基于EEG信号的认知任务模式分类研究

【摘要】认知科学是研究人类感觉、知觉、精神状态、大脑思维过程和信息处理过程的前沿性尖端学科，该方面的研究对揭示人脑之谜具有重要意义。认知任务的模式分类被广泛用于构建脑机交互系统、研究人脑的工作机制和各种脑疾病的发病机理。为了探索人脑的认知机理，本文重点针对两类认知任务-运动想象分类任务和驾驶疲劳状态分类任务–基于脑电信号进行了深入研究。运动想象任务的模式分类是构建脑机交互系统的重要方式之一，构建该类系统的关键在于对执行不同肢体运动想象任务时的脑电进行特征提取，然后对提取的特征进行分类，并把特征分类结果转化为外部设备的控制命令。针对运动想象任务，本文重点研究了脑电信号的特征提取算法，主要做了两方面工作，一方面研究学习了多种经典特征提取算法，针对传统公共空间模式算法中滤波器成分选择方法的不足，提出了一种基于相关系数的新滤波器成分选择方法；另一方面本文根据传统微状态定义提出了一种广义微状态概念，并基于此广义概念提出了一种新的特征提取算法。本文使用国际BCI竞赛运动想象数据集和实验室自采集的数据集验证了上述两种算法的有效性。驾驶是一项涉及视觉、听觉、思维和判断等多种认知功能的复杂任务，如何区分长时间驾驶前后的警醒状态和疲劳状态是本文的另一个关注重点。为了达到研究目的，本文首先设计了一项模拟驾驶实验，搜集了长时间驾驶过程中的脑电数据；然后使用基于格兰杰因果关系构建的脑效应网络对比研究了驾驶员疲劳前后脑电信号模式的变化情况。该项研究发现了易受疲劳影响的大脑区域，并且发现脑效应网络的若干属性可以作为区分警醒状态和疲劳状态的指标。本文使用的研究方法一定程度上克服了当前多数疲劳检测算法不能衡量脑区之间的信息传递关系的缺点，研究结果对于实用疲劳检测系统的电极安放位置和检测指标的选择具有一定的指导意义。本文针对所选的两类认知任务进行了深入研究。在运动想象分类方面，针对传统公共空间模式算法提出的改进意见思路简洁，行之有效；基于广义微状态提取的特征包含了脑电模式的空间信息，分类简单。在疲劳状态检测和分类方面，基于脑效应网络展开研究，从网络角度可以全面衡量大脑活跃模式的全局特性和局部特性，使用因果关系计算的效应连接可以在一定程度上反映不同脑区间的信息流向，方法新颖。两类任务具有很高的科研价值和实用意义。
【作者】林伟成；
【导师】胡三清；孔万增；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，计算机应用技术，2014，硕士
【关键词】运动想象分类；认知任务模式分类；公共空间模式；微状态；脑效应网络；格兰杰因果关系；疲劳检测及分类；

【参考文献】
[1]于超.环境温度对达乌尔黄鼠冬眠能量消耗的影响及脂肪酸合成基因的阶段性表达[D].沈阳师范大学,动物学,2014,硕士.
[2]苏淼.慢性乙型病毒性肝炎患者在阿德福韦酯治疗期间血磷浓度的变化[D].河北医科大学,内科学,2014,硕士.
[3]艾兴政,朱中国,唐小我.存在技术溢出的供应链合作创新机制[J].控制与决策,2012,11:1627-1632.
[4]高怡.城市低碳交通的政策选择方法研究[D].长安大学,交通运输工程（专业学位）,2014,硕士.
[5]刘文婷.大型活动影响下区域交通特性及控制策略研究[D].北方工业大学,检测技术与自动化装置,2013,硕士.
[6]张晓,樊治平.一种基于前景随机占优准则的随机多属性决策方法[J].控制与决策,2010,12:1875-1879.
[7]王晓萌.基于表面等离子体增强单光子探测技术[D].华东师范大学,光学,2013,硕士.
[8]李文杰.Ti75新型合金焊接工艺研究[D].哈尔滨工业大学,材料加工工程,2013,硕士.
[9]马若涛,葛金香.沥青基碳纤维中晶粒大小和晶格畸变的研究[J].航空工艺技术.1990(02)
[10]李言.pH及温度敏感型金属酞菁/TiO_2复合光催化剂的制备及其光催化活性研究[D].大连理工大学,有机化学,2013,硕士.
[11]席平.考虑胎体变形的摩擦系数估计[D].吉林大学,车辆工程,2014,硕士.
[12]吴浩.多元统计理论在GIS非空间特性分析中的应用研究[D].武汉大学,2003.
[13]黄雨洋.红松多酚分离鉴定及抗氧化抗癌功能研究[D].东北林业大学,森林植物资源学,2014,博士.
[14]何楚,尹莎,许连玉,廖紫纤.基于局部重要性采样的SAR图像纹理特征提取方法[J].自动化学报,2014,02:316-326.
[15]WUSU.商务信函的人际意义：对促销信和索赔信的对比研究[D].西安外国语大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[16]申华.基于视频的数据挖掘系统的研究[J].鞍山师范学院学报,2004,04:62-64.
[17]徐燕.冲突与融合—民国时期书籍装帧设计[D].浙江工商大学,设计艺术学,2013,硕士.
[18]王奎民.热暴露对7075-T7351板材组织和性能的影响[J].轻合金加工技术.1990(12)
[19]龚文雅.1950年代胡适思想批判运动的历史辨析[D].安徽大学,中国史,2013,硕士.
[20]饶铖乐.怀山药多肽的制备及性质研究[D].湖北工业大学,生物化工,2013,硕士.
[21]董林林.碟式太阳能电站关键结构件强度分析[D].湖南科技大学,机械工程,2013,硕士.
[22]马德森.体育团队凝聚力及其多维综合评价体系的研究[D].曲阜师范大学,体育人文社会学,2004,硕士.
[23]尹学鸿.初中数学有效课堂教学法研究—“题组教学法”[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2012,硕士.
[24]余达太,蓝荣钦,张世涛,关爱杰.空间数据挖掘的方法和实施[J].测绘学院学报,2003,02:132-134.
[25]马明洁.农村合作经济组织内部治理结构与运行绩效的关系研究[D].华中农业大学,企业管理,2014,硕士.
[26]魏杰,陈瑞生,吴剑国,胡明大.基于烦恼率的大跨度预应力楼盖舒适度评价[J].浙江建筑,2015,01:19-23.
[27]杨河.高强度钢压型板辊弯成形缺陷分析及控制[D].北方工业大学,机械设计及理论,2014,硕士.
[28]赵文斌.深部含软岩峒室开挖的模型试验及数值模拟研究[D].北京化工大学,工程力学,2013,硕士.
[29]唐皎.我国增值税会计问题研究[D].长安大学,会计学,2013,硕士.
[30]杨金艳,杨万勤,王开运,孙建平.木本植物对CO_2浓度和温度升高的相互作用的响应[J].植物生态学报,2003,03:304-310.
[31]刘思海.昆明长水国际机场经营战略研究[D].云南财经大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[32]王建辉.旧沥青混合料厂拌热再生技术应用研究[D].北京建筑大学,项目管理,2013,硕士.
[33]梁宇,荆玉祥,沈世华.植物蛋白质组学研究进展[J].植物生态学报,2004,01:114-125.
[34]李瑛.迁安市第三产业发展现状与对策研究[D].燕山大学,公共管理,2012,硕士.
[35]刘玉堂.二氧化钛纳米管阵列环境功能化材料的制备及应用研究[D].湖南农业大学,2011.
[36]陈强,王伟,汪传新,彭永臻.改良分段进水工艺处理低C/N城市污水的体积优化控制[J].水处理技术,2015,04:71-76.
[37]程珮.明代皇权及其影响在陶瓷上的反映[D].中国社会科学院研究生院,文物与博物馆（专业学位）,2014,硕士.
[38]杜卓明,耿国华,贺毅岳.一种基于压缩感知的二维几何信号压缩方法[J].自动化学报,2012,11:1841-1846.
[39]荀振芳.大学教学评价的价值反思[D].华中科技大学,2005.
[40]高晓阳.LN_2水域排放沸腾模式转变机理研究[D].大连海事大学,船舶与海洋工程,2014,硕士.
[41]刘红霞.医院儿科护理单元环境设计研究[D].吉林建筑工程学院,设计艺术学,2012,硕士.
[42]袁征.新形势下地方台民生新闻现象探析[D].扬州大学,教育技术学,2012,硕士.
[43]吴登国,李晓明,刘振盛.输电线路带电水冲洗装置的安全防护技术[J].电力系统自动化,2014,03:171-177.
[44]赵超越.流淌在民族文化河流中的新民歌[D].曲阜师范大学,音乐学,2013,硕士.
[45]胡湘平.长虹对美菱的并购整合研究[D].电子科技大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[46]龙泉.基于分布式入侵检测系统研究[D].武汉理工大学,2005.
[47]王永能,苏天汇.微型机在六种晶系点阵常数精密测量中的应用[J].冶金自动化,1985,06:57.
[48]陈金玉,樊兴华,曹长修.序列模式的一种挖掘算法[J].重庆大学学报(自然科学版),2001,01:92-94.
[49]张涤新,李得天,孟扬.气体微流量标准装置的不确定度评定与研究[J].宇航计测技术.1997(02)
[50]罗加智.具有“肋—板”抗剪单元的多层钢框架静力性能研究[D].西北工业大学,结构工程,2004,硕士.