寇建閣,李想,王娜,汪首坤,宮妍竹
(1.北京航空航天大學(xué),北京 100191;2.北京理工大學(xué),北京 100081;3.中國(guó)傳媒大學(xué)媒體融合與傳播國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100024)
隨著腦-機(jī)技術(shù)的發(fā)展,獲取的腦電信號(hào)可靠性越來(lái)越高,足以作為控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備[1,2]。但腦電信號(hào)的處理困難一直限制著腦-機(jī)技術(shù)的發(fā)展與工程實(shí)現(xiàn),降低了腦電信號(hào)的實(shí)用性。不同的濾波方式、信號(hào)處理方法都會(huì)影響腦電信號(hào)的解碼質(zhì)量。
腦電信號(hào)一般有高通濾波和低通濾波的預(yù)處理方法。高通濾波器一般會(huì)得到高頻率峰電位(Spikes)信號(hào);低通濾波后可以得到相對(duì)頻率相對(duì)較低的局部場(chǎng)電位信號(hào)(Local Potential Field,LFP),此類(lèi)腦電信號(hào)中蘊(yùn)含著豐富的運(yùn)動(dòng)相關(guān)信息[3]。為了探究癲癇的成病因素,Gotman等人[4]利用截止頻率為1 Hz的2階低頻濾波器對(duì)腦電信號(hào)做了預(yù)處理,然后提取了預(yù)處理之后的腦電信號(hào)特征,對(duì)癲癇疾病患者的腦電信號(hào)判斷起到了很好的效果,有利于癲癇疾病的診斷。Hammer[5]、Takufumi等人[6]分別證明了腦電信號(hào)在解析運(yùn)動(dòng)中的價(jià)值,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以佐證。Jeong-Hun[7]等應(yīng)用低頻皮層腦電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡解碼,得出“低頻信號(hào)中蘊(yùn)含了大量與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的信息,包括運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)間、方位和速度等”的結(jié)論。
腦電信號(hào)濾波作為信號(hào)解碼的前提條件,取得了積極的成效,但腦電信號(hào)在實(shí)際分析應(yīng)用中仍會(huì)存在不同的問(wèn)題。例如尖峰信號(hào)的分析中容易受到場(chǎng)地環(huán)境干擾,且長(zhǎng)期記錄效果不佳,LFP信號(hào)分析中低頻動(dòng)作、工頻干擾影響較大。因此,如何獲得一個(gè)穩(wěn)定、低噪的腦電信號(hào)是一重要關(guān)鍵問(wèn)題。
獲得高質(zhì)量的預(yù)處理腦電信號(hào)之后,對(duì)該信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確解碼是腦機(jī)接口的另一核心問(wèn)題。目前,支持向量機(jī)(Support Vector Machines,SVM)、線性判別分析(Linear Discriminant Analysis,LDA)、卡爾曼濾波(Kalman Filtering)等經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)算法已應(yīng)用到腦電解碼當(dāng)中[8]。深度學(xué)習(xí)算法因其模型可以在多種場(chǎng)合下應(yīng)用,且不需要基于先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的特征提取便能得到較好識(shí)別效果,從而獲得較多研究人員的青睞。基于小波分析的方法可提高參數(shù)準(zhǔn)確率,Neethu Robinson[9]通過(guò)腦電信號(hào)解碼獲得手部運(yùn)動(dòng)軌跡。精細(xì)回歸樹(shù)算法簡(jiǎn)單實(shí)用,在腦電信號(hào)解碼過(guò)程中可以發(fā)揮較好的效果,是流行的腦電信號(hào)解碼方法[10]。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得樣本特征,選擇合適且有效的數(shù)據(jù)解碼器,同時(shí)提出一種簡(jiǎn)單可靠的腦電信號(hào)預(yù)處理和特征提取方法和腦電信號(hào)解碼策略,建立腦電信號(hào)和步態(tài)間的映射關(guān)系,是至關(guān)重要的。本文提出采用低通巴特沃斯濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取,并采用短時(shí)傅里葉變換和重采樣的連續(xù)小波變換方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取。提取后的腦電信號(hào)特征經(jīng)過(guò)精細(xì)回歸樹(shù)模型與步態(tài)信號(hào)建立聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)了基于腦電信號(hào)的大鼠自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的步態(tài)解碼。
為采集自由活動(dòng)下大鼠的腦電和步態(tài)信號(hào),搭建了專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)裝置由小動(dòng)物走步機(jī)、支架、腦電采集裝置、攝像機(jī)、遮光筒等組成,如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,大鼠通過(guò)“馬甲”固定于支架上,上肢懸空不負(fù)重,后肢負(fù)重在走步機(jī)履帶上且可以自由行走。大鼠行走速度取決于走步機(jī)轉(zhuǎn)速與大鼠后肢走路熟練程度。走步機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)履帶轉(zhuǎn)速調(diào)整大鼠行走速度。在大鼠行進(jìn)過(guò)程中可通過(guò)此掛臂保持前臂懸空,只依靠后腿行進(jìn)。遮光筒用于遮擋大鼠眼部周?chē)饩€,減少外部環(huán)境干擾,使其行走時(shí)更加專(zhuān)注,同時(shí)降低腦電信號(hào)噪聲干擾。
圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置與信號(hào)采集示意圖
電極植入過(guò)程中,準(zhǔn)確定位嚙齒動(dòng)物模型腦區(qū)皮質(zhì)中后肢功能區(qū)域是重要的,這將決定信號(hào)采集的正確與否。本文采用Frost等人確定的后肢運(yùn)動(dòng)腦區(qū)對(duì)應(yīng)區(qū)域,定位其在前腦后部和顱骨縱向縫合中線的外側(cè)位置,從而確定大鼠大腦皮質(zhì)后肢運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的位置[11]。所有手術(shù)均在2~3%異氟醚富氧全麻下采用無(wú)菌技術(shù)完成。通過(guò)捏腳趾和控制呼吸頻率來(lái)監(jiān)測(cè)麻醉深度。動(dòng)物被放在一個(gè)立體定位的框架上,手術(shù)過(guò)程中保持麻醉狀態(tài)并保證呼吸暢通。手術(shù)的第一步是在頭皮正中切開(kāi)一道切口,從頭皮上撥開(kāi)所有組織暴露出頭骨。然后,確定Bregma點(diǎn)和Lambda點(diǎn),并標(biāo)記所需的開(kāi)顱位置。然后,在Lambda點(diǎn)的后部放置一枚螺絲釘以連接接地線,并在頭皮上額外安裝6枚螺絲釘以穩(wěn)定頭部的acrylic cement。微絲電極利用直徑在25 μm的商用金屬絲(鉑(70%)銥(30%)合金)制備。在M1的后肢區(qū)植入線間距為5 0 0 μm(1.5×1.5)的微絲陣列,電極為4 4排列,共16通道。在植入過(guò)程中將采集設(shè)備與電極相連,調(diào)整電極插入深度,并持續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄狀態(tài),直到信號(hào)信噪比相對(duì)較高時(shí)停止。該陣列的中心被植入在Bregma后方2.6 mm,中線外側(cè)2 mm,硬腦膜表面下約1.5 mm的位置,覆蓋后肢區(qū)的所有區(qū)域。最后用牙科丙烯酸樹(shù)脂封閉暴露的開(kāi)顱口和開(kāi)口區(qū),并做好術(shù)后護(hù)理。
實(shí)驗(yàn)環(huán)境為一個(gè)相對(duì)黑暗狀態(tài),大鼠腿部關(guān)鍵關(guān)節(jié)外側(cè)貼有反光球,走步機(jī)兩側(cè)各固定有用于追蹤大鼠步態(tài)的2臺(tái)3D攝像機(jī)。攝像機(jī)鏡頭邊緣附有補(bǔ)光燈,用于加強(qiáng)大鼠腿部關(guān)鍵點(diǎn)的反光效果,增強(qiáng)大鼠和腿部點(diǎn)的對(duì)比度,便于追光定位。步態(tài)信號(hào)通過(guò)Plexon CinePlex(Plexon Inc,Dallas,USA)步態(tài)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集,采集頻率為80 Hz。腦電信號(hào)采集系統(tǒng)(Plexon Inc,Dallas,USA)與步態(tài)信號(hào)采集裝置同步工作,信號(hào)通道數(shù)為16個(gè),采樣頻率為40000 Hz。最終,將采集的步態(tài)數(shù)據(jù)與腦電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于PC中。
初步濾波后的大鼠腦電信號(hào)仍包含較多噪聲干擾,這些干擾信號(hào)在采集系統(tǒng)中16通道的腦電信號(hào)中同時(shí)含有,這種干擾項(xiàng)會(huì)降低腦電信號(hào)的信噪比。為減少此類(lèi)噪聲的干擾,可通過(guò)均值降噪對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪處理[12]。
16通道的腦電圖都包含一個(gè)參考信號(hào),從原始數(shù)據(jù)中減去參考信號(hào)時(shí),這個(gè)差值可以更清楚地反應(yīng)大腦活動(dòng)的特征。使用信號(hào)幅值平均值作為參考信號(hào)Common Average Referencing(CAR)的方式可有效降低各個(gè)通道間信號(hào)噪聲。該方法一般用在多通道信號(hào)中,利用均值法處理腦電信號(hào)時(shí),假設(shè)有N個(gè)通道的腦電信號(hào),利用在某時(shí)刻N(yùn)個(gè)通道的信號(hào)值總和計(jì)算平均值,通過(guò)減法將N個(gè)通道的數(shù)值減去平均值,獲得該通道的實(shí)際數(shù)值,即所需信號(hào),其原理如公式(1)所示。
式中,N為信號(hào)通道數(shù);yn為第n通道的腦電信號(hào);y為原始腦電信號(hào);yfiltered為均值濾波后的信號(hào)。本文中,16通道腦電信號(hào)均滿(mǎn)足信號(hào)質(zhì)量要求,對(duì)每個(gè)通道的信號(hào)做均值濾波處理,可獲取16通道的腦電信號(hào),即n=16。
處理過(guò)程中,每個(gè)通道的信號(hào)均選用巴特沃斯濾波器進(jìn)行濾波,以通道1信號(hào)為例,結(jié)果如圖2所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為信號(hào)幅值。由圖中可看出,經(jīng)過(guò)均值濾波預(yù)處理之后,原始信號(hào)中高頻噪聲信號(hào)被消除,低頻信號(hào)得以突出,信號(hào)中的噪聲被進(jìn)一步弱化。
圖2 均值濾波后第一通道信號(hào)
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集的腦電信號(hào)因采集頻率過(guò)高會(huì)在特征提取時(shí)產(chǎn)生過(guò)擬合。為采集有效的高質(zhì)量信號(hào)特征,需對(duì)濾波降噪后的腦電信號(hào)進(jìn)行平滑處理。本文中,選用Savitzky-Golay濾波器(S-G濾波器)對(duì)均值濾波后的信號(hào)進(jìn)行平滑處理。處理過(guò)程中,采用3001長(zhǎng)度的3階窗函數(shù)S-G濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理,結(jié)果如圖3所示。與未濾波信號(hào)相比,處理過(guò)的信號(hào)保留了足夠的原始信號(hào)的信息量,同時(shí)降低了信號(hào)波動(dòng)和起伏程度,一定程度上提高了信噪比,有利于信號(hào)特征提取。
圖3 第一通道LFP信號(hào)通過(guò)S-G濾波平滑處理后結(jié)果
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,大鼠腿部的標(biāo)記點(diǎn)共有臀、膝、踝和足4個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)位。步態(tài)信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集系統(tǒng)獲取大鼠腿部關(guān)節(jié)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。通過(guò)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)獲取的坐標(biāo)點(diǎn)位,每?jī)蓚€(gè)相鄰關(guān)節(jié)點(diǎn)間可構(gòu)成一組向量。兩個(gè)向量之間的夾角可以反映某一關(guān)節(jié)隨時(shí)間變化的角度,本文以膝關(guān)節(jié)為參考點(diǎn)。向量的構(gòu)成方式如公式(2)所示:
式中,uk-h為膝部點(diǎn)位到臀部點(diǎn)位的向量;xk,yk,zk為膝關(guān)節(jié)三維坐標(biāo)值;xh,yh,zh為臀關(guān)節(jié)三維坐標(biāo)值。
基于關(guān)節(jié)點(diǎn)位向量可得出膝部點(diǎn)位到踝部點(diǎn)位、臀部點(diǎn)位的向量組?;谙嗤瑫r(shí)刻的向量組,可計(jì)算出以膝關(guān)節(jié)為頂點(diǎn)的夾角變化值,從而獲得大鼠膝關(guān)節(jié)沿Z方向的速度變化量。通過(guò)計(jì)算可獲得大鼠后肢Z軸準(zhǔn)確位置,結(jié)果如圖4所示。
圖4 大鼠腿部膝關(guān)節(jié)速度隨時(shí)間變化
本文基于回歸樹(shù)線性模型進(jìn)行建模,模型如公式(3)所示:
已知訓(xùn)練集D=(x1,y1),(x2,y2)…(xN,yN),其中X為輸入變量,f(x)為輸出變量。給定一組輸入空間劃分為R1,R2,R3…RM的數(shù)據(jù)集,每一個(gè)劃分的空間Rm對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出值cm。在對(duì)空間劃分后回歸樹(shù)模型的優(yōu)劣程度可以用平方誤差來(lái)描述,如公式(4)所示:
每組數(shù)據(jù)輸出值的最優(yōu)解可描述為整組數(shù)據(jù)所有點(diǎn)的平均值,如公式(5)所示:
已有空間劃分情況下回歸樹(shù)的最優(yōu)生成可由公式(5)進(jìn)行描述。一般情況下,在空間劃分過(guò)程中可采用以下方法:1)在所有輸入變量中找到第j個(gè)輸入變量xj,和它對(duì)應(yīng)的數(shù)值s作為初始的切分變量和切分點(diǎn),并通過(guò)此輸入變量將輸入空間劃分成如式(6)和(7)所示的兩個(gè)數(shù)值空間:
基于空間劃分,可以獲得公式(8)的優(yōu)化函數(shù)用于尋找最優(yōu)切分點(diǎn):
式中,c1,c2分別為初始子數(shù)據(jù)集R1和R2上的輸出值,min為最小值。
在建立回歸樹(shù)模型前將腦電和步態(tài)數(shù)據(jù)分成兩組數(shù)據(jù)集(各為50%),腦電特征作為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集,步態(tài)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征作為響應(yīng)數(shù)據(jù)集。在建立模型前,訓(xùn)練集數(shù)據(jù)特征采用主成分分析法(Principal Component Analysis,PCA)進(jìn)行處理。主成分分析法是一種常用的數(shù)據(jù)分析方法[13,14],這種方法的原理是對(duì)數(shù)據(jù)做線性變換,變換結(jié)果是一組各維度線性無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)表示形式,最終可以降低數(shù)據(jù)維度,提高訓(xùn)練成熟度。
本文通過(guò)對(duì)局部場(chǎng)電位信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理,選取信噪比最高、特征最明顯的結(jié)果。之后將LFP信號(hào)按照不同頻率劃分為6個(gè)信號(hào)區(qū)間,采用不同的提取方式進(jìn)行信號(hào)特征提取,基于提取的不同信號(hào)特征,利用回歸樹(shù)模型進(jìn)行大鼠步態(tài)解碼預(yù)測(cè),最終得出預(yù)測(cè)結(jié)果。
首先對(duì)16通道的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。在信號(hào)采集的16通道中,選擇單個(gè)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。在信號(hào)比較中,從所列出的濾波方法、特征提取方法和不同的步態(tài)特征中選擇一種作為對(duì)所有通道數(shù)據(jù)的處理方法,分別對(duì)每一通道數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理。
為選取最優(yōu)信號(hào),引入皮爾遜相關(guān)系數(shù)作為對(duì)于結(jié)果優(yōu)劣的判定條件。相關(guān)系數(shù)是通過(guò)計(jì)算兩組變量的協(xié)方差并歸一到方差平方根上,得到對(duì)于兩組變量相似性判斷的量化分析,定義如(9)式所示:
式中,Cov(X,Y)為變量X和Y的協(xié)方差;Var[X]和Var[Y]分別為變量X和Y的方差。
基于公式(9),對(duì)16通道單通道進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算,結(jié)果如表1所示,16個(gè)通道與步態(tài)信號(hào)均有在0.2-0.4之間的相關(guān)系數(shù),體現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。
表1 信號(hào)解碼膝關(guān)節(jié)位置坐標(biāo)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)
選取相關(guān)系數(shù)最高(效果最優(yōu))的第四通道信號(hào),基于不同的頻率區(qū)間將LFP信號(hào)進(jìn)行劃分,對(duì)每一段信號(hào)分別進(jìn)行均值處理和S-G降噪,然后通過(guò)小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的特征提取,通過(guò)回歸樹(shù)方法探究腦電信號(hào)和大鼠步態(tài)之間的映射關(guān)系。
如表2所示,為腦電信號(hào)不同信號(hào)區(qū)間段與大鼠步態(tài)信息相關(guān)度,從表中可得腦電信號(hào)低頻區(qū)在解碼效果上有著更好的效果。隨著信號(hào)頻率的增加,基于腦電信號(hào)的步態(tài)解碼效果逐步降低,γ頻段解碼效果最差。
表2 不同LFP信號(hào)區(qū)間段對(duì)大鼠步態(tài)解碼結(jié)果
選擇以300 Hz為截止頻率的低通巴特沃斯濾波器提取局部場(chǎng)電位信號(hào)。利用16通道信號(hào)所定義的均值濾波器進(jìn)行降噪處理,并通過(guò)S-G濾波器平滑處理,分別經(jīng)過(guò)短時(shí)傅里葉變換、小波變換和希爾伯特-黃變換(HHT)三種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取。1)濾波后的信號(hào)經(jīng)過(guò)窗長(zhǎng)度為2000,窗交疊長(zhǎng)度為1000的窗函數(shù)并結(jié)合窗內(nèi)傅里葉變換提取出短時(shí)傅里葉變換后的信號(hào)特征,將每個(gè)通道的501×7231個(gè)特征轉(zhuǎn)換為分貝值。將該分貝值作為信號(hào)特征進(jìn)行擬合和解碼;2)對(duì)同一信號(hào)采用小波變換提取特征,從基于廣義“Morse”小波進(jìn)行分解后的信號(hào)中提取出189×3616408維度的特征;3)利用希爾伯特-黃變換進(jìn)行特征提取,單通道信號(hào)被分解成10個(gè)本征模函數(shù),通過(guò)10個(gè)本征模函數(shù)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行分解,生成101×3616408維度的信號(hào)特征。
解碼過(guò)程中,利用建立的精細(xì)回歸樹(shù)模型為基礎(chǔ),通過(guò)50%數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集搭建映射模型。為建立訓(xùn)練集與步態(tài)數(shù)據(jù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,需統(tǒng)一數(shù)據(jù)維度。短時(shí)傅里葉變換提供的特征維度與步態(tài)數(shù)據(jù)一致,可直接進(jìn)行模型訓(xùn)練。小波變換提取的信號(hào)特征與步態(tài)數(shù)據(jù)不一致,分別采用1)插值法對(duì)步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)足的方式和2)腦電信號(hào)重采樣降低腦電信號(hào)維度的方式,使步態(tài)信號(hào)與腦電信號(hào)維度一致;由于小波變換中重采樣的方式可以提高測(cè)試集相關(guān)度,希爾波特-黃變換僅利用重采樣的處理方式降低腦電信號(hào)采樣頻率,使之與步態(tài)信號(hào)維度相同。表3所示為三種不同濾波方式在大鼠LFP信號(hào)對(duì)步態(tài)特征解碼中的效果。
表3 三種LFP信號(hào)特征提取方式解碼效果對(duì)比
通過(guò)對(duì)比各種信號(hào)特征提取方式,基于腦電信號(hào)重采樣的小波變換方法提取的腦電信號(hào)特征,通過(guò)精細(xì)回歸樹(shù)模型訓(xùn)練之后,在測(cè)試集中得到最好的結(jié)果,如圖5所示。預(yù)測(cè)所得結(jié)果和真實(shí)信號(hào)之間有著較高相關(guān)度,呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。但在信號(hào)幅值維度仍有一定差異,其主要原因?yàn)椋盒〔ㄗ儞Q作為一種精度較高的特征提取方式,在模型訓(xùn)練過(guò)程中容易產(chǎn)生過(guò)擬合現(xiàn)象,導(dǎo)致訓(xùn)練結(jié)果在趨勢(shì)上一致,在幅值上與步態(tài)信號(hào)產(chǎn)生差異。
圖5 LFP信號(hào)經(jīng)CWT特征提取解碼訓(xùn)練集結(jié)果
為建立大鼠腦電信號(hào)和步態(tài)信號(hào)之間映射關(guān)系,解碼預(yù)測(cè)大鼠步態(tài),提出了基于局部場(chǎng)電位信號(hào)的特征提取和步態(tài)解碼方法。在解碼方法探索過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)采用300 Hz為截止頻率的低通巴特沃斯濾波器對(duì)局部場(chǎng)電位信號(hào)進(jìn)行提取,并應(yīng)用短時(shí)傅里葉變換和重采樣的小波變換方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取的方式效果較好,測(cè)試集信號(hào)解碼相關(guān)度可達(dá)0.5081。提取后的腦電信號(hào)特征經(jīng)過(guò)精細(xì)回歸樹(shù)方法可以更好的與步態(tài)信號(hào)建立聯(lián)系。同時(shí),探討了大鼠局部場(chǎng)電位信號(hào)與步態(tài)特征相關(guān)度的問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)頻率越低的信號(hào)(δ)對(duì)步態(tài)信號(hào)的解碼預(yù)測(cè)效果越優(yōu),頻率越高的信號(hào)(high γ)對(duì)步態(tài)信號(hào)解碼預(yù)測(cè)效果越差。在接下來(lái)的研究中,更應(yīng)該關(guān)注低頻信號(hào)的采集和處理,這會(huì)給基于腦電信號(hào)為輸入的控制方法帶來(lái)幫助,促進(jìn)腦-機(jī)接口技術(shù)的工程應(yīng)用。