以脑电波信号(EEG)为控制源之研究.ppt

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1、SouthernTaiwanUniversityofTechnology.InstituteofElectricalEngineeringBMELaboratory1以腦電波信號以腦電波信號(EEG)(EEG)為控制源之研究為控制源之研究研研 究究 生生:邵邵 成成 麟麟指指 導導 教教 授授:陳陳 世世 中中 博士博士 趙趙 春春 棠棠 博士博士2003/03/26Study on Using EEG Signals for control 大大 綱綱1.1.研究動機研究動機2.2.文獻回顧文獻回顧3.3.腦電波信號特性與分類回顧腦電波信號特性與分類回顧4.10-204.10-20標準貼電極

2、系統回顧標準貼電極系統回顧5.5.大腦皮質的功能性區分大腦皮質的功能性區分6.6.腦波控制之方式與種類腦波控制之方式與種類7.7.波與波與波的差異性波的差異性8.ERD8.ERD與與ERSERS之意義之意義9.BCI9.BCI之介紹與組成架構之介紹與組成架構10.10.結論與未來工作結論與未來工作11.11.參考文獻參考文獻2研研 究究 動動 機機3 由於伴隨著科技的進步，使得人們享受科技文明所帶來由於伴隨著科技的進步，使得人們享受科技文明所帶來的便利的便利；並且可以輕易的使用家庭電器、自動化設備、電腦並且可以輕易的使用家庭電器、自動化設備、電腦操作等許多再平常不過的事，不過對於身心障礙的患者

3、而言，操作等許多再平常不過的事，不過對於身心障礙的患者而言，我們看似平常的事將對殘障患者造成莫大的障礙，因此研發我們看似平常的事將對殘障患者造成莫大的障礙，因此研發一些適當的替代性輔具將是當務之急。但是綜觀目前已經被一些適當的替代性輔具將是當務之急。但是綜觀目前已經被相繼研發出的科技輔具我們不難發現，這些輔具都是針對特相繼研發出的科技輔具我們不難發現，這些輔具都是針對特定目的所研發出來的定目的所研發出來的(如如:頭控、眼控、嘴控、聲控等頭控、眼控、嘴控、聲控等)，因，因此只適用於特定障礙患者，而對於全身癱瘓的患者而言，上此只適用於特定障礙患者，而對於全身癱瘓的患者而言，上述之輔具將不適用。因此

4、，本研究主要即是探討如何以腦電述之輔具將不適用。因此，本研究主要即是探討如何以腦電波訊號作為控制源波訊號作為控制源?並期望設計一個腦波控制器以造福重度並期望設計一個腦波控制器以造福重度障礙患者。障礙患者。文獻回顧文獻回顧(1)(1)林國肇，林國肇，“以腦波為控制信號之身心障礙鍵盤輸入系統以腦波為控制信號之身心障礙鍵盤輸入系統”，國立台灣，國立台灣 大大 學電機工程研究所碩士論文學電機工程研究所碩士論文(陳志宏教授指導陳志宏教授指導)(1999).(2)陳志瑋，陳志瑋，“研究以小波神經網路作研究以小波神經網路作波即時鑑別波即時鑑別”，國立成，國立成 功大學電機工功大學電機工程研究所碩士論文程研究

5、所碩士論文(朱銘祥朱銘祥 教授指導教授指導)(1999).(3)黃志旭，黃志旭，“拇指運動對拇指運動對波的影響波的影響”，國立成功大學機械工，國立成功大學機械工 程研究所碩士論程研究所碩士論文文（朱銘祥（朱銘祥 教授指導）教授指導）(2001).(4)Lehtonen,Janne.,“EEG-based brain computer Interfaces,”Helsinki University of Technology,Department of Electrical and Communication Engineering,(2002).4文獻回顧文獻回顧(2)(5)Palaniapp

6、an,R.,Raveendran,P.,“A new mode of EEG based commun -ication,”Neural Networks,2001.Proceedings.IJCNN 01.International Joint Conference on,vol.4,pp.2679-2682(2001).(6)Babak,Mahmoudi.et.al,”Single-channel EEG-based prosthetic hand grasp control for amputee subjects,”Iran University of Science and Tech

7、nology,Department of Electrical Engineering,(2002).5腦電波信號特性與分類回顧腦電波信號特性與分類回顧腦電波訊號之特性腦電波訊號之特性-6 腦電波在頭皮下之大腦皮質上所測得的電位約為毫伏特腦電波在頭皮下之大腦皮質上所測得的電位約為毫伏特(mV)的等級，的等級，但是一但經由顱骨、但是一但經由顱骨、頭皮的衰減後，由頭皮上頭皮的衰減後，由頭皮上所量測到的電位則驟降為微伏特所量測到的電位則驟降為微伏特(V)的等級的等級(0.5uV100uV)0.5uV100uV)，頻率約為頻率約為0.5100Hz0.5100Hz，因此腦電波信號具有，因此腦電波信號具有

8、低振幅低振幅及及低頻率低頻率的的特性，因此一個設計精良且低雜訊的腦波訊號放大器將是整特性，因此一個設計精良且低雜訊的腦波訊號放大器將是整個腦波控制器的重要影響因素。個腦波控制器的重要影響因素。腦電波信號特性與分類回顧腦電波信號特性與分類回顧(續續)腦電波之分類腦電波之分類-7依據腦電圖儀與臨床生理學會國際聯盟的分類將腦波的頻率分依據腦電圖儀與臨床生理學會國際聯盟的分類將腦波的頻率分為四個頻段為四個頻段,分別是分別是波、波、波、波、波、波、波波.FastwaveSlowwave腦電波信號特性與分類回顧腦電波信號特性與分類回顧(續續)腦電波之分類腦電波之分類-8 頻率範圍頻率範圍 臨床表徵臨床表徵

9、 波波(無意識無意識)低於低於 4Hz4Hz 出現於深度睡眠出現於深度睡眠 波波(淺意識淺意識)47Hz47Hz主要出現在小孩的頂葉主要出現在小孩的頂葉部及顳葉部部及顳葉部,成人在情緒成人在情緒受到壓力時也會出現受到壓力時也會出現 波波 813Hz813Hz一般人處於清醒並且安靜、一般人處於清醒並且安靜、休息的狀態下所出現的週休息的狀態下所出現的週期波期波,其電位約其電位約5050微伏微伏,在在枕葉部及頂葉部最明顯枕葉部及頂葉部最明顯.波波(意識意識)14Hz50Hz14Hz50Hz在清醒而警覺狀態下的週在清醒而警覺狀態下的週期波期波,在頂葉部及額葉部較在頂葉部及額葉部較為明顯為明顯,電位約電

10、位約2020微伏微伏.10-20 標準貼電標準貼電 極系統極系統9目前電極貼法的標準是以目前電極貼法的標準是以10-2010-20電極貼法電極貼法，圖解如下圖解如下:前額葉部前額葉部額葉部額葉部頭頂部頭頂部顳葉部顳葉部頂葉部頂葉部枕葉部枕葉部10-20貼電極映射圖貼電極映射圖10-20系統示意圖系統示意圖大腦皮質的功能性區分大腦皮質的功能性區分(柏洛德曼柏洛德曼)10第一運動區第一運動區前運動區前運動區第一體感覺區第一體感覺區第二體感覺區第二體感覺區腦波控制方式種類腦波控制方式種類11目前為止利用腦波作為控制源的方式下列幾種目前為止利用腦波作為控制源的方式下列幾種:A.P300波法波法 B.左

11、右半腦左右半腦波不對稱法波不對稱法 C.波能量與眼睛互動關係法波能量與眼睛互動關係法 D.生物回饋生物回饋 波法波法 E.動手腳意識動手腳意識波法波法波與波與波的差異性波的差異性12波波波波頻率範圍頻率範圍813Hz812Hz(通常在通常在10Hz附近附近)擷取點擷取點枕葉部枕葉部大腦中間溝附近大腦中間溝附近C3、C4、CZ特性特性一般人處於安靜安一般人處於安靜安靜狀態下之週期波靜狀態下之週期波一般人產生動手腳一般人產生動手腳自主意識時會在自主意識時會在10Hz附近產生振附近產生振幅抑制的現象幅抑制的現象ERDERD與與ERSERS之意義之意義13ERD/ERS之差異之差異:波波(8-12Hz

12、)的特性即是在當常人有動手意識時的特性即是在當常人有動手意識時，會使得，會使得波的振幅產生抑制的現象波的振幅產生抑制的現象。(1)若有開始準備動作的意識時就有若有開始準備動作的意識時就有波振幅抑制的現象稱波振幅抑制的現象稱 之為之為ERD(Event-Related Desynchronisation)。(2)若腦波為若腦波為“閒置閒置”狀態狀態，則稱之為，則稱之為ERS(Event-Related Synchronisation)。波ERD波ERSB C I B C I 之介紹與組成架構之介紹與組成架構(1)(1)14BCI即是將腦電波訊號經由特徵萃取量化，再經由分類器加即是將腦電波訊號經由

13、特徵萃取量化，再經由分類器加以辨識，然後經由生物回饋之方式來使得一般人或重度障礙以辨識，然後經由生物回饋之方式來使得一般人或重度障礙患者其能利用患者其能利用意識想像意識想像的方式來與電腦之間作溝通之動作。的方式來與電腦之間作溝通之動作。BCIBCI介紹介紹-B C I B C I 之介紹與組成架構之介紹與組成架構(2)(2)15BCI即是即是Brain-Computer Interface之縮寫，一個之縮寫，一個BCI系統其系統其基本的組成架構包括基本的組成架構包括:腦波訊號擷取器腦波訊號擷取器訊號前處理訊號前處理訊號特徵萃取訊號特徵萃取訊號分類訊號分類on-line回授控制器回授控制器控制裝

14、置控制裝置空間濾波器空間濾波器1.1.STFTSTFT2.2.小波轉換小波轉換1.1.類神經網路類神經網路2.2.線性判別式分析線性判別式分析(LDA)(LDA)結論與未來工作結論與未來工作16由前面對於以腦電波作為控制源的描述由前面對於以腦電波作為控制源的描述，可以瞭可以瞭解了腦電波的特性與分類解了腦電波的特性與分類、腦波控制之種類、腦波控制之種類、BCI組組成架構、特徵萃取成架構、特徵萃取/分類等諸多的基本觀念，因此可分類等諸多的基本觀念，因此可以使各位很容易瞭解有關以腦電波作為控制源的方以使各位很容易瞭解有關以腦電波作為控制源的方式與相關腦波擷技術，然而當我們要實際去製作時，式與相關腦波

15、擷技術，然而當我們要實際去製作時，往往會遇到許多困難，例如何去抑制雜訊干擾往往會遇到許多困難，例如何去抑制雜訊干擾?如何如何設計腦波前處理電路、腦波特性萃取、提高腦波控設計腦波前處理電路、腦波特性萃取、提高腦波控制之辨識率等，因此當我們實際在研製腦波控制器制之辨識率等，因此當我們實際在研製腦波控制器的同時，的同時，必須衡量及評估所使用的放大器精確性、必須衡量及評估所使用的放大器精確性、腦波特徵萃取的方式腦波特徵萃取的方式，才能設計出完美，才能設計出完美BCI系統。系統。結論結論-結論與未來工作結論與未來工作(續續)17O 進一步研讀腦波控制的相關文獻進一步研讀腦波控制的相關文獻O 研讀研讀DS

16、P、小波轉換、小波轉換、類神經網路等相關書籍類神經網路等相關書籍未來工作未來工作-參考文獻參考文獻(1)(1)181 林國肇，林國肇，“以腦波為控制信號之身心障礙鍵盤輸入系統以腦波為控制信號之身心障礙鍵盤輸入系統”，國立台灣，國立台灣 大大 學電機工程研究所碩士論文學電機工程研究所碩士論文(1999).2 陳志瑋，陳志瑋，“研究以小波神經網路作研究以小波神經網路作波即時鑑別波即時鑑別”，國立成，國立成 功大學電機工功大學電機工程研究所碩士論文程研究所碩士論文 (1999).3 黃志旭，黃志旭，“拇指運動對拇指運動對波的影響波的影響”，國立成功大學機械工，國立成功大學機械工 程研究所碩士程研究所

17、碩士論文論文(2001).4 Lehtonen,Janne.,“EEG-based brain computer Interfaces,”Helsinki University of Technology,Department of Electrical and Communication Engineering,(2002).5 Babak,Mahmoudi.et.al,”Single-channel EEG-based prosthetic hand grasp control for amputee subjects,”Iran University of Science and Tec

18、hnology,Department of Electrical Engineering,(2002).參考文獻參考文獻(2)(2)196 Palaniappan,R.,Raveendran,P.,“A new mode of EEG based commun -ication,”Neural Networks,2001.Proceedings.IJCNN 01.International Joint Conference on,vol.4,pp.2679-2682(2001).7 G,Pfurtscheller.et.al“Current Trends in Graz BCI researc

19、h,”Graz University of Technology,Institute of Biomedical Engineering,IEEE Transactions.(2000).8 J.R.Wolpaw,D.J.McFarland,et.al“Brain-Computer Interface Research at the Wadsworth Center,”University of New York,Department of Health,IEEE Transations.(2000).9 G,Pfurtscheller.et.al“Graz brain-computer in

20、terface:An EEG-based cursor control system,”Graz University of Technology,Institute of Biomedical Engineering,IEEE.(1993).10 Gregory W.Neat,et.al“EEG-based brain-to-computer communication:system description,”Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,vol.

21、12 pp.2298-2300.(1990).敬敬請請指指教教20P300波法波法21P300波即是當人類欲分辨兩交錯出現的物體時，若兩物體波即是當人類欲分辨兩交錯出現的物體時，若兩物體的出現頻率差異極大時，一但較少的物體出現時便會誘發的出現頻率差異極大時，一但較少的物體出現時便會誘發腦部的腦部的ERP，而這種腦電波會在出現頻率較低的物體出現，而這種腦電波會在出現頻率較低的物體出現後約後約 300ms 後在後在Pz的通道上出現一段振幅大小的變化，即的通道上出現一段振幅大小的變化，即稱之為稱之為P300波。波。缺點缺點:需要外界的的持續刺激才能誘發，輸入速度較慢需要外界的的持續刺激才能誘發，輸入

22、速度較慢左右左右波不對稱法波不對稱法22當人類正在思考有關當人類正在思考有關語言語言與與空間上空間上這兩種思考模式時會分這兩種思考模式時會分別造成左右半腦別造成左右半腦波不對稱的現象，因此若擷取波不對稱的現象，因此若擷取O1O1、P3 P3、C3(C3(左半腦左半腦)O2)O2、P4 P4、C4(C4(右半腦右半腦)6 6個通道的腦波訊號，個通道的腦波訊號，並分別紀錄並分別紀錄6 6通道的通道的 4 4個背景波之頻帶能量，然後再對每一個背景波之頻帶能量，然後再對每一段頻率之能量值分別求其左右不對稱率段頻率之能量值分別求其左右不對稱率:左左-右右/左左+右右可得到可得到3636個不對稱率及個不對

23、稱率及2424個能量特徵值再加以辨識以控制個能量特徵值再加以辨識以控制系統系統。缺點缺點:需要採用較多的通道需要採用較多的通道，速度緩慢，速度緩慢。波能量與眼睛互動關係波能量與眼睛互動關係23當我們眼睛由閉眼至睜眼時會使得腦波訊號之振幅產生明當我們眼睛由閉眼至睜眼時會使得腦波訊號之振幅產生明顯的變化，並利用此振幅變化之差異性來作為控制源顯的變化，並利用此振幅變化之差異性來作為控制源。缺點缺點:並不是真正由意識控制的。並不是真正由意識控制的。波波類似類似波特性波特性生物回饋生物回饋波法波法24利用生物回饋的方式來刺激影響使得一般人可以利用心理利用生物回饋的方式來刺激影響使得一般人可以利用心理嘗試

24、改變其生理狀態嘗試改變其生理狀態。因此可以使用此方式實現一個開關。因此可以使用此方式實現一個開關系統的控制輸入。系統的控制輸入。TargetToptargetBottomtarget手腳意識控制手腳意識控制波法波法(1)(1)25在在1996年歐洲年歐洲Graz 科技大學科技大學Pfurtscheller教授所提出的控教授所提出的控制方式制方式，主要是以動左手、動右手、動腳之意識使得在，主要是以動左手、動右手、動腳之意識使得在右右半腦半腦(C4)(C4)、左半腦、左半腦(C3)(C3)、頭頂、頭頂(CZ)(CZ)處產生腦波的明顯變化，處產生腦波的明顯變化，並使得並使得波產生振幅抑制的現象，再以

25、類神經網路辨識其中波產生振幅抑制的現象，再以類神經網路辨識其中的差異來作為人機介面的訊號源的差異來作為人機介面的訊號源。右半腦右半腦左半腦左半腦手腳意識控制手腳意識控制波法波法(2)(2)26波控制法的優點波控制法的優點:a.波幾乎出現在所有人的大腦皮質區。波幾乎出現在所有人的大腦皮質區。b.可藉由生物回饋的輔助學習如何去控制它。可藉由生物回饋的輔助學習如何去控制它。c.自主意識所產生不需外界刺激。自主意識所產生不需外界刺激。d.不需要太多的電極擷取腦電波。不需要太多的電極擷取腦電波。STFT(短時間傅利葉轉換短時間傅利葉轉換)27STFT主要是改善傳統傅立葉轉換之缺點。主要是改善傳統傅立葉轉

26、換之缺點。缺點缺點:對於非線性且時變之系統將不適用。對於非線性且時變之系統將不適用。腦波訊號腦波訊號 輸入輸入與特定頻率與特定頻率 窗相乘窗相乘FFTFFT各取樣點各取樣點 平均平均特徵萃取特徵萃取完成完成小波轉換小波轉換(1)28小波轉換同樣是改善傳統傅立葉轉換之缺點。小波轉換同樣是改善傳統傅立葉轉換之缺點。優點優點:對於非線性且時變之系統非常適用。對於非線性且時變之系統非常適用。(t):小波函數小波函數a:壓縮或拉伸比例壓縮或拉伸比例b:訊號平移訊號平移小波轉換小波轉換(2)29小波分解小波分解空間濾波器空間濾波器(CSP)(CSP)30拉式運算拉式運算(Laplacian Operation)2cm12345E1=E1-(E2+E3+E4+E5)/4C3、C4類神經網路類神經網路31倒傳遞類神經網路倒傳遞類神經網路(Back propagation Network)特徵值輸入特徵值輸入定義輸入定義輸入/輸出目標輸出目標隱藏層個數選擇隱藏層個數選擇選擇學習參數選擇學習參數訓練輸出訓練輸出波量測於波量測於10-20 標準貼電標準貼電 極之相對位置極之相對位置32頭頂部頭頂部P300法於法於10-20 標準貼電標準貼電 極之相對位置極之相對位置33頂葉部頂葉部左右左右波波不對稱法貼電不對稱法貼電 極之相對位置極之相對位置34