无创脑电信号特征提取与分类算法研究
脑电信号是人体机能的重要信息，有驱动行为，表达情感、感受外界等等方面的作用。了解脑电信号的内容，可以探究人体内部生理活动、探索行为的意义。自发脑电（EEG）是因为其高分辨率、采集简便、方便获取、无损等特点得到研究人员广泛的青睐。当用采集设备获取到脑电信号数据后，进行预处理，再用相关算法提取出原始信号的特征值，并进一步利用这些特征值来识别分类，计算分类正确率。本实验在Matlab仿真环境下进行，研究对象为自发脑电信号。首先，论文研究了特征提取中的四种算法：小波变换、快速傅立叶变换、谱估计和共空间模式算法。在比较四种算法的优缺点后，最终选择了快速傅立叶算法进行本实验的特征提取。实验算法成功从原始信号数据中提取出四组特征值，并绘制了特征图像。然后，实验选择了神经网络分类算法对脑电信号进行识别，再多次比较不同情况下的分类准确率后，实验所能达成的最高分类准确率为92.75 %。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2发展现状 3
1.2.1无创脑电信号特征提取的发展现状 3
1.2.2无创脑电信号分类的发展现状 4
1.3本文研究内容 5
第2章 脑电信号的采集和预处理 7
2.1脑电信号的采集设备 8
2.2脑电信号的采集方法 10
2.3脑电信号的预处理方法 10
2.3.1脑电信号的小波去噪原理 10
2.3.2几种小波去噪方法 11
2.4本章小结 11
第3章 脑电信号的特征提取与分类 12
3.1脑电信号特征提取方法 13
3.1.1小波变换 14
3.1.2快速傅立叶变换 15
3.1.3谱估计 15
3.1.4 共空间模式算法 15
3.2脑电信号分类方法 16
3.2.1线性判别式分析 16
3.2.1SVM分类 16
3.2.1 ANN分类 16
3.3本章小结 17
第4章 仿真实验与分析
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
18
4.1数据来源 18
4.2仿真工具 19
4.3实验步骤 21
4.4结果分析 23
4.5本章小结 27
第5章 总结与展望 28
5.1总结 28
5.2展望 28
参考文献 30
第1章 绪论
1.1研究背景和意义
脑电信号从大脑发出，是人体的重要生理信号，客观地反映出了人体的生理状态[1]。脑电信号受到人体的神经系统和内分泌系统的协同调节，其中含有相当丰富的信息。能妥善处理脑电信号，对了解人的生理功能和处理生理信息方面有重要的意义。事实上，脑电信号处理早已走过了一定发展道路，但受制于总体科学技术水平的限制，一直没有迅猛的发展。近几年来，越来越多的人关注到脑电信号处理行业，由于其未来幻想般的图景和产业渗透性高，势必成为一个研究热门，未来会以跨时代的意义改变民众的生活。
本论文所研究的方向在脑电信号处理环节中的特征提取与分类环节。此环节是是脑机接口技术（braincomputer interface，简称BCI）最核心的部分。脑机接口技术是实现人脑与计算机或其他设备的通讯与控制的系统，它基于脑电信号的处理，包括脑电信号的输入、处理、分类、输出，是一门综合型的科学[2]。与物联网技术类似，脑机接口技术是一种新型的人机交互形式[3,4]，未来的人机交互模式一定是更加友好，更加智能，那么脑机接口技术则提供了一个实现的蓝图。脑机接口技术主要分为以下两类：单向脑机接口和双向脑机接口。单向脑机接口系统指的是计算机只能接受大脑传来的命令或者发送信号到大脑中，但发送和接收信号不能同时完成。而双向脑机接口系统则能允许双方同时的信息交换。以往人们从想象到动作还需要经过肌肉动作，而BCI技术则使得人类可以仅通过人脑想象来完成动作，那可以帮助残疾病人或肌肉使用有困难的患者来实行各种行为。目前，一些简单的技术已逐步应用于日常生活。
脑电的信号通常是一种冗杂的信号，在其中包含了非常大的信息量。要想实现脑机交互或交流，最为关键的技术便是从复杂的脑电信号中进行特征提取和分类，使得某一种“特定思维”与某一种脑电信号形成一对一的配对关系，以便于下一步的控制，来应用于外部设备。现在，在脑电信号识别方面已经取得了许多成果。
脑电信号的主要研究对象有两种，为主动执行思维任务产生的脑电和被动接收刺激产生的诱发脑电[5]，论文以下章节会有详细描述。从研究方向来分，脑电信 号研究下分有运动想象脑电信号研究、图像识别研究、音乐识别研究、病理识别研究等。
脑电信号的识别为新型人机相互开拓了一条有效的通道，随着技术的成熟，脑电技术必将应用于健康康复、医学诊断、体育训练、心理研究等方方面面，具有广阔的前景。在辅助运动方面，坐在轮椅上的老人可凭借脑部想象，构建出“直行”、“转弯”“后退”等指令，应用脑机接口技术的轮椅则不需要老人肌肉活动来进行移动，完成脑到机器的直接联系。在医学诊断方面，专家可通过异形的脑电信号快速诊断出癫痫病症等，为病人节约时间以免错过最佳治疗时间。倘若发展下去，BCI技术还能应用与日常娱乐生活，像漫画《刀剑神域》中用脑子控制游戏中的动作，《阿凡达》中用思想控制飞行等图面便可实现。
脑电信号的的实际应用能很好地改善人与外界交流的方式，更进一步能对外部环境进行控制，提高人的生活品质。尤其在康复医学和残疾设备应用方面有跨时代的意义。
涉及脑电的行业作为新兴技术，离大规模应用于民还有一定距离。因为脑电的特征提取和分类目前还有许多难以克服的难关，故始终停留在实验室阶段。脑电信号的研究意义可在以下几个方面：
（1）改变交流方式：如大家所知，目前主要的交流方式是书面文字交流和语言交流。两者交流方式均需要通过肌肉运动，而倘若是严重肌肉萎缩症患者，比如霍金，与外界交流起来则非常的困难。使用脑电信号的交流则不需要通过肌肉运动，它的外设能直接显示脑电信号传递的信息，大大方便了思想交流，是与外界交流困难者的福音。下面已成功的TTD实验使得表达困难人群能与外界进行简单交流。受试者经过培训，可以使用慢波脑电波（SCP）对字母或者单词进行选择，从而实现对外部的交流。对于一些不能直接进行选择的患者，也提供“是”“否”两个选项，完成简单的信息传递。但是，目前信息的传输速率不高，准确性也比较低，难以实现复杂的交流，并且设备对训练者也有一定要求，适用度低。
（2）能对环境进行控制： 此项功能的理论基础是虚拟现实技术。虚拟现实技术具备安全及目标可移动的特点，故能为神经系统活动的训练和调整提供良好的环境[6]。实例中，实验者的大脑发出命令，通过脑电信号的检测、分析识别、确认，经输出设备对目标进行控制。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2发展现状 3
1.2.1无创脑电信号特征提取的发展现状 3
1.2.2无创脑电信号分类的发展现状 4
1.3本文研究内容 5
第2章 脑电信号的采集和预处理 7
2.1脑电信号的采集设备 8
2.2脑电信号的采集方法 10
2.3脑电信号的预处理方法 10
2.3.1脑电信号的小波去噪原理 10
2.3.2几种小波去噪方法 11
2.4本章小结 11
第3章 脑电信号的特征提取与分类 12
3.1脑电信号特征提取方法 13
3.1.1小波变换 14
3.1.2快速傅立叶变换 15
3.1.3谱估计 15
3.1.4 共空间模式算法 15
3.2脑电信号分类方法 16
3.2.1线性判别式分析 16
3.2.1SVM分类 16
3.2.1 ANN分类 16
3.3本章小结 17
第4章 仿真实验与分析
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
18
4.1数据来源 18
4.2仿真工具 19
4.3实验步骤 21
4.4结果分析 23
4.5本章小结 27
第5章 总结与展望 28
5.1总结 28
5.2展望 28
参考文献 30
第1章 绪论
1.1研究背景和意义
脑电信号从大脑发出，是人体的重要生理信号，客观地反映出了人体的生理状态[1]。脑电信号受到人体的神经系统和内分泌系统的协同调节，其中含有相当丰富的信息。能妥善处理脑电信号，对了解人的生理功能和处理生理信息方面有重要的意义。事实上，脑电信号处理早已走过了一定发展道路，但受制于总体科学技术水平的限制，一直没有迅猛的发展。近几年来，越来越多的人关注到脑电信号处理行业，由于其未来幻想般的图景和产业渗透性高，势必成为一个研究热门，未来会以跨时代的意义改变民众的生活。
本论文所研究的方向在脑电信号处理环节中的特征提取与分类环节。此环节是是脑机接口技术（braincomputer interface，简称BCI）最核心的部分。脑机接口技术是实现人脑与计算机或其他设备的通讯与控制的系统，它基于脑电信号的处理，包括脑电信号的输入、处理、分类、输出，是一门综合型的科学[2]。与物联网技术类似，脑机接口技术是一种新型的人机交互形式[3,4]，未来的人机交互模式一定是更加友好，更加智能，那么脑机接口技术则提供了一个实现的蓝图。脑机接口技术主要分为以下两类：单向脑机接口和双向脑机接口。单向脑机接口系统指的是计算机只能接受大脑传来的命令或者发送信号到大脑中，但发送和接收信号不能同时完成。而双向脑机接口系统则能允许双方同时的信息交换。以往人们从想象到动作还需要经过肌肉动作，而BCI技术则使得人类可以仅通过人脑想象来完成动作，那可以帮助残疾病人或肌肉使用有困难的患者来实行各种行为。目前，一些简单的技术已逐步应用于日常生活。
脑电的信号通常是一种冗杂的信号，在其中包含了非常大的信息量。要想实现脑机交互或交流，最为关键的技术便是从复杂的脑电信号中进行特征提取和分类，使得某一种“特定思维”与某一种脑电信号形成一对一的配对关系，以便于下一步的控制，来应用于外部设备。现在，在脑电信号识别方面已经取得了许多成果。
脑电信号的主要研究对象有两种，为主动执行思维任务产生的脑电和被动接收刺激产生的诱发脑电[5]，论文以下章节会有详细描述。从研究方向来分，脑电信 号研究下分有运动想象脑电信号研究、图像识别研究、音乐识别研究、病理识别研究等。
脑电信号的识别为新型人机相互开拓了一条有效的通道，随着技术的成熟，脑电技术必将应用于健康康复、医学诊断、体育训练、心理研究等方方面面，具有广阔的前景。在辅助运动方面，坐在轮椅上的老人可凭借脑部想象，构建出“直行”、“转弯”“后退”等指令，应用脑机接口技术的轮椅则不需要老人肌肉活动来进行移动，完成脑到机器的直接联系。在医学诊断方面，专家可通过异形的脑电信号快速诊断出癫痫病症等，为病人节约时间以免错过最佳治疗时间。倘若发展下去，BCI技术还能应用与日常娱乐生活，像漫画《刀剑神域》中用脑子控制游戏中的动作，《阿凡达》中用思想控制飞行等图面便可实现。
脑电信号的的实际应用能很好地改善人与外界交流的方式，更进一步能对外部环境进行控制，提高人的生活品质。尤其在康复医学和残疾设备应用方面有跨时代的意义。
涉及脑电的行业作为新兴技术，离大规模应用于民还有一定距离。因为脑电的特征提取和分类目前还有许多难以克服的难关，故始终停留在实验室阶段。脑电信号的研究意义可在以下几个方面：
（1）改变交流方式：如大家所知，目前主要的交流方式是书面文字交流和语言交流。两者交流方式均需要通过肌肉运动，而倘若是严重肌肉萎缩症患者，比如霍金，与外界交流起来则非常的困难。使用脑电信号的交流则不需要通过肌肉运动，它的外设能直接显示脑电信号传递的信息，大大方便了思想交流，是与外界交流困难者的福音。下面已成功的TTD实验使得表达困难人群能与外界进行简单交流。受试者经过培训，可以使用慢波脑电波（SCP）对字母或者单词进行选择，从而实现对外部的交流。对于一些不能直接进行选择的患者，也提供“是”“否”两个选项，完成简单的信息传递。但是，目前信息的传输速率不高，准确性也比较低，难以实现复杂的交流，并且设备对训练者也有一定要求，适用度低。
（2）能对环境进行控制： 此项功能的理论基础是虚拟现实技术。虚拟现实技术具备安全及目标可移动的特点，故能为神经系统活动的训练和调整提供良好的环境[6]。实例中，实验者的大脑发出命令，通过脑电信号的检测、分析识别、确认，经输出设备对目标进行控制。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/3031.html
