脑电信号特征提取与分类

简介1.1 简介大脑，也称为端脑，是脊椎动物大脑的高级和主要部分。 它是控制运动、产生感觉、实现大脑高级功能的高级神经中枢。大脑是人体高级神经活动的中心，它控制着人体复杂而精密的系统。对人脑的神经机制和高级功能进行多层次、多学科的综合研究，已成为当代脑科学发展的热点之一。人的思维、语言、知觉和运动能力都是通过大脑对人体器官和相应肌肉群的有效控制来实现的。人脑由大约 1011 个相互连接的单元组成，每个单元有大约 10 个连接，称为神经元。在生物学中，神经元由三部分组成：树突、轴突和细胞体。神经元的树突在称为突触的部分中与其他神经元的轴突相连。神经元之间的信号传递是通过这些突触进行的。生物电信号的本质是离子在膜上的流动，而不是电子的流动。每次足够大的刺激使神经元细胞去极化时，可以记录沿轴突波形传导的持续 1-2 个 ERP 的尖峰动作电位。动作电位升到最高点后开始下降，产生一些小的超极化波动，然后又回到静息电位（Resting potential，RP）是指细胞在没有受到刺激时，存在于外层和外层。细胞膜内外两侧的内侧。负电位差）。

人体神经细胞的静息电位为-70mV（即内膜电位比外膜电位低70mV）。这种变化过程的潜力就是局部潜力。局部电位是分析和整合神经系统信息的基础。细胞膜的电特性决定了神经元的电活动。当神经元受到外界刺激时，神经细胞膜内外两侧的电位差减小，从而增加了膜的兴奋性。当兴奋性超过一定阈值时，就会产生神经冲动或兴奋，并将神经冲动或兴奋传递给下一个神经元。由上可知，膜电位是神经组织正常功能的基本条件，是兴奋的本质。膜电位使神经元能够接收刺激信号并将该刺激信号向下传递到神经束。在神经元内部脑机接口技术几时可以实现，树突的形状像树根，由许多细小的神经纤维组成脑机接口技术几时可以实现，这些神经纤维可以接收电信号，然后将它们传送到细胞体。如果树突是树的根，那么细胞体就是树桩，它处理树突传输的信号。如果信号超过某个阈值，细胞体继续将信号传递给轴突。轴突的形状像树干，是一种细长的纤维体，通过突触将信号从细胞体传递到相邻神经元的树突。突触连接的强度和神经元的排列都会影响神经组织的输出。正是这种错综复杂的神经结构和复杂的信息处理机制，使人脑具有高度智能。我们的大脑一直在产生脑电波。对于大脑来说，脑细胞就像是大脑中的“微型发电站”。

早在1857年，英国年轻的生理学家R.Caton就记录了猴子和兔子大脑的脑电图活动，并发表了一篇论文《脑灰质电现象研究》，但当时并没有引起广泛关注。 1872年，贝克（A.Beck）再次发表脑电波论文，引起广泛关注，从而掀起了脑电波研究的热潮。然而，直到 1924 年，德国精神病学家 H. Berger 才真正记录了人脑的脑电波，人类脑电图诞生了。图1.1人脑图1.2神经元图1.2Brain-Computer Interface Overview1.2.1Brain-Computer Interface 背景及含义 计算机接口（Brain-ComputerInterfaceBCI ) 建立在大脑和外部设备之间的脑机接口技术产生于1970年代，是一项多学科的跨学科技术。目前，它在国际研究领域非常活跃。它涉及生物技术、生物医学工程、纳米技术、识别知识科学、信息技术、计算机科学、神经科学和应用数学等，已成为众多学科科研人员的研究热点。人脑是一个极其复杂的系统，它研究人类的思维机制，实现对周围环境神经系统损伤患者的治疗。信息交换是神经病学领域极为重要的研究课题。人体脑电信号综合反映了大脑神经系统的思维活动，是分析大脑状况和神经活动的主要依据。与脑血管病、癫痫、神经系统丧失等其他疾病密切相关。

因此，脑电信号的分析、处理和分类识别对脑部疾病的发病预测、识别和预防具有重要意义。 BCI 为人们与外界的交流和控制提供了另一种方式。人们不能通过语言和动作进行交流，而是通过脑电信号直接表达自己的思想和控制设备，这也为智能机器人的未来发展提供了条件。一种更灵活的信息交换方式。脑机接口作为连接生物智能系统和人工智能系统的复杂平台，脑机接口的研究是一项长期而艰巨的任务。近十年来，脑机接口研究取得了可喜的发展。在全球范围内，越来越多的学者、教师和其他研究人员参与到脑机接口的研究热潮中。 BCI装置的应用大致有以下四个方面：一是为思维正常但神经肌肉系统麻痹（如脊髓或脑干）损伤、肌萎缩侧索硬化等患者设计合适的BCI装置。控制身体肌肉并与之交流；二是在传统控制方式不能完全满足某些场景的控制要求时，为特殊环境下的操作人员（如医疗外科、航空航天等）提供辅助控制；第三，BCI设备可以为人们提供另一种新的娱乐方式，比如玩“思想”的网络游戏；四是在研究自动控制的同时，加深对人脑电活动规律的认知深度。以上四个方面的第一个应用场景是目前最重要的应用，随着研究的深入和拓展，其他更多的应用场景也在增加。

时至今日，大部分BCI系统仍处于实验室的理论研究阶段，直到最近几年才逐渐在实际医疗器械中出现。 BCI系统将“计算机”和“人脑”完美的融合在了一个系统中，可以说实现了一句老话：“想像会成真”。虽然BCI技术的开发还存在很多技术难点，但从目前取得的阶段性成果中，我们看到了开发此类设备的重要科学价值和广阔的应用前景。现在，利用脑机接口技术开发的人机交互系统也广泛应用于航空航天、智能控制和信息处理等领域。我国约有3200万10]老年人需要不同形式的照护，目前我国养老服务设施严重不足。同时，还有很多因各种灾害和疾病导致的残疾人，进一步增加了对服务设施的需求。目前，许多发达国家使用服务机器人为老年人和残疾人提供服务，以提高他们的生活质量。然而，由于大部分服务机器人通过语音、按键等传统方式与人类交互，很多老年人和残疾人已经部分或完全丧失了自主控制肌肉的能力，甚至出现吞咽和说话困难。这样的服务机器人非常困难。如何让这部分人群重新获得控制外界的能力和与外界沟通的能力，帮助他们回归现代社会，是当前的研究热点[11]。

脑机接口是人脑与计算机或其他电子设备之间建立的直接通信和控制通道。通过这个通道，人们可以直接通过大脑表达想法或操纵其他设备，而不需要肢体动作或语言，是一种新的交流和控制方式。由于其无创、记录简单、时间分辨率高，利用脑电图获取人脑电活动信号已成为脑机接口研究和神经系统疾病患者康复等领域的重要监测手段。脑机接口的研究具有非常深远的意义，特别是在脑机接口的实用设备方面。目前，国内很多科研单位和高校都在积极开展脑机接口的研究工作。而且，随着对脑机接口的研究越来越深入，一些团队已经成功开发出一些基本的脑机接口原型[12]。此外，也有企业认为脑机接口的市场前景十分广阔，正专注于开发医疗或非医疗应用的脑机接口产品