面向腦機(jī)接口的不確定性EEG分類研究.pdf

1、許多世紀(jì)以來，思想家和科學(xué)家一直在試圖理解人的精神現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的或人腦是如何工作的。自從上世紀(jì)20年代被發(fā)現(xiàn)以來，腦電(EEG)就成為臨床診斷和科學(xué)研究中最有用的工具之一。EEG是對(duì)大腦皮質(zhì)層電生理活動(dòng)的記錄，所記錄的腦電信號(hào)是對(duì)大腦功能和狀態(tài)的反映。作為對(duì)大腦功能和狀態(tài)的一種反映，腦電數(shù)據(jù)中包含有許多有價(jià)值的信息，是研究大腦這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的一種重要途徑。 我們可以通過腦電儀測(cè)得腦電信號(hào)這一事實(shí)激發(fā)了無數(shù)科學(xué)家和藝術(shù)家的想象力，

2、他們?cè)O(shè)想把腦電信號(hào)作為一種通信和控制的媒介，應(yīng)用到人機(jī)交互中，并嘗試借助于計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠記錄和分析受試者的腦電活動(dòng)，從所記錄的腦電時(shí)間序列數(shù)據(jù)中提取出與受試者的認(rèn)知活動(dòng)相關(guān)的EEG模式特征，根據(jù)所識(shí)別的特征，產(chǎn)生能夠控制計(jì)算機(jī)或其他外周設(shè)備的控制命令。由于此類系統(tǒng)能夠使受試者不依賴于外周神經(jīng)、肌肉等通常的腦輸出通道，直接通過大腦達(dá)到計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的目的，因此該系統(tǒng)被稱為腦機(jī)接口系統(tǒng)(Brain-Compute

3、r Interface，BCI)。 腦機(jī)接口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子、機(jī)械工程等多個(gè)學(xué)科，需要投入相當(dāng)多的人力和物力。而且，目前BCI研究中所需要的無噪聲、理想的EEG采集環(huán)境、昂貴的設(shè)備并不總是能夠獲得；另外，在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)之前，設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證也是非常必要的。因此，本文的研究不是探討如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)BCI系統(tǒng)，我們的研究更加關(guān)注于BCI研究的核心問題—EEG模式特征的識(shí)別

4、和分類。在本文中，我們通過離線的仿真模擬在線的實(shí)時(shí)BCI系統(tǒng)，研究BCI中的核心問題。 EEG數(shù)據(jù)的隨機(jī)性、我們關(guān)于EEG的知識(shí)的不完備性，以及分類問題的模糊性、隨機(jī)性等問題，使得在面向腦機(jī)接口的EEG模式分類中存在不確定性問題。本文針對(duì)EEG模式分類中所存在的不確定性問題，結(jié)合人工智能中的定性推理和云模型等不確定推理方法，(1)提出了基于對(duì)視覺觀測(cè)進(jìn)行定性建模的棘波腦電檢測(cè)方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性； (2)

5、提出了基于云模型的特征提取方法，并將其應(yīng)用到仿真BCI系統(tǒng)—“隨意敲擊鍵盤”(self-paced key typing)的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中，利用所提取的特征，構(gòu)建了線性回歸等分類模型，并在對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中所采集的運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦電的預(yù)測(cè)中取得了較高的分類正確率。 (3)針對(duì)離線仿真BCI系統(tǒng)，我們從系統(tǒng)性能和系統(tǒng)可信度兩個(gè)方面提出了一系列的BCI評(píng)估方法，從EEG輸入數(shù)據(jù)的有效性、輸出結(jié)果的正確性以及將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的轉(zhuǎn)換算法的復(fù)雜性三個(gè)方面對(duì)離線仿