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第8期顏世玉等:基于小波包分解的意識(shí)腦電特征提取1749

［4-6］。壯大，已經(jīng)舉辦過3次BCI的國際會(huì)議

BCI的關(guān)鍵技術(shù)在于如何快速有效地提取EEG的特

3小波包變換

征和如何提高分類正確率。目前常用的特征提取和分類的方法大致有線性和非線性2類，其中特征提取的方法

［7］

快速傅里葉變換(fastFouriertrans-主要有功率譜法、form，F(xiàn)FT)法、AR)模型法［8］;共自回歸(autoregressive，［9］同空間模式(commonspatialpattern，CSP)法，以及小

［10-11］［11］

、波(包)分析法混沌分析法等;使用的分類方法

小波變換是由傅里葉變換發(fā)展起來的一種多尺度的

信號(hào)分析方法，在時(shí)間、尺度兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力，因此非常適合分析非平穩(wěn)腦電信號(hào)的瞬態(tài)和時(shí)頻特性。

信號(hào)f(t)的連續(xù)小波變換定義為:

1

Wx(a，b)=f(t)Ψt－bdt

a主要有線性判別法、k-最近鄰規(guī)則法、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)

［12］

法、支持向量機(jī)(supportvectormachine，SVM)法等。本文提出一種基于小波包變換的特征提取方法。該方法將大腦C3和C4處采集的2路信號(hào)利用小波包分解到4層，通過計(jì)算特征頻帶(8～12Hz)的小波包系數(shù)方差和相對(duì)小波包能量作為特征，使用最簡線性分類方法，以分類正確率作為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)檢驗(yàn)，較好地反映了腦電信號(hào)的事件相關(guān)去同步化(ERD)/事件相關(guān)同步化(ERS)［13］，為BCI研究中運(yùn)動(dòng)想象腦電的模式識(shí)別提供了新的思路。

∫

()

(1)

b)為小波變換系數(shù)，a為伸縮因子或尺度因式中:Wx(a，

b為平移因子，子，Ψ(t)為小波函數(shù)，t為時(shí)間。二進(jìn)離散小波變換的定義為:

Cj，k=

∫

∞

－∞

f(t)Ψj，k(t)dt

(2)

=2－j/2Ψ(2－jt－k)。式中:Ψj，k(t)

在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用Mallat快速分解算法。相對(duì)于小波變換，小波包變換對(duì)上層的低頻部分和高頻部分，都進(jìn)行了再分解，提高了時(shí)頻分辨率，為腦電信號(hào)提供了更為精細(xì)的分析方法。

在滿足測(cè)不準(zhǔn)原理的條件下，小波包能將運(yùn)動(dòng)腦電信號(hào)x(t)按任意的時(shí)頻分辨率分解到不同的頻段，并將信號(hào)x(t)的時(shí)頻成分相應(yīng)的投影到所有代表不同頻段的正交小波包空間上。設(shè)腦電信號(hào)屬于尺度空間V，對(duì)其進(jìn)行3Vi表示第i尺層空間劃分的過程示意如圖2所示。圖中，1，2，…，2i－1)個(gè)小波包子空間

。度的第n(n=0，

n

2數(shù)據(jù)描述

本文的腦電數(shù)據(jù)來源于2003年BCI競(jìng)賽數(shù)據(jù)集

［14］Ⅲ，由奧地利GRAZ大學(xué)提供。實(shí)驗(yàn)是由一個(gè)帶有反饋的在線BCI系統(tǒng)組成，所執(zhí)行的任務(wù)是通過想象左右手運(yùn)動(dòng)來控制光標(biāo)的移動(dòng)，其時(shí)序如圖1所示

。

圖2

圖1

腦電實(shí)驗(yàn)時(shí)序圖

Fig．1TimingsequencediagramofEEGexperiment

小波包分解示意圖

Fig．2Sketchdiagramofwaveletpacketdecomposition

0～2s為休息時(shí)間，實(shí)驗(yàn)持續(xù)9s，在第2s時(shí)有一提示聲提醒被試注意，然后屏幕中央出現(xiàn)一個(gè)固定的十字，持續(xù)1s;第3s開始屏幕上出現(xiàn)一個(gè)向左或向右的連續(xù)移動(dòng)的箭頭，同時(shí)要求受試者想象左手或右手運(yùn)動(dòng)。實(shí)由差分電極從國際標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于同一個(gè)被試，

10/20導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)的C3和C4通道獲得，采樣頻率128Hz，共280次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)9s包含1152個(gè)數(shù)據(jù)。其中有140次實(shí)驗(yàn)是經(jīng)過出題者標(biāo)記的，，即已知該次實(shí)驗(yàn)是左手運(yùn)動(dòng)還是右手運(yùn)動(dòng)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，另外140次沒有給出運(yùn)動(dòng)方式，作為測(cè)試集。

由圖2可知，經(jīng)Mallat小波包分解，信號(hào)在低頻和高

頻部分都進(jìn)行進(jìn)一步地分解，這使得腦電信號(hào)x(t)經(jīng)過變換之后，信息量保存相對(duì)完整，損失很少。

4特征考慮

當(dāng)大腦皮質(zhì)某區(qū)域被激活時(shí)，該區(qū)域的代謝和血流增加，同時(shí)進(jìn)行性的信息加工可以導(dǎo)致腦電波Alpha節(jié)律(指EEG的8～13Hz成分)和Beta節(jié)律(14～30Hz成分)幅度的降低，稱為事件相關(guān)去同步(ERD)。Alpha節(jié)律和Beta節(jié)律在大腦靜息或惰性狀態(tài)下表現(xiàn)出幅度

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