摘  要： 針對目前腦機(jī)接口中提取明顯的腦電信號特征較難以及特征維數(shù)較多的缺陷，提出了一種多參數(shù)的公共空間頻率模式CSSP(Common Spatio-Spectral Pattern)算法對腦電信號進(jìn)行特征提取。該算法對不同通道的腦電信號采取不同的延時(shí)因子，增強(qiáng)了CSSP算法在頻域上的濾波效果。在對2003年國際腦機(jī)接口BCI(Brain Computer Interface)競賽的運(yùn)動(dòng)想象腦電識別中，利用多參數(shù)CSSP特征提取方法結(jié)合支持向量機(jī)SVM(Support Vector Machine)分類方法，在只提取兩維特征的情況下，較公共空間模式CSP(Common Spatial Pattern)與CSSP算法，分類的正確率有了明顯提高。同時(shí)，多參數(shù)的引入使該方法在特征提取上較CSP與CSSP算法具有更強(qiáng)的適用性。
關(guān)鍵詞： 腦機(jī)接口；腦電圖；CSSP算法；特征提??；支持向量機(jī)

    多年來，人們一直希望直接利用大腦中的電生理信號建立一種向外界傳遞信息和發(fā)送命令的通道，即所謂的腦機(jī)接口系統(tǒng)[1]。腦機(jī)接口BCI(Brain Computer Interface)是一種不依賴于大腦的外周神經(jīng)與肌肉正常輸出通路的通訊和控制系統(tǒng)[1]。由于非植入式BCI所獲取的腦電信號EEG(Electro Encephalo Gram)較微弱，同時(shí)受到心電、肌電等信號的干擾，使得提取腦電信號的特征存在較大的困難，所以尋求一種有效且適用性強(qiáng)的信號特征提取方法決定著BCI系統(tǒng)能否迅速發(fā)展及廣泛應(yīng)用。
    目前，腦電信號的特征提取通常有時(shí)域、頻域和空域方式，提取方法主要有以下幾種:(1)AR(Autoregressive)模型譜估計(jì)。該方法獲取了頻域上的譜信息但損失了時(shí)域上的信息，在對時(shí)間敏感的信號應(yīng)用上，得不到好的效果[2]。(2)時(shí)域分析法。時(shí)域分析法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能夠獲取時(shí)域和頻域上的特征，但是算法比較復(fù)雜，計(jì)算量比較大，不符合BCI系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。(3)公共空間模式CSP(Common Spatial Pattern)。CSP算法是基于兩個(gè)協(xié)方差矩陣的同時(shí)對角化來獲取空間濾波器。該空間濾波器對兩種類型的信號進(jìn)行空間濾波時(shí)起到相反的效果，當(dāng)其中一類經(jīng)過濾波后的方差越大時(shí)，另一類反而越小，這使得兩類的特征存在比較大的差異，對它們進(jìn)行分類就較容易[3]。但是CSP算法的不足之處就是無法操作頻域上的信息。(4)公共空間頻率模式CSSP(Common Spatio-Spectral Pattern)。CSSP算法原理上與CSP算法類似，但是CSSP算法優(yōu)于CSP算法之處是它不僅可以獲取空域上的信息，同時(shí)還可以對頻域上的信息進(jìn)行操作，使得提取的特征更加明顯。

1.2 多參數(shù)的CSSP算法
    本文研究的數(shù)據(jù)集的每一個(gè)序列是從3個(gè)電極(C3、Cz、C4)中采集得到的，所以輸入信號是一個(gè)三維的矩陣，而不是一維的向量。在使用CSSP算法對腦電信號進(jìn)行特征提取時(shí)，所引入的延時(shí)因子τ，只是一個(gè)單一的變量值[5-6]，對所有從不同電極所采集的信號進(jìn)行相同時(shí)間的延時(shí)?？紤]到從不同電極所采集到的信號反映不同類別的特征所在的頻段會存在一定的偏差，所以用單一的延時(shí)因子τ對所有序列進(jìn)行延時(shí)，并不能將兩類別差別最大的特征提取出來。因此，本文提出將單一的延時(shí)因子τ替換為多維變量[τ]，即對不同電極采集的信號采用不同的延時(shí)因子。按此方法，多參數(shù)的CSSP算法的公式演變?yōu)椋?br />
2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特征提取
    本文研究的數(shù)據(jù)集來自于2003年BCI競賽中運(yùn)動(dòng)想象的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，由奧地利工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)的醫(yī)學(xué)信息部門提供。
    該數(shù)據(jù)集采自于想象左右手運(yùn)動(dòng)的方法來控制一個(gè)運(yùn)動(dòng)桿的任務(wù)。該數(shù)據(jù)集包含280次實(shí)驗(yàn)，從中隨機(jī)抽取140次實(shí)驗(yàn)作為訓(xùn)練集，另外的140次作為測試集。每次實(shí)驗(yàn)所經(jīng)歷的時(shí)間為9 s。前2 s為準(zhǔn)備階段，受試者精神處于放松狀態(tài)，無任何動(dòng)作。在第2 s出現(xiàn)一個(gè)聲音的刺激信號，提示受試者做好準(zhǔn)備，從第2 s到第3 s，屏幕上出現(xiàn)一個(gè)十字形的持續(xù)提示信號，從第3 s開始，屏幕上隨機(jī)出現(xiàn)向左或向右的箭頭，提示實(shí)驗(yàn)者進(jìn)入想象左右手運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)階段。
2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理
    單邊的肢體運(yùn)動(dòng)或想象運(yùn)動(dòng)時(shí)，大腦同側(cè)產(chǎn)生事件相關(guān)同步電位ERS(Event-Related Synchronization)，大腦對側(cè)產(chǎn)生事件相關(guān)去同步電位ERD(Event-Ralated Desynchronization)[7]，這兩種電位主要位于運(yùn)動(dòng)感覺區(qū)并且主要反應(yīng)在mu節(jié)律和beta節(jié)律這兩個(gè)波段。由于這兩個(gè)波的頻率帶主要集中在8 Hz～30 Hz，所以需對運(yùn)動(dòng)想象腦電信號進(jìn)行8 Hz～30 Hz帶通濾波的預(yù)處理。本文通過加窗濾波的方式對數(shù)據(jù)集的每一通道進(jìn)行帶通濾波。采用的窗函數(shù)為矩形窗，階數(shù)為60。
2.2 特征提取
    本文所采用的數(shù)據(jù)集的每一次實(shí)驗(yàn)所用的時(shí)間為9 s，而真正的實(shí)驗(yàn)階段為3 s～9 s，所以只將3 s～9 s的數(shù)據(jù)用于特征提取。在參考文獻(xiàn)[2]中，實(shí)驗(yàn)者在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，在第4 s～5 s對左右手想象運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)得最為明顯，可以認(rèn)為這一時(shí)間段是實(shí)驗(yàn)者腦活動(dòng)最為活躍的階段，因此，用該時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。
    設(shè)經(jīng)過預(yù)處理得到的第4 s～5 s的兩類樣本數(shù)據(jù)為Tr_13×128×140和 Tr_23×128×140(三個(gè)下標(biāo)分別代表電極數(shù)、每秒的采樣數(shù)、試驗(yàn)次數(shù))，按照三維的延時(shí)參數(shù)[τ]對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)操作，得到δ[τ]Tr_13×128×140和δ[τ]Tr_23×128×140，將這兩類數(shù)據(jù)各自按行連接起來，構(gòu)成X_13×17920和 X_23×17920，利用式(4)構(gòu)造出兩類的輸入信號，利用多參數(shù)的CSSP算法求出空間濾波器W。本文只采用能量最大w1與最小w2的兩個(gè)方向組成空間頻率濾波器，再運(yùn)用式(5)求出輸出信號Z。將經(jīng)兩個(gè)方向投影后的輸出信號Z分別做方差運(yùn)算作為腦電分類的特征，即特征f為：
    f=(var(z1)  var(z2))                              (9)
3 實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)結(jié)果分析
    本文采用支持向量機(jī)的分類方法。支持向量機(jī)是通過某個(gè)內(nèi)核函數(shù)將輸入信號映射到一個(gè)高維特征空間，進(jìn)而在高維特征空間尋找一個(gè)最優(yōu)的分類面。本文采用高斯核作為核函數(shù)。
3.1 實(shí)驗(yàn)步驟
    (1)給定延時(shí)參數(shù)[τ]3×1以及初始值、支持向量機(jī)參數(shù)c和g的范圍并選擇c和g的步長。本文給定的[τ]3×1范圍為[1 1 1]′～[6 6 6]′(采樣頻率為128 Hz時(shí)，每一個(gè)單位代表1/128 s)，初始值為[1 1 1]′(參數(shù)為[0 0 0]′時(shí)即不采用延時(shí)參數(shù)，本質(zhì)上即CSP算法)。c和g參數(shù)的范圍為20～212，步長為2。
    (2)利用多參數(shù)的CSSP算法以及給定的[τ]3×1值提取出140個(gè)訓(xùn)練樣本特征。利用網(wǎng)格搜索法與五折交叉驗(yàn)證法，在給定的支持向量機(jī)參數(shù)范圍內(nèi)對訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練，求出使得分類正確率最高的支持向量機(jī)參數(shù)，得到最佳的分類模型。
    (3)在所給的延時(shí)參數(shù)[τ]3×1范圍內(nèi)，計(jì)算出每一個(gè)[τ]3×1所對應(yīng)的測試集的特征，利用已獲得的最佳分類模型對這些測試集特征進(jìn)行分類。
    (4)在給定的范圍內(nèi)，賦予[τ]3×1新的值，返回第二步驟，直到[τ]3×1參數(shù)范圍內(nèi)所有值都用來對訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練為止。
3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析
    利用上面所闡述的方法，通過尋找訓(xùn)練集與測試集各自所對應(yīng)的最佳延時(shí)參數(shù)，可以提取出訓(xùn)練集與測試集不同類別間差別較大的特征，對于不同的測試者產(chǎn)生的腦電信號可以訓(xùn)練出一個(gè)最佳的分類模型。令C3、Cz、C4這三個(gè)電極采集的數(shù)據(jù)序列的延時(shí)參數(shù)[τ]3×1為τ1、τ2、τ3三個(gè)變量。在訓(xùn)練集采用最佳的延時(shí)參數(shù)[3 4 5]的情況下，將參數(shù)τ1固定，改變參數(shù)τ2、τ3得到測試集的正確率，如圖1所示。

    從圖1可以看出，當(dāng)τ1=3時(shí)，測試集的分類正確率總體上較采取其他τ1參數(shù)高。這說明，C3電極采取的延時(shí)參數(shù)為3時(shí)，可以將C3電極采集到的數(shù)據(jù)中所含類別特征不明顯的頻段最大程度地濾除掉。當(dāng)τ1=3、τ2=4、τ3=6時(shí)，測試集的分類正確率最高，為87.14%。可以看出，采用最佳的延時(shí)參數(shù)，可以提取出反映不同類別間差別最大的特征。

    另一方面，采用本文所論述的方法，使用較少的特征維數(shù)就可以達(dá)到較高的分類正確率，克服了當(dāng)前許多腦電特征維數(shù)多、不易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析且算法復(fù)雜等缺點(diǎn)。對BCI2003的運(yùn)動(dòng)想象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，較CSP算法與CSSP算法分類正確率有了明顯的提高，比較結(jié)果如表1所示。
    從表1可以看出，對于多參數(shù)CSSP算法，訓(xùn)練集與測試集的最佳延時(shí)參數(shù)很接近，說明測試者經(jīng)過訓(xùn)練之后，已經(jīng)能夠很好地控制自己進(jìn)入運(yùn)動(dòng)想象的狀態(tài)。另外，本文論述的方法優(yōu)于CSP與原始CSSP算法，訓(xùn)練集與測試集的正確率都有一定程度的提高，說明了該算法的有效性。該算法選取了多個(gè)延時(shí)參數(shù)克服了原始CSSP算法的延時(shí)參數(shù)單一缺點(diǎn)，提高了該算法在特征提取上的正確性。
    本文通過對運(yùn)動(dòng)想象腦電信號進(jìn)行8 Hz~30 Hz較明顯頻段的帶通濾波，利用多參數(shù)的公共空間頻率模型對訓(xùn)練集與測試集進(jìn)行特征提取,并利用支持向量機(jī)對所提取的特征進(jìn)行分類，在給定的延時(shí)參數(shù)范圍內(nèi)，尋找出使得所提取的特征維數(shù)少且明顯性強(qiáng)的最佳參數(shù)，進(jìn)一步提高了分類的實(shí)時(shí)性和正確性，這對BCI系統(tǒng)應(yīng)用于各種領(lǐng)域的設(shè)備如康復(fù)器械、軍事設(shè)備等大批量開發(fā)將具有一定的參考價(jià)值。
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