍵技術(shù)和理論，文章首先介紹了BCI的研究意義及發(fā)展現(xiàn)狀;然后介紹了BCI系統(tǒng)的各組成部分，并詳細(xì)地描述和總結(jié)了BCI各組成部分所涉及到的具體理論和技術(shù)，主要包括到腦信號獲取、腦信號預(yù)處理技術(shù)、特征提取以及變換算法等幾大部分，最后對BCI未來的研究方向進(jìn)行了總結(jié)。2.腦機接口（BCI）的研究意義BCI的研究
5、在理論探索和實際應(yīng)用中都有很重大的意義。在理論上，BCI的研究和開發(fā)將極大地推動對人腦的認(rèn)知模式、思維模式和意識形成機制的深入理解，極大地豐富人腦認(rèn)知科學(xué)的和神經(jīng)信息學(xué)的內(nèi)容。并且BCI系統(tǒng)對識別中常用的一些特征提取算法和分類算法都是一種挑戰(zhàn)，必將會促使特征提取算法和分類算法朝著更智能化的方向發(fā)展，促進(jìn)模式識別理論的發(fā)展。在實際應(yīng)用中，BCI在某些特殊情況下能完成預(yù)定的任務(wù)，特別是針對肢體殘疾或運動受損這類患者，其通常的信息輸出通道神經(jīng)末梢和肌肉受到了一定的損害。如果開發(fā)一套BCI系統(tǒng)來輔助這類患者的生活，
6、能為患者本人的生活帶來方便。對在特殊環(huán)境下工作的人員，例如飛行員、宇航員或潛水員來說，可利用BCI技術(shù)為他們增加一些特殊的操作和控制專用設(shè)備的技能。此外，將BCI技術(shù)引入到機器人學(xué)科中來，并將其作為人類與機器人的一種交流方式，可以讓機器人更智能化地執(zhí)行人類的命令并為人類提供更好的服務(wù)。3.BCI研究中采用的EEG信號類型（1）P300。P300是一種事件相關(guān)電位（ERP），在事件相關(guān)刺激300-400ms出現(xiàn)正電位，主要位于中央皮層區(qū)域，其峰值大約出現(xiàn)在事件發(fā)生后300ms。相關(guān)事件發(fā)生的概率越小，所引起的
7、P300越顯著。基于P300的BCI的優(yōu)點是P300屬于內(nèi)部響應(yīng)，使用者無需通過訓(xùn)練就可產(chǎn)生P300。（2）事件相關(guān)同步化或去同步化電位。單邊的肢體運動或想象運動，大腦同側(cè)產(chǎn)生相關(guān)同步電位（ERS），大腦對側(cè)產(chǎn)生事件相關(guān)去同步電位（ERD）。ERS、ERD是與運動相關(guān)的，主要位于感覺運動皮層。（3）慢皮層電位。皮層慢電位（SCP）是皮層電位的變化，持續(xù)時間為幾百毫秒到幾秒，是腦電信號中從300ms持續(xù)到幾秒鐘的大的負(fù)電位或正電位，能反應(yīng)皮層I和II層的興奮性，實驗者通過反饋訓(xùn)練學(xué)習(xí)，可以自主控制SCP幅度產(chǎn)
8、生正向或負(fù)向偏移。（4）自發(fā)腦電信號在不同的意識狀態(tài)下，人們腦電中的不同節(jié)律呈現(xiàn)出各異的活動狀態(tài)。按照所在頻段的不同分類，一般采用希臘字母（α，β，γ，δ，θ）來表示不同的自發(fā)EEG信號節(jié)律。記錄的EEG電位變化，稱之為視覺誘發(fā)電位。采用以上幾種腦電信號作為BCI輸較高，具有各自的特點和局限。P300和VEP屬于誘發(fā)電位，不需要進(jìn)行訓(xùn)練，其信號檢測和處理方法簡單且正確率較高，不足之處是需要額外的刺激裝置提供刺激，
