基于少通道脑电的运动想象型脑机接口的研究文献综述

 2022-10-29 20:50:56
  1. 文献综述（或调研报告）：

脑机接口是一种新形式的人机接口，其目的是作为一种脑与计算机之间的直接交流通道，帮助遭受严重运动功能障碍的人在不调用任何外部肌肉的情况下，仅仅通过意识活动引起的脑信号变化来完成与外部设备的交互。

通常来说，一个脑机接口应包含信号获取、预处理、特征提取、分类（检测）和应用接口五个成分。对于基于EEG的脑机接口，信号获取部分负责脑电信号的采集。预处理部分的任务是提高信噪比，包括减少人为因素干扰以及其它高级的信号处理方法的应用。预处理完成后，信号被交由特征提取算法，这一步的目的是找到合适的EEG信号特征以简化接下来的脑活动模式分类或检测。目前有各种各样的许多用于脑机接口的特征提取算法，包括快速傅里叶变换、频带功率、自回归建模、小波分析、共空间模式等等。分类步骤利用从特征提取步骤中获取的信号特征来将原始EEG信号分类为某一种模式。分类器的输出通过应用接口被转化为可以用于控制外部设备的信号。

以运行方式来划分，脑机接口可分为两类——在线系统和离线系统。离线系统是基于刺激的、计算机引导的、同步的脑机接口。其使用一个预先定义好的、固定的时间窗口，在视觉或听觉刺激后，被试开始行动以产生某个确定的意识活动状态。现今大部分脑机接口都是离线系统。在线系统是不需要刺激的、用户引导的、不同步的脑机接口[1, 2]。在线系统需要连续不断地对脑信号进行记录、特征提取和分析，因此，通常来讲，在线系统比离线系统的要求更高，也更加复杂。举例来说，一个二分类的离线系统，在在线系统中由于需要对工作态或静息态进行识别就变得更加复杂。

近几年有研究工作发现，想象一个动作激活的皮层区域与相同动作执行时的激活区域相似，并且有着相似的时间特性[3]。大量FMRI研究证实自主动作的准备阶段和想象时的激活模式相似[4]。但是二者之间的区别除了有动作想象期间的多种动作区域的激活，感知觉和视空间成分的影响也需要考虑，因为动作想象很有可能包含视觉和运动觉的内部表征。后来的研究也证实了这种观察与执行的匹配系统的存在[5]，所以当考虑运动想象脑机接口运行期间的视觉反馈的影响时，这点就显得尤其重要了。一些EEG研究发现，当被试在想象手部动作时，初级感觉运动区会被激活，mu;节律出现事件相关去同步现象[6, 7]，其时空模式的定量分析显示当想象一侧手运动时初级感觉运动区出现了明显的偏侧激活，就如手部自主运动前的计划和准备阶段一样。慢皮质电位移位[8]也证明了这一点。右手的运动想象会影响左侧感觉运动皮层的mu;和beta;节律，而脚的运动想象则有相反的影响——增强mu;节律的震荡。不过相比于mu;节律明显的事件相关同步现象，beta;节律的事件相关去同步现象可以说是微乎其微。由此可见，持续EEG信号中的频率特异性反应模式使得区分不同种动作想象成为可能。

一些基于动作想象的三分类脑机接口近几年已经得到了不错的发展。有研究使用快速傅里叶变换提取EEG特征，得到了80%的正确率。而EEG是非平稳信号，因此仅仅使用傅里叶变换是不足以提取出重要特征的。同时有研究提出，无论是单独使用傅里叶变换还是自回归系数都不足以对多任务EEG信号进行分类识别[9]。于是研究[10]提出从不同域中提取出不同特征进行组合，如提取mu;节律的频带功率特征，随后应用共空间模式算法进行处理，由五名被试得到的平均正确率达到了85%。相空间重构作为一种非线性方法，近年来被越来越多地用于对非平稳的EEG信号的进行分析。多种特征的组合也能够帮助提高分类正确率，但是大量的特征会导致分类器承担过于重的计算负担，因此找到合适的方法从大量特征中筛选出一些最有用的特征用于分类也是一种解决分类器负担问题又不显著影响分类正确率的方法。另外配合合适的时间窗口和偏移值，也会对提高正确率做出贡献[11]。

参考文献

1. Pfurtscheller, G. and C. Neuper, Motor imagery and direct brain-computer communication. Proceedings of the Ieee, 2001. 89(7): p. 1123-1134.

2. Nicolelis, M.A.L., Actions from thoughts. Nature, 2001. 409(6818): p. 403-407.

3. Decety, J., et al., MAPPING MOTOR REPRESENTATIONS WITH POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY. Nature, 1994. 371(6498): p. 600-602.

4. Roth, M., et al., Possible involvement of primary motor cortex in mentally simulated movement: a functional magnetic resonance imaging study. Neuroreport, 1996. 7(7): p. 1280-4.

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