王雪嬌陽, 王連明

(1.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，長(zhǎng)春 130024；2.海南熱帶海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，三亞 572022)

腦電圖(electroencephalogram,EEG)是一種利用電極記錄下來的、可以反映腦功能與人的意識(shí)行態(tài)的生物電信號(hào)，由于其具有無創(chuàng)、便捷性強(qiáng)、時(shí)間分辨率高的特點(diǎn)，常被應(yīng)用于腦機(jī)接口(brain computer interface, BCI)[1]?；谀X電圖的BCI系統(tǒng)主要的研究方向有：基于運(yùn)動(dòng)想象的BCI系統(tǒng)；基于穩(wěn)態(tài)試聽誘發(fā)電位的BCI系統(tǒng)、基于P300的BCI系統(tǒng)、其中左右手運(yùn)動(dòng)想象分類是目前的研究熱點(diǎn)之一[2]。

研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)想象時(shí)產(chǎn)生的EEG信號(hào)同自發(fā)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的EEG信號(hào)相似，當(dāng)人們想象一側(cè)身體運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)側(cè)大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)的腦電mu節(jié)律(8～13 Hz)和beta節(jié)律(13～30 Hz)的幅值降低，該現(xiàn)象稱作事件相關(guān)去同步(event-related desynchronization, ERD)，而同側(cè)大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)的mu節(jié)律和beta節(jié)律幅值升高出現(xiàn)事件相關(guān)同步(event-related synchronization, ERS)現(xiàn)象[3-5]。這種反應(yīng)差異是BCI系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象識(shí)別的重要特征和依據(jù)。

2003年BCI競(jìng)賽數(shù)據(jù)集Ⅲ和2005年BCI競(jìng)賽數(shù)據(jù)集Ⅲa是近年來常被用作研究左右手運(yùn)動(dòng)想象識(shí)別的兩個(gè)公共數(shù)據(jù)集。對(duì)于數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ，當(dāng)針對(duì)C3、C4通道進(jìn)行時(shí)頻變換提取能量譜和邊際譜特征，分時(shí)段和分頻段輸入給集成分類器進(jìn)行分類時(shí)，得到識(shí)別率最高，可達(dá)95.57%[6]，其他基于ERD/ERS現(xiàn)象進(jìn)行特征提取并識(shí)別的方法得到的識(shí)別率普遍在90%以上[2,7-11]。而對(duì)于數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa，對(duì)11個(gè)通道(包含C3、C4)的EEG進(jìn)行Stockwell變換，并運(yùn)用與共空間模式(common spatial pattern, CSP)相結(jié)合的方法得到各頻帶特征向量，使用LS-SVM(least square-support vector machine)進(jìn)行分類，得到最終準(zhǔn)確率達(dá)92.43%[12]，在現(xiàn)有研究?jī)?nèi)，其他研究方法得到的識(shí)別率平均在80%左右[13-17]。

對(duì)前人研究結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在基于ERD/ERS現(xiàn)象的特征提取及分類方法下，利用C3、C4通道的腦電信號(hào)，得到數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ對(duì)運(yùn)動(dòng)想象的識(shí)別率普遍高于數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa，為了探究識(shí)別率差異原因，進(jìn)一步提高識(shí)別率提供思路，從噪聲含量、受試者對(duì)于運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的反應(yīng)程度以及C3、C4兩通道能量差異三個(gè)方面，對(duì)影響運(yùn)動(dòng)想象識(shí)別率的因素進(jìn)行分析與驗(yàn)證。

1 數(shù)據(jù)集介紹

1.1 2003數(shù)據(jù)集 Ⅲ

2003年BCI競(jìng)賽數(shù)據(jù)集Ⅲ是有關(guān)左右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的腦電數(shù)據(jù)集。實(shí)驗(yàn)中有一名受試者，實(shí)驗(yàn)任務(wù)分類兩類，左手運(yùn)動(dòng)想象和右手運(yùn)動(dòng)想象，每類任務(wù)各進(jìn)行280次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)采集時(shí)長(zhǎng)為9 s，實(shí)驗(yàn)過程如圖1(a)所示，前2 s受試者處于放松狀態(tài)；第3 s系統(tǒng)會(huì)有聲音提示表明試驗(yàn)開始；第4 s開始電腦屏幕上會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)一個(gè)箭頭(指向左或者右)，受試者需要根據(jù)箭頭的指示想象左手或右手運(yùn)動(dòng)。腦電數(shù)據(jù)的采集通過三對(duì)差分電極獲得，電極的放置遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)10～20導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)中C3、Cz、C4三個(gè)通道的位置，如圖1(b)所示。數(shù)據(jù)的采樣頻率為128 Hz，并經(jīng)過0.5～30 Hz的濾波。

圖1 數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ實(shí)驗(yàn)范式

1.2 2005數(shù)據(jù)集Ⅲa

2005年BCI競(jìng)賽數(shù)據(jù)集Ⅲa是四類(左手、右手、腳和舌頭)運(yùn)動(dòng)想象腦電數(shù)據(jù)集。該實(shí)驗(yàn)共有三名受試者，分別被標(biāo)記為k3b、k6b、l1b，其中k3b受試者每類進(jìn)行90次試驗(yàn)；k6b和l1b受試者每類進(jìn)行60次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)采集的時(shí)長(zhǎng)為7 s，實(shí)驗(yàn)過程如圖2(a)所示，前2 s受試者處于靜息狀態(tài)，第3 s系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴提示受試者準(zhǔn)備，第4 s電腦屏幕上隨機(jī)顯示指向上、下、左、右的箭頭，受試者開始根據(jù)箭頭提示進(jìn)行想象舌頭、腳、左手或者右手運(yùn)動(dòng)持續(xù)4 s，每次試驗(yàn)之間休息3.24 s。該數(shù)據(jù)集的腦電數(shù)據(jù)由60個(gè)通道組成，電極位置如圖2(b)所示。數(shù)據(jù)的采樣頻率為250 Hz，并經(jīng)過1～50 Hz濾波。

圖2 數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa實(shí)驗(yàn)范式

由于需要對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，因此對(duì)2005 Ⅲa數(shù)據(jù)集只選取左右手(類別1和類別2)運(yùn)動(dòng)想象的數(shù)據(jù)。

2 影響因素分析

腦電信號(hào)是一種信噪比較低的微弱生物電信號(hào)，其包含的噪聲來源分為非神經(jīng)源噪聲和神經(jīng)源噪聲。其中非神經(jīng)源噪聲有眼動(dòng)偽跡、肌電干擾、工頻噪聲等，此外，參考兩個(gè)數(shù)據(jù)集的采集過程，傳感器的電極接觸不良產(chǎn)生的偽跡也是一種必須考慮的噪聲來源；而神經(jīng)源噪聲包括自發(fā)的與意念無關(guān)的信號(hào)或者與感興趣特征腦電無關(guān)的其他特征信號(hào)，大腦在處于靜息狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部的神經(jīng)元族也保持著放電過程，故在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)時(shí)，對(duì)于誘發(fā)腦電來說，自發(fā)腦電就是一種必須考慮的干擾。所以腦電信號(hào)噪聲的多少被認(rèn)為是影響識(shí)別率的一個(gè)因素。對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行8～30 Hz的濾波，因此高頻的肌電信號(hào)與低頻的眼電信號(hào)偽跡不作為噪聲考慮[18-19]。

采集設(shè)備與人的大腦直接接觸的部分一般為Ag/AgCl電極，但由于電極與頭皮之間存在傳導(dǎo)阻抗，并且兩數(shù)據(jù)集中包含多位受試者的數(shù)據(jù)，每位受試者的頭皮狀態(tài)不同，阻抗大小也因此不同，而阻抗的存在會(huì)導(dǎo)致信號(hào)采集的靈敏度降低，進(jìn)而削弱信號(hào)中隱含的特征[20]。另外，在運(yùn)動(dòng)想象BCI系統(tǒng)中，存在盲BCI現(xiàn)象，即由于被試腦機(jī)制的差異，被試在采用現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)想象模式時(shí)，無法誘發(fā)出較強(qiáng)的ERD/ERS等特征信號(hào)[21-22]。因此，將受試者對(duì)任務(wù)反應(yīng)程度考慮為影響運(yùn)動(dòng)想象識(shí)別的因素之一。

ERD/ERS現(xiàn)象不僅具有時(shí)間特異性和頻帶特異性，還具有空間特異性，即與大腦皮層的運(yùn)動(dòng)區(qū)相關(guān)[5]。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)10-20導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，C3、C4通道分別處于大腦運(yùn)動(dòng)感覺皮層的左腦中心位置和右腦中心位置，為最能體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)變化的兩個(gè)通道。通過對(duì)2003、2005年兩個(gè)數(shù)據(jù)集特征提取及識(shí)別方法的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，能量譜特征和邊際譜特征多被作為特征向量進(jìn)行左右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的分類[6,10-11,13-15]。因此C3、C4通道信號(hào)的能量差異也可能是影響運(yùn)動(dòng)想象識(shí)別的因素。

故針對(duì)數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ和數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa分類識(shí)別率相差較大的問題，從噪聲含量、運(yùn)動(dòng)想象開始后受試者反應(yīng)程度、C3和C4通道信號(hào)能量差三方面對(duì)運(yùn)動(dòng)想象識(shí)別影響因素進(jìn)行分析，并分別對(duì)這三個(gè)因素進(jìn)行驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

兩個(gè)數(shù)據(jù)集中的腦電信號(hào)在時(shí)域內(nèi)是隨機(jī)非平穩(wěn)的，如圖3所示。因此基于運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)的特點(diǎn)，即ERD/ERS現(xiàn)象，通過Stockwell變換(簡(jiǎn)稱S變換)將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)頻域內(nèi)，得到信號(hào)在不同頻率下的分量[12]。圖4為圖3中腦電信號(hào)經(jīng)過S變換在時(shí)頻域下的可視化特征圖，圖4中顏色亮的位置表示相應(yīng)時(shí)間和頻率的腦電信號(hào)的能量高，即ERS現(xiàn)象，反之，暗的地方能量低，即ERD現(xiàn)象[13]。由此，可以從時(shí)頻圖上直觀地看到每次試驗(yàn)?zāi)X電信號(hào)對(duì)任務(wù)的反應(yīng)程度。

圖3 時(shí)域的運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)

圖4 時(shí)頻域的運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)

3.1 噪聲差異

噪聲信號(hào)是一種隨機(jī)非平穩(wěn)信號(hào)，由于它的幅值和頻率呈現(xiàn)隨機(jī)性，在時(shí)頻圖中體現(xiàn)為雜亂、無規(guī)則的絮狀亮網(wǎng)[23]。圖4中運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)誘發(fā)的EEG特征體現(xiàn)在底部的較明亮條帶，而整個(gè)時(shí)頻圖中布滿絮狀亮網(wǎng)絡(luò)，因此認(rèn)為誘發(fā)腦電信號(hào)中的噪聲在時(shí)頻圖中對(duì)應(yīng)為絮狀亮網(wǎng)。為了體現(xiàn)數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ與數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa的差別，對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)集中所有試驗(yàn)的時(shí)頻圖進(jìn)行像素直方圖統(tǒng)計(jì)，如圖5～圖8所示。圖5為數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ兩類運(yùn)動(dòng)想象EEG的時(shí)頻圖的像素直方圖平均曲線；圖6～圖8為數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa三名受試者兩類運(yùn)動(dòng)想象EEG的時(shí)頻圖的像素直方圖平均曲線。橫坐標(biāo)為像素，縱坐標(biāo)為各像素值的個(gè)數(shù)占總像素?cái)?shù)的百分比。圖中紅色豎線對(duì)應(yīng)的像素k0為占比最大的像素，k0越低、對(duì)應(yīng)的百分比越大，表示時(shí)頻圖中暗的部分越多，即絮狀亮網(wǎng)絡(luò)越少，噪聲含量越少。根據(jù)曲線整體趨勢(shì)以及像素k0可以看出數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ的信號(hào)噪聲少于數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa。

圖5 數(shù)據(jù)集2003Ⅲ像素直方圓平均進(jìn)線

圖6 數(shù)據(jù)集2003Ⅲa(k3b)像素直方圓平均曲線

圖7 數(shù)據(jù)集2005Ⅲa(k6b)像素直方圓平均曲線

圖8 數(shù)據(jù)集2005Ⅲa(11b)像素直方圖平均曲線

3.2 對(duì)任務(wù)反應(yīng)程度差異

兩個(gè)數(shù)據(jù)集的實(shí)驗(yàn)范式都要求受試者第3 s開始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象，對(duì)比兩個(gè)數(shù)據(jù)集左手運(yùn)動(dòng)想象的時(shí)頻特征，如圖9、圖10所示。由圖9、圖10可知，第3 s后與第3 s前相比，數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ的腦電信號(hào)出現(xiàn)較明顯的能量變化，即ERD/ERS現(xiàn)象，而數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa反應(yīng)微弱，無明顯變化。

圖9 數(shù)據(jù)集2003Ⅲ左手運(yùn)動(dòng)想象EEG時(shí)頻圖

圖10 數(shù)據(jù)集2005Ⅲa(k3b)左手運(yùn)動(dòng)想象EEG時(shí)頻圖

利用對(duì)比信號(hào)在時(shí)頻域下第3 s前后的平均累積能量(mean cumulative energy，MCE)來判斷每次試驗(yàn)是否為有效試驗(yàn)，得到每個(gè)數(shù)據(jù)集的有效試驗(yàn)次數(shù)比例，以此作為分析識(shí)別率存在差異的依據(jù)。選取8～30 Hz頻段的MCE表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

式(1)中:ef(t)為在時(shí)刻t頻率f下的信號(hào)能量；H和W分別為EEG在8～30 Hz頻段的時(shí)頻特征矩陣的行數(shù)和列數(shù)。

對(duì)于左手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)，反應(yīng)特征為左側(cè)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)能量升高，右側(cè)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)能量降低，若C3通道第3 s后的MCE大于第3 s前的MCE，或C4通道第3 s后的MCE小于第3 s前的MCE，則認(rèn)為該次試驗(yàn)為合格。對(duì)于右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)來說，ERD/ERS現(xiàn)象應(yīng)體現(xiàn)為右側(cè)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)能量升高，左側(cè)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)能量降低，若C4通道第3 s后的MCE大于第3 s前的MCE，或C3通道第3 s后的MCE小于第3 s前的MCE，則認(rèn)為該次試驗(yàn)為有效試驗(yàn)。兩個(gè)數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ的任務(wù)反應(yīng)程度分析有效試驗(yàn)次數(shù)比例

表2 數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa的任務(wù)反應(yīng)程度分析有效試驗(yàn)次數(shù)比例

對(duì)比表1、表2可知，數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ中有效試驗(yàn)次數(shù)占比為92.5%，高出2005年數(shù)據(jù)集達(dá)5.4%，說明了數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ的受試者對(duì)運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的反應(yīng)明顯于2005年數(shù)據(jù)集的受試者。

3.3 C3C4兩通道信號(hào)能量差大小的差異

為了抑制左右腦信號(hào)的噪聲干擾，增強(qiáng)左右感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域的信號(hào)差異，將C3、C4通道的時(shí)頻特征按照采樣點(diǎn)做差，累積腦電信號(hào)在f1-f2頻段內(nèi)的能量差值，并將同一受試者所有次試驗(yàn)的能量差值曲線疊加平均，得到每位受試者對(duì)應(yīng)的能量差值曲線Df1f2(t)，表達(dá)式為

(2)

左手運(yùn)動(dòng)想象開始之后，EEG的mu節(jié)律和beta節(jié)律的能量發(fā)生變化，且在C3通道中能量增加，同時(shí)在C4通道中能量降低；右手運(yùn)動(dòng)想象則相反。因此C3、C4通道能量差值曲線在左手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)下應(yīng)呈正趨勢(shì)，而在右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)下呈負(fù)趨勢(shì)[24]。兩個(gè)數(shù)據(jù)集中各受試者的C3、C4通道在 8～30 Hz頻段內(nèi)的能量差值曲線如圖11～圖14 所示，為了使曲線的趨勢(shì)更加明顯，圖中用紅色虛曲線表示能量差值經(jīng)過20階多項(xiàng)式擬合后的結(jié)果。

圖11 數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ C3、C4通道能量差值曲線

圖12 數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa(k3b)C3、C4通道能量差值曲線

由圖11～圖14可知，第3 s運(yùn)動(dòng)想象開始后，2003年數(shù)據(jù)集受試者與2005年數(shù)據(jù)集中k3b受試者的能量差值曲線，在左手任務(wù)下呈正趨勢(shì)，右手任務(wù)下呈負(fù)趨勢(shì)；k6b受試者的左右手任務(wù)下的曲線趨勢(shì)近似一致；l1b受試者的曲線在左手任務(wù)下呈負(fù)趨勢(shì)，右手任務(wù)下呈正趨勢(shì)。

圖14 數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa(11b)C3、C4通道能量差值曲線

由于腦電信號(hào)的信噪比較低，對(duì)左右手想象的分類不穩(wěn)定，因此采用時(shí)間序列投票的方法對(duì)不同時(shí)間段的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總，可以緩解這種影響。首先，考慮到相鄰段之間的差異相對(duì)較小，對(duì)運(yùn)動(dòng)想象后的時(shí)段每隔0.1 s計(jì)算一次C3、C4通道能量差的累積值，若此值為正，則預(yù)測(cè)該0.1 s對(duì)應(yīng)左手運(yùn)動(dòng)想象；若此值為負(fù)，則預(yù)測(cè)為右手運(yùn)動(dòng)想象。然后，每次試驗(yàn)的所有片段預(yù)測(cè)都參與投票來決定最終的預(yù)測(cè)，贏得更多選票的任務(wù)類別(左手或右手)將是這次試驗(yàn)的最終預(yù)測(cè)[24]。最后，若此預(yù)測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)集中所提供的正確類標(biāo)簽一致，認(rèn)為此次試驗(yàn)為有效試驗(yàn)；反之，為無效試驗(yàn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，兩個(gè)數(shù)據(jù)集在各腦電節(jié)律delta(1～4 Hz)、theta(5～8 Hz)、alpha(9～12 Hz)、beta(13～30 Hz)、gamma(30～60 Hz)以及8～30 Hz頻段下的有效試驗(yàn)情況如圖15所示。

圖15 各頻段C3、C4通道能量差分析有效試驗(yàn)次數(shù)比例

由圖15可以看出，數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ的有效試驗(yàn)次數(shù)比例明顯高于數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa中k6b和l1b兩位受試者的有效試驗(yàn)次數(shù)比例；數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa中k3b受試者的試驗(yàn)有效性最高，l1b受試者的試驗(yàn)有效性最低，此結(jié)果與C3、C4通道能量差值曲線所體現(xiàn)的結(jié)果一致。由于數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ和數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa中k3b受試者的結(jié)果在各頻段下普遍較好，因此將其作為參考，對(duì)比不同頻段的有效試驗(yàn)次數(shù)比例發(fā)現(xiàn)，mu節(jié)律和beta節(jié)律所在頻段8～30 Hz下的有效試驗(yàn)次數(shù)比例最高，且在該頻段數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ的有效試驗(yàn)比例高出數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa三位受試者的平均比例達(dá)29.78%。該結(jié)果說明了數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ的C3、C4能量差異趨勢(shì)在運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)有效頻段內(nèi)比數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa更標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

經(jīng)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)兩個(gè)BCI競(jìng)賽運(yùn)動(dòng)想象數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ和2005 Ⅲa的識(shí)別率普遍存在差異。針對(duì)該問題，從信號(hào)噪聲含量、受試者反應(yīng)程度和C3、C4通道能量差異三個(gè)方面對(duì)運(yùn)動(dòng)想象識(shí)別影響因素進(jìn)行了理論分析，進(jìn)而利用腦電信號(hào)的可視化時(shí)頻特征結(jié)合相關(guān)能量參數(shù)的方法對(duì)比兩個(gè)數(shù)據(jù)集。結(jié)果表明數(shù)據(jù)集2003 Ⅲ與數(shù)據(jù)集2005 Ⅲa相比，數(shù)據(jù)噪聲含量更少，受試者反應(yīng)程度明顯的試驗(yàn)次數(shù)占比高出5.4%，且C3、C4通道能量差異趨勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)次數(shù)占比高出29.78%，該結(jié)果解釋了兩個(gè)數(shù)據(jù)集以ERD/ERS現(xiàn)象為特征基礎(chǔ)的分類識(shí)別方法所得到的識(shí)別率存在差異的現(xiàn)象。通過研究影響運(yùn)動(dòng)想象識(shí)別的因素，為運(yùn)動(dòng)想象腦電數(shù)據(jù)有效性分析、以及提高基于腦電的運(yùn)動(dòng)想象識(shí)別率提供了新的思路。