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脑电信号特征提取及分类 脑电信号特征提取及分类 错误！文档中没有指定样式的文字。 错误！文档中没有指定样式的文字。 第 1 章 绪论 1.1 引言 大脑又称端脑，是脊椎动物脑的高级的主要部分，由左右两半球组成及连接两 个半球的中间部分，即第三脑室前端的终板组成。它是控制运动、产生感觉及实现 高级脑功能的高级神经中枢[1]。大脑是人的身体中高级神经活动中枢， 控制着人体这 个复杂而精密的系统，对人脑神经机制及高级功能进行多层次、多学科的综合研究 已经成为当代脑科学发展的热点方向之一。 人的思维、语言、感知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[2]。人的大脑由大约 1011 个互相连接的单元体组成， 其中每个单元体 有大约 104 个连接， 这些单元体称做神经元。 在生物学中， 神经元是由三个部分组成： 树突、轴突和细胞体。神经元的树突和其他神经元的轴突相连，连接部分称为突触。 神经元之间的信号传递就是通过这些突触进行的。生物电信号的本质是离子跨膜流 动而不是电子的流动。每有一个足够大的刺激去极化神经元细胞时，可以记录到一 个持续 1-2ERP 的沿轴突波形传导的峰形电位-动作电位。动作电位上升到顶端后开 始下降，产生一些小的超极化波动后恢复到静息电位（静息电位（Resting Potential， RP）是指细胞未受刺激时，存在于细胞膜内外两侧的外正内负的电位差）。人的神 经细胞的静息电位为-70mV （就是膜内比膜外电位低 70mV）。这个变化过程的电位 是局部电位。局部电位是神经系统分析整合信息的基础。细胞膜的电特性决定着神 经元的电活动[3]。当神经元受到外界刺激时， 神经细胞膜内外两侧的电位差被降低从 而提高了膜的兴奋性，当兴奋性超过特定阈值时就会产生神经冲动或兴奋，神经冲 动或兴奋通过突触传递给下一个神经元。由上述可知，膜电位是神经组织实现正常 功能的基本条件，是兴奋产生的本质。膜电位使神经元能够接收刺激信号并将这一 刺激信号沿神经束传递下去。在神经元内部，树突的外形就像树根一样发散，由很 多细小的神经纤维丝组成，可以接收电信号，然后传递给细胞体。如果说树突是树 根的话，那么细胞体就是树桩，对树突传递进来的信号进行处理，如果信号超过特 定的阈值，细胞体就把信号继续传递给轴突。轴突的形状像树干，是一根细长的纤 维体，它把细胞体传递过来的信号通过突触发送给相邻神经元的树突。突触的连接 强度和神经元的排列方式都影响着神经组织的输出结果。而正是这种错综复杂的神 经组织结构和复杂的信息处理机制，才使得人脑拥有高度的智慧。我们的大脑无时 无刻不在产生着脑电波，对脑来说，脑细胞就像是脑内一个个“微小的发电站”。 早在 1857 年，英国的青年生理科学工作者卡通（R.Caton）就在猴脑和兔脑上记录 错误！文档中没有指定样式的文字。 错误！文档中没有指定样式的文字。 到了脑电活动，并发表了“脑灰质电现象的研究”论文，但当时并没有引起广泛的 关注[4] 。1872 年，贝克（A.Beck）[5]再一次发表脑电波的论文，才引起广泛关注，从 而掀起脑电现象研究的热潮。可是，直至 1924 年德国的精神病学家贝格尔（H.Berger） [6]才真正地记录到了人脑的脑电波，从此人的脑电图诞生了。 图 1.1 人脑图 图 1.2 神经元图 1.2 脑机接口概述 1.2.1 脑机接口背景及意义 脑-机接口( Brain-Computer Interface , BCI) 是在大脑与外部设备之间建立的 直接的交流通道。脑机接口技术产生于二十世纪七十年代，是一种多学科的交叉技 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、 认知科学、信息技术、计算机科学、神经科学和应用数学等，成为众多学科科研工 作者的研究热点。人的大脑是一个极其复杂的系统，研究人的思维机理、实现神经 系统损伤患者于周围环境进行信息交换是神经学领域里的极其重要的一项研究课 题。人体脑电信号综合地反映了大脑神经系统的思维活动，是分析脑状况和神经活 动的主要依据[7]。脑电信号与神经系统脑部疾病如脑血管病、癫痫、神经系统损失等 有着密切的关系。因此脑电信号的分析处理和分类识别对脑部疾病的病态预报、辨 识和防治具有很重要的意义。 错误！文档中没有指定样式的文字。 错误！文档中没有指定样式的文字。 BCI 为人们提供了与外界进行交流和控制的另一种方式，人们可以不通过语言 和动作来交流，而是直接通过脑电信号来表达思想、控制设备，这也为今后智能机 器人的发展提供了一个更为灵活的信息交流方式。脑 -机接口作为连接生物智能系统 和人工智能系统的一个复杂平台，对脑机接口的