基于粗糙集離散化的多頻帶腦電特征選擇方法的研究

吳金玲

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,上海 201306）

腦—機(jī)接口（BCI）是一種新型的不依賴人的外圍神經(jīng)和肌肉組織與外部設(shè)備建立的直接交流通道，BCI系統(tǒng)可以把大腦神經(jīng)活動(dòng)信息直接轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的命令，實(shí)現(xiàn)大腦直接與外界的交流以及對(duì)外部環(huán)境的控制[1]，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間或者人與外部環(huán)境之間的通信，為嚴(yán)重喪失運(yùn)動(dòng)機(jī)能的病人與外界交流提供了可能性。

當(dāng)人們進(jìn)行肢體運(yùn)動(dòng)或想象運(yùn)動(dòng)時(shí)，在對(duì)側(cè)的大腦皮層會(huì)出現(xiàn)事件相關(guān)去同步現(xiàn)象（Event-related desynchronization，ERD），表現(xiàn)為在指定頻帶范圍內(nèi)，腦電信號(hào)中對(duì)應(yīng)特定神經(jīng)活動(dòng)相關(guān)的腦電節(jié)律能量的衰減的過(guò)程；而運(yùn)動(dòng)后或放松狀態(tài)下，對(duì)側(cè)大腦皮層會(huì)有節(jié)律波能量的增加，這稱為事件相關(guān)同步現(xiàn)象（Event-relatedsynchronization，ERS）[2]。在運(yùn)動(dòng)想象腦-機(jī)接口中，就是通過(guò)檢測(cè)腦電中的ERD/ERS現(xiàn)象來(lái)判斷用戶的運(yùn)動(dòng)想象腦電模式。

共同空間模式（Common Spatial Pattern，CSP）被認(rèn)為是提取ERD模式特征最好的方法之一，它通過(guò)最大化兩類任務(wù)的差異來(lái)提取ERD模式的特征[3-4]，但與運(yùn)動(dòng)想象相關(guān)的ERD/ERS的模式存在著較大的個(gè)體差異，每個(gè)人腦電信號(hào)所表現(xiàn)出來(lái)的特性在頻帶分布上會(huì)有所差異，運(yùn)用單一頻帶的CSP特征難以良好的區(qū)分不同個(gè)體的運(yùn)動(dòng)想象模式。大量研究表明[5-6]，CSP性能與頻帶選擇有密切的關(guān)系，在不同頻帶的CSP特征包含不同的可辨別的腦電信息,因此分頻帶選擇不同受試的個(gè)性化頻帶能夠提高不同任務(wù)的腦電識(shí)別準(zhǔn)確度。

為了解決這個(gè)問(wèn)題提，本文著眼于左右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)，提出了一種新的特征選擇算法—基于粗糙集離散化的多頻帶CSP腦電特征選擇方法。具體流程分為4步：1）采用帶通濾波器濾波，將單一頻帶段分成多頻帶段；2）運(yùn)用CSP算法提取不同頻帶的腦電特征；3）運(yùn)用粗糙集理論的離散化算法來(lái)選取有效頻帶的腦電特征量，剔除冗余特征量；4）運(yùn)用SVM分類器評(píng)價(jià)最終的分類準(zhǔn)確度。

1 方 法

1.1 系統(tǒng)框架

文中所采用的方法如圖1所示，將每個(gè)受試采集的630 Hz的腦電數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)10通道的選擇，再經(jīng)過(guò)11個(gè)頻帶的帶通濾波器濾波，頻帶寬度為4 Hz，相鄰濾波器之間重疊2 Hz。信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器濾波后，分別進(jìn)行CSP特征提取，得到腦電特征向量。特征向量經(jīng)過(guò)離散化算法進(jìn)行個(gè)性化頻帶特征選擇，選擇后的有效特征用于SVM分類器的訓(xùn)練，最終得到分類準(zhǔn)確率。

圖1 離線分析基本框圖Fig.1 Basic block diagram for offline analysis

1.2 基于粗糙集理論的特征選擇算法

假設(shè)選取的特征量對(duì)應(yīng)的邏輯系統(tǒng)為T(mén):x→y，其一組樣本構(gòu)成的集合為S={(xi,yi)}(yi∈{-1,1})，建模的目標(biāo)就是要建立分類界面，為此可以由一組折線擬合它，這些折線的坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成了坐標(biāo)的一組分點(diǎn)，因此可以通過(guò)對(duì)輸入變量坐標(biāo)選取分點(diǎn)將輸入空間劃分成不同的區(qū)域，在每一區(qū)域中盡可能的只包含同一類的樣本。因此選取最佳特征量可以看作選取適當(dāng)?shù)奶卣髁?，?duì)其選取適當(dāng)?shù)姆贮c(diǎn)劃分后特征空間構(gòu)成的每個(gè)區(qū)域中包含同一類的概率最大。

為按照以上思想實(shí)現(xiàn)CSP特征量的選取，可以采用粗糙集理論中的數(shù)據(jù)離散化算法。粗糙集離散化算法有多種，從計(jì)算效率上考慮，本文采用基于分點(diǎn)（也稱斷點(diǎn)）重要性的算法[7]。假設(shè)本實(shí)驗(yàn)中經(jīng)多頻帶濾波后計(jì)算出來(lái)的CSP特征的維數(shù)為m，粗糙集離散化算法用于在m維的特征中選擇出最有效的特征組合，使其能夠較好的區(qū)分兩類腦電信號(hào)。

2 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證方法的有效性，我們離線分析了5名受試左右手兩類運(yùn)動(dòng)想象的數(shù)據(jù)[8]。5名受試都是右手習(xí)慣，且先前沒(méi)有任何BCI經(jīng)驗(yàn)，平均年齡約為22.3 1.63。實(shí)驗(yàn)中受試都進(jìn)行左右手的運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)。每個(gè)受試參加7次實(shí)驗(yàn)（隔天一次），每次實(shí)驗(yàn)包括兩組實(shí)驗(yàn), 兩組實(shí)驗(yàn)之間會(huì)有10分鐘左右的休息時(shí)間。每組實(shí)驗(yàn)包括10次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)由20個(gè)左中手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)組成，每類任務(wù)各10個(gè)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)均采用13通道導(dǎo)聯(lián)（FC3 FC4 FCz C5 C3 C1 Cz C2 C4 C6 CP3 CPz CP4）采集數(shù)據(jù)，持續(xù)時(shí)間為3 s，分為10個(gè)步長(zhǎng)（每個(gè)步長(zhǎng)0.3 s），采樣頻率為256 Hz,濾波頻率為5～30 Hz。本次試驗(yàn)中我們隨機(jī)選取每個(gè)受試1天實(shí)驗(yàn)中的前一組10次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了離線分析，且選取了C3，C4及其周圍的共10個(gè)電極通道（FC3 FC4 C5 C3 C1 C2 C4 C6 CP3 CP4）的數(shù)據(jù)。

2.1 離線數(shù)據(jù)分析方法

1）基于粗糙集離散化算法的分頻帶特征選取

隨機(jī)選取每名受試一天中的前10次實(shí)驗(yàn)的腦電數(shù)據(jù)，再隨機(jī)選擇其中90%（180個(gè)樣本 ）的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，10%（20個(gè)樣本）的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，且都經(jīng)過(guò)10通道數(shù)據(jù)的選擇。將訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)11個(gè)不同頻帶的橢圓帶通濾波器，然后用CSP提取特征（每類2個(gè)特征），1個(gè)頻帶4個(gè)特征，11頻帶44個(gè)特征。然后用粗糙集離散化算法對(duì)提取的CSP特征進(jìn)行選擇，用選出的特征用來(lái)訓(xùn)練模型進(jìn)而對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行模式分類。測(cè)試集的數(shù)據(jù)也經(jīng)過(guò)同樣的11個(gè)橢圓帶通濾波器分頻帶濾波，然后得出的多頻帶的特征用SVM進(jìn)行分類。如此對(duì)每個(gè)受試10次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行20次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選擇訓(xùn)練集和測(cè)試集，但訓(xùn)練集和測(cè)試集的比例為9:1保持不變。

2）單一頻帶的CSP特征提取

將1）中的隨機(jī)選擇的20次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相同的10通道選擇，不經(jīng)過(guò)分頻帶濾波和粗糙集離散化算法特征選取，直接用單頻帶CSP特征訓(xùn)練模型然后用SVM進(jìn)行分類。

2.2 結(jié)果與討論

表1 單頻帶/多頻帶平均訓(xùn)練準(zhǔn)確率和平均分類準(zhǔn)確率Tab.1 The average training accuracy and average classif i cation accuracy for single band/multiband

表1中第1列為離線分析的5名受試者的序號(hào)，第2-3列分別為5名受試單一頻帶20次試驗(yàn)的平均訓(xùn)練準(zhǔn)確度和平均分類準(zhǔn)確，第4-5列分別為5名受試分頻帶20次實(shí)驗(yàn)的平均訓(xùn)練準(zhǔn)確度和平均分類準(zhǔn)確度。

表1為5名受試的單一頻帶和用粗糙集分頻帶的20次實(shí)驗(yàn)的平均訓(xùn)練準(zhǔn)確率和平均分類準(zhǔn)確率，可以看出，經(jīng)過(guò)粗糙集算法處理后的訓(xùn)練準(zhǔn)確率和分類準(zhǔn)確率總體上都有不同程度的提高。從表中可以看出，受試1、受試2、受試4、受試5單一頻帶平均分類準(zhǔn)確率均未超過(guò)60%，受試2、受試4甚至低于50%。而經(jīng)過(guò)粗糙集處理后受試2、受試4的平均分類準(zhǔn)確率超過(guò)了50%接近60%,受試1、受試5的平均分類準(zhǔn)確率均超過(guò)60%接近70%,受試3的平均分類準(zhǔn)確率也從67%提升到75%以上。由此說(shuō)明此特征選擇算法是有效地。

3 結(jié) 論

文中對(duì)運(yùn)動(dòng)想象的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻帶濾波，并且對(duì)不同頻帶的數(shù)據(jù)進(jìn)行CSP特征提取，然后運(yùn)用粗糙集離散化算法對(duì)冗余特征進(jìn)行選擇，從而得到有效的特征表達(dá)。結(jié)果表明，基于粗糙集離散化的特征選擇方法比常規(guī)單一頻帶CSP可以得到更為有效的特征。

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