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1、第 2 3卷 第 3期 2 0 1 0年 3月 传 感 技 术 学 报 C HI NE S E J O UR NAL O F S E NS OR S AN D AC T U AT O RS Vo 1 2 3 No 3 Ma r 2 01 0 Re c o g n i t i o n o f Cu r r e n t Pe r c e p t i o n Ba s e d o n S i n g l e-Tr i a l S i n g l e Ch a nn e l EEG An a l y s i s MI A O Y u p i n g ，D A I G u ip i n g ，Q I U
2、 Y i ，D A I L e n g s h i ，L I G u a n g 1 H a n g z h o u P r o s p e c t S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o L t d，H a n g z h o u 3 1 0 0 0 3，C h i n a；、I 2 Z h e j i a n g F o o d a n d D r u g A d m i n is t r a t i o n，H a n g z h o u 3 1 0 0 1 2，C h i n a；1 3，D e p a r t m e n t o f C
3、 o n t r o l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g，Z h ej ia n g U n i v e r s i t y，H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7，C h i n a l Abs t r ac t：A me t h o d t o r e c o g n i z e t h e EEG pa t t e r n a f t e r a c u r r e n t s t i mu l u s a p p l i e d o n t h e hu ma n b o d y wa s s t u d i e d
4、B a s e d o n t h i s m e t h o d，i t c o u l d b e j u d g e d w h e t h e r t h e s u b j e c t p e r c e p t s t h e c u r r e n t s t i mu l u s b y a n a l y z i n g s i n g l e-t r i-a l，s i n g l e c h a n n e l EEG s i g n a 1 I n c o mp a ris o n wi t h c o n v e n t i o n a l a v e r a g e
5、 fil t e r me t h o d f o r e v o k e d p o t e n t i a l e x t r a c t i o n，t h i s n o v e l m e t h o d a v o i d s t h e f e e l i n g a d a p t a t i o n o f t h e s u b j e c t c a u s e d b y r e p e a t e d s t i m u l i E x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o we d t h a t t h i s me t h
6、o d c a n b e ut i l i z e d for h u ma n c u rre n t pe r c e p t i o n t h r e s h o l d t e s t i n g Be i n g a n o n i nv a s i v e me t h o d a s w e l l，t h e n e w m e t h o d i s m u c h m o r e o b j e c t i v e t h a n p r e v i o u s m e t h o d s r e p o r t e d b e c a u s e n o s u b
7、j e c t i v e r e a c t i o n f r o m t h e s u b j e c t i s n e e d e d，S O t h a t i t h a s p r o s p e c t i v e c l i n i c a p p l i c a t i o n s Ke y wor ds：EEG；p a t t e r n r e c o g n i t i o n；s e n s o r y t h r e s h o l d；c u rre n t s t i mu l us；S VM EE ACC：7 2 3 0 J 单次单道电刺激脑 电模式识别
8、方法研究 米 缪育平，戴桂平，邱 义，戴冷浞，李 光(：浙 江 省 食 品 药 督 管 理 局 杭 州 3 10 0 1 2；)3 3 1 0 0 2 7 浙江大学控制科学与工程系，杭州 摘 要：研究了一种人体在感受电流刺激条件下的脑电模式识别算法。该方法对于单次电流刺激，根据对单通道脑电信号 的分析处理，即可对受试者是否感觉到该刺激做出判断。与传统诱发电位提取所用的平均叠加滤波法相 比，避免了人体对重 复刺激的疲劳效应。实验结果表明，该方法可用于人体电流感觉阈值的测量，由于不需要受试者做出任何主观反应，与以往 技术相比，在保持无创检测的同时，测量过程更为客观，具有良好的临床应用前景。关键 词
9、：脑电；模式识别；感觉阈值；电流刺激；支持向量机 中图分类号：R 7 4 5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 41 6 9 9(2 0 1 0)0 3 0 3 0 3 0 4 人体感觉功能 的变化和很多疾病存在相关性，内分泌和代谢的异常、机械压迫、中毒、感染、免疫缺 陷和创伤等都可能引起感觉功能的异常，因此，感觉 神经功 能 的定 量评 估 在 临床 上具 有 十 分重 要 的 意义。目前，在神经系统临床检查中，判断有无障碍大 多仍依据皮肤感觉 的临床检查：痛觉，用针 轻刺皮 肤，检查有无痛觉过敏、减退或消失。检查时由消失 或减退 区逐渐移 向正常区，并对两侧进行对 比，将异 常情况绘于
10、皮肤感觉分布图上；温度觉，将 5l O q C 冷水及 4 0 5 5热水盛于试管 内，分别检查各皮肤 感觉；触觉，用棉花或棉 线检查轻触病人皮肤，让病 人说出接触与否及接触的部位；振动觉：用振动的音 叉柄置于各骨的突 出部，检查有无振 动感觉及其持 续时间。这些方法简单快速，但是难 以定量化，重复 性不高。为了更好地检查神经系统，电生理检查被用于 评价外周神经功能。例如利用体表或插人神经鞘内 项 目来源：国家 自然科 学 基金 资 助(6 0 8 7 4 0 9 8，6 0 9 1 1 1 3 0 1 2 9)；国家 高技 术研 究发 展 计划(8 6 3)重点 项 目课 题资 助(2 0
11、0 7 A A 0 4 2 1 0 3)；国家 8 6 3计划资助(2 0 0 7 A A 1 0 Z 2 3 8)收稿 日期：2 0 0 90 9 0 8 修改 日期：2 0 0 91 1 2 7 3 0 4 传感技术学报 第 2 3卷 电极的神经传导速度检查，能够测定神经传动速度，但是对神经感觉功能并不能做出定量的测定。纤维 检测存在困难，并且不能检测神经功能和整个神经 通路的状态。近年来，定量感觉测量 Q S T(Q u a n t i t a t i v e S e n s o-r y T e s t i n g)技术受到了广泛的关注 J。通常，定量 感觉测量包括温度觉，振动觉，触压觉
12、以及痛觉的测 试。就是一种经典的神经检测方法。定量感觉测量 的研究能够对整个感觉神经通路的功能作出评估，能对所有大小感觉神经进行测试。其 中，人体 电流 感觉阈值 C P T(C u r r e n t P e r c e p t i o n T h r e s h o l d)简单易 行，因而得到 比较广泛的临床应用。尽管与其他方法相 比，C t r F具有多方面的优势，但是由于现有 C P T测量方法都必须根据人体对经 皮施加的电流刺激所作 出的响应、按 照心理物理学 原理，执行一定 的算法，计算得到的人体电流感觉 的 阈值，存在比较强的主观性，无法用于婴幼儿或意识 不清者而无法对刺激作出
13、主观判断的受试者。从头皮电极记录到的大脑皮层神经活动所引起 的随时间波动的电位变化称为脑电(E E G)，是大脑 神经电发放的综合。由于大脑是整个神经系统的中 枢，控制着神经活动并在相应脑区产生相应的电信 号，因此，神经系统的活动变化在脑电信号中也有映 射。无论在是外周神经还是在感觉通路或内部感觉 器中受到的任何刺激都会导致脑 电诱发 电位的产 生。脑 电模式识别的研究对于意识和神经科学的研 究具有重要 的意义，引起 了国 内外科 学家 的广泛 关注 H 。针对 国际上现有 Q S T技术无法客观检测 的不 足，本文研究了一种新的利用单次单道脑电识别 电 刺激条件 下脑 电模式方 法，在 国际
14、上 首次实 现 了 C P T的客观检测。与以往基于受试者本人主诉、采 用强迫选择算法对受试者是否感觉到刺激进行判断 的方法相比 引，本文所描述的方法能够避免 由于多 次平均造成信号的动力学信息的丢失而造成的负面 影响，实现更为客观有效的检测。1 单次单道电刺激的脑 电模式识别 脑 电事件相关 电位 E R P s(E v e n t r e l a t e d P o t e n t i a l s)是机体受到外界刺激后，大脑去同步化诱发 的 脑电波动变化，其刺激相关性提示它有可能成为刺 激感觉有无的客观指标之一。然而，事件相关 电位 幅值小，信噪比低的特点加大了事件相关电位提取 和分析的工
15、作难度 。另外，考虑到神经感受器及 其传导纤维对于连续多次刺激会产生疲劳的特性，传统的平均滤波诱发电位提取方法无法应用于人体 电流感觉阈值的客观测量，而单次 电刺激 的脑电模 式识别方法，成为的关键技术手段。图 1 单次单道 电刺激 的脑 电模式识别方法 1 1 数据预 处理 研究的重点是区分 E E G中是否包含事件相关 电位，因此数据预处理的 目的在于力求提取刺激组 和空 白组的不同分量。对被试 E E G频谱进行统计 分析，发现刺激和空 白组 E E G在 3 H z以下频段差 异最大，因此，选择 3 H z为低通滤波器上 限，提取 3 H z 以下的脑电成分用于后续 的分析。1 2 E
16、 E G模板获取 以超过阈值的电流重复电刺激被试，同时记录 刺激条件的脑电 E E G信号，并多次平均叠加后作为 刺激条件下的 E E G模板；同时，多次平均叠加空白(没有刺激)情况下 的 E E G片段，作 为无刺激条件 下的 E E G模板。1 3 特征向量提取 对经过 3 H z 低通滤波器的 E E G信号 x分别计 算它与有刺激 E E G模板和无束 0 激 E E G模板的欧几 里德距离 和，由 。和 组成该脑 电信号片 段的特征向量。1 4 E E G 模式 识别 以超过阈值电流的电刺激条件下记录的脑电和 没有电流刺激条件下记录的受试者脑 电信号作为训 练数据集，训练支持向量 机
17、(S V M)算法，然后用训 练过的 S V M对输入的 E E G信号进行模式识别，以 判断该 E E G信号被记录时，受试者是否感觉到了电 流刺激。2 实验及结果 2 1 E EG 采集 四名被试，年龄 2 3 2 5岁，均为男性。实验环 境保持安静，温度保持在2 0左右。测量中间充分 休息，减少疲劳效应的影响。刺激信号由恒 电流信号发生器产生，为 2 5 0 H z 正弦波形信号。无感电流刺激选择为 l 0次刺激情 况下，受试者主诉无任何感觉的强度 以下电流值；有 感觉 电流刺激选择为 1 O次刺激情况下，受试者主诉 均有感觉的电流值。第 3期 缪育平，戴桂平等：单次单道 电刺激脑电模式
18、识别方法研究 3 0 5 实验采 用美 国 N e u r o s c a n C o mp u m e d i c s L i mi t e d 公司生产的多道脑 电放大器 N u A mp s D i g i t a l A mp l i-ti e r(M o d e l 7 1 8 1)(N e u r o s c a n C o m p u m e d i c s L i m i t e d，T e x a s，U S A)采集受试者的脑电信号。采样参数为：0 57 0 H z带 通，5 O Hz功 频 陷 波，采 样频 率 为 5 0 0 Hz。2 2 单次单道电刺激的脑 电模式识别
19、 无神经病变史、无外伤史 4名男性健康志愿者 作受试者，年龄为 2 22 7岁(平均 2 4 5岁)，身高 1 6 81 7 6 m(平 均 1 7 2 m)，体重在 5 8 26 7 7 k g(平均 6 5 6 k g)。所采集的总样本为 1 9 5份，其中 无感电流刺激条件下样本 1 3 0份、有感 电流刺激条 件下样本 6 5份。利用以二次多项式作为核 函数的 S V M(所用工 具为 MA T L A B中的 s v m t r a i n()和 s v m c l a s s i f y()函 数)对所采集 的 E E G进行分析识别，结果如表 1所 示，总识别正确率 9 0 2。
20、表 1 电流刺激条件下脑 电识别 结果 被试 识 别结果 无感电流刺激 有感电流刺激 2 3 人体电流感觉阈值检测 实验中采用恒定刺激法来测定感觉 阈值 ，按 心理物理学的操作定义，人体电流感觉 阈值定义为 概率 5 0 能感觉到的电流刺激强度值。从零到确切感觉得 到的范围内，设定刺激强度 等级为 0，0 0 5，0 1 0，0 1 5，0 2 0，0 2 5，0 3 0，0 3 5，0 4 0，0 4 5，0 5 0，0 5 5和 0 6 0 m A，每个刺激强度等 级给与受试者 1 0次刺激，刺激顺序 随机分布，同时 记录刺激前后的 P C z 导联 E E G；采用单次脑 电模式 识别算
21、法，判断受试者是否感觉到了所受刺激，并计 算对 同一刺激强度受试者感觉到刺激 的百分 比；绘 出受试者感觉到刺激 的百分 比与刺激强度的关系图(如图 2所示)，并进行插值计算；按 心理物理学的 操作定义，5 0能感觉到的电流刺激强度值即为受 试者的电流感觉 阈值。三位受试者的电流感觉与之 分别为 0 1 7 5、0 3 5 0和 0 3 8 3 mA。1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 O 0 1 0_ 2 O3 0 4 0 5 06 0 7 S t i mu l a t i n g Cu r r e n tJ mA 图 2 人体 电流感觉 阈值检测结果 3 结论和讨论 现有 C P
22、T测量方法都必须根据人体对经皮施 加的电流刺激所作出的响应、按照心理物理学原理，执行一定的算法，计算得到的人体电流感觉的阈值，存在很强的主观依赖性。为实现 C P T的客观检测，我们研究 了单次单道 电刺激的脑 电模式识别方法，用于取代原来 由受试 者意识对是否感受到了刺激的主观判断。实验结果 表明，本文研究的单次单道 电刺激的脑 电模式识别 方法，可以有效 地识别 电流刺激 条件下 的 E E G模 式，对于显著高于感觉 阈值刺激下的分类准确率高 于 9 0 ；基于该方法，采用实验心理学 的恒定刺激 法能够客观地检出人体电流感觉闽值。尽管文章未 及针对人体个体差异较大所引发的离散性开展大量
23、的临床实验，但从工程传感器信号处理的角度，对 4 个不同的受试者在不同时间和情况下所采集 的 1 9 5 份样本的实现了较好 的分类，可以证 明该方法是有 效性，在临床神经医学上有着潜在的应用价值。另外，该方法采用一次单道 E E G即可识别 E E G 模式，避免了人体重复感觉的疲劳问题，还可以用于 脑机接 口和心理学研究等的脑电模式分析 中。参考文献：1 D y c k P J C o mp a r i s o n o f A l g o r i t h ms o f T e s t i n g f o r U s e i n A u t o m a-t e d E v a l u a t
24、 io n o f S e n s a t i o n J 1 9 9 0，4 0：1 6 0 71 6 1 3 2 D y c k P J Q u a n t i t a t i v e S e n s o T e s t i n g：Me t h o d o l o g y，A p p l i c a t i o n a n d F u t u r e D i r e c t i o n s J J C l i n N e u r o p h y s i o l，1 9 9 4，1 1：5 6 8 5 81 3 A m e r i c a n E l e c t r o e n c e p
25、 h a l o g r a p h i c S o c i e t y T e c h n o l o gy a n d E q u i p m e n t R e v ie w：Q u a n t i t a t i v e S e n s o r y T e s t i n g S y s t e m s J J o u r n a l o f Cl i n i c a l Ne u r o p h y s i o l o gy，1 9 9 5，1 2：1 9 22 0 2 4 Y a r n i t s k y D Q u a n t i t a t i v e S e n s o r
26、 y T e s t i n g J Mu s c l e a n d N e r v e，1 9 9 72 0：1 9 82 0 4 0 l】砖 l。0 匕0 U L 10置 0 u 3 0 6 传感技术学报 第 2 3卷 5 6 7 8 9 1 0 Z a s l a n s k y R C l in i c a l Ap p l i c a t i o n o f Q u a n t i t a t i v e S e n s o r y T e s t i n g J J o u rna l o f N e u r o l o g i c a l S c ie n c e，1 9 9
27、8，1 5 3：2 l 52 3 8 王玉珍，许樟荣震动感觉阈值检查在糖尿病神经病变诊断中 的应用 J 国际 内分泌代谢 杂志，2 0 0 7，1 S a l o n i a A，S a e c a A，R r i g a n t i A，e t a 1 Q u a n t i t a t i v e S e n s o r y T e s-rin g o f P e rip h e r a l T h r e s h o l d s i n P a t i e n t s wit h L i f e l o n g P r e ma t u re E j a c u l a t i o n：
28、A C a s e C o n t r o l l e d S t u d y J J o u r n a l o f S e x u a l Me d i c i n e，2 0 0 9，6：1 7 5 51 7 6 2 F e n t o n B W，P a l mie r i P A，D u r n e r C，e t a 1 Q u a n t if i c a t i o n o f A b d o mi n a l Wa l l P a i n Us i n g Pa i n P r e s s u r e T h r e s h o l d Al g o me t r y i n
29、 P a t i e n t s w i t h C h r o n i c P e l v ic P a i n J C l i n i c a l J o u r n a l o f P a i n，2 0 0 9，2 5：5 0 0 5 0 5 Ame ric a n As s o c i a t i o n o f El e c t r o dia g n o s t i c Me d i c i n e AAEM Te c h n o l o g y R e v i e w：t h e Ne u r o me t e r Cu r r e n t P e r c e p t i o
30、n T h r e s h-o l d(C P T)J Mu s c le a n d N e r v e，1 9 9 9，2 2：5 2 3 5 3 1 姚海锋，刘世龙，李光，等主动式人体电流感觉阈值的测量方 缪 育平(1 9 6 5一)，男，高 级工 程 师，硕 士，现任杭州展望科技有限公司董事长 兼总经理，主要从事计算机应用技术研 究开发，m i a o y p p r o s p e c t C O IT I c n；法研究 J 传感技 术学报，2 0 0 4，1 7(2)：2 2 8 2 3 1 1】乐艳飞，刘军，郑俊褒，等人体电流感觉 阈值客观测试 系统的 研制 J 仪器仪表学报，
31、2 0 0 5，2 6(增 8)：2 7 02 7 1，2 7 4 1 2 C h o M，Y o o J S，R o b J M，e t a l I mp r o v e m e n t o f D i a b e t ic S e n s o r y N e u r o p a t h y i n As s e s s me n t o f C u r r e n t P e r c e p t io n T h r e s h o l d b y Al p h a-L i p o i c A c i d T r e a t m e n t J D a b b e t e s，2 0 0
32、9，5 8：A 5 6 4A 5 6 4 1 3 沈花，李交杰，胡萌，等基于单导 E E G的高空缺氧所致疲 劳 的实时检测技术研究 J 传感技术学 报，2 0 0 6，1 9(4)：1 0 4 2 1 0 4 4 1 4范影乐，李谷，刘亚景，等基于排列组合熵的脑 电意识任务识 别方法 的研究 J 传感技 术学报，2 0 0 8，2 1(1)：7 4 7 8 J 5 G u a n J，C h e n Y，L i n J S i n g l e T r i a l E s t i m a t i o n o f I m i t a t i n g N a t u-r a l Re a d i
33、n g Ev o k e d Po t e n t i a l s i n S i n g l e Ch a n n e l，P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 5 I EEE En g i n e e r i n g i n Me d i c i n e a n d Bi o l o g y 2 7 t h An n u a l C o n f e r e n e e 2 D 5 2 2 0 5 5 1 6 杨治 良实验心理学 M 杭州：浙江教育出版社，1 9 9 8 李光(1 9 6 5一)，男，教授，博 士生导 师，研究方向为神经信息学，生物传感 器与医学仪器，guanglizjueduen 盈