1、,Southern Taiwan University of Technology . Institute of Electrical Engineering BME Laboratory,1,以腦電波信號(EEG)為控制源之研究,研 究 生: 邵 成 麟指 導 教 授: 陳 世 中 博士趙 春 棠 博士,2003/03/26,Study on Using EEG Signals for control,1.研究動機 2.文獻回顧 3.腦電波信號特性與分類回顧 4.10-20標準貼電極系統回顧 5.大腦皮質的功能性區分 6.腦波控制之方式與種類 7.波與波的差異性 8.ERD與ERS之意義 9
2、.BCI之介紹與組成架構 10.結論與未來工作 11.參考文獻,2,研 究 動 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的便利；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定目的所研發出來的(如:頭控、眼控、嘴控、聲控等)，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? 並期望設計一個腦波控制器
3、以造福重度障礙患者。,文獻回顧(1),林國肇， “以腦波為控制信號之身心障礙鍵盤輸入系統” ，國立台灣 大 學電機工程研究所碩士論文 (陳志宏教授指導) (1999) .(2) 陳志瑋， “研究以小波神經網路作波即時鑑別” ，國立成 功大學電機工程研究所碩士論文 (朱銘祥 教授指導) (1999).(3)黃志旭，“拇指運動對波的影響”，國立成功大學機械工 程研究所碩士論文（朱銘祥 教授指導）(2001). (4) Lehtonen, Janne., “EEG-based brain computer Interfaces,” Helsinki University of Technology,
4、 Department of Electrical and Communication Engineering, (2002).,4,文獻回顧(2),(5) 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).(6) Babak, Mahmoudi. et.al ,”Sing
5、le-channel EEG-based prosthetic hand graspcontrol for amputee subjects,” Iran University of Science and Technology,Department of Electrical Engineering, (2002).,5,腦電波信號特性與分類回顧,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(mV)的等級， 但是一但經由顱骨、 頭皮的衰減後，由頭皮上所量測到的電位則驟降為微伏特(V)的等級(0.5uV100uV)，頻率約為0.5100Hz，因此腦電波信號具有低振幅
6、及低頻率的特性，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(續),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為四個頻段,分別是波、 波、 波、 波.,Fast wave,Slow wave,腦電波信號特性與分類回顧(續),腦電波之分類-,8,10-20 標準貼電 極系統,9,目前電極貼法的標準是以10-20電極貼法，圖解如下:,前額葉部,額葉部,頭頂部,顳葉部,頂葉部,枕葉部,10-20貼電極映射圖,10-20系統示意圖,大腦皮質的功能性區分(柏洛德曼),10,第一運動區,前運動區,第一體感覺區,第二體感
7、覺區,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:A. P300波法B. 左右半腦波不對稱法C. 波能量與眼睛互動關係法D. 生物回饋 波法E. 動手腳意識波法,波與波的差異性,12,ERD與ERS之意義,13,ERD/ERS之差異: 波(8-12Hz)的特性即是在當常人有動手意識時 ，會使得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波振幅抑制的現象稱 之為ERD(Event-Related Desynchronisation) 。 (2) 若腦波為“閒置”狀態，則稱之為ERS(Event-Related Synchronisation)。,波ERD,
8、波ERS,B C I 之介紹與組成架構(1),14,BCI即是將腦電波訊號經由特徵萃取量化，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患者其能利用意識想像的方式來與電腦之間作溝通之動作。,BCI介紹-,B C I 之介紹與組成架構(2),15,BCI即是Brain-Computer Interface之縮寫，一個BCI系統其基本的組成架構包括:,腦波訊號擷取器,訊號前處理,訊號特徵萃取,訊號分類,on-line回授控制器,控制裝置,空間濾波器,1.STFT 2.小波轉換,1.類神經網路 2.線性判別式分析(LDA),結論與未來工作,16,由前面對於以腦電波作為控制源的描
9、述， 可以瞭解了腦電波的特性與分類、腦波控制之種類、BCI組成架構、特徵萃取/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式與相關腦波擷技術，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?如何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的同時， 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 ，才能設計出完美BCI系統。,結論-,結論與未來工作(續),17,進一步研讀腦波控制的相關文獻研讀DSP 、小波轉換、 類神經網路等相關書籍,未來工作-,參考文獻(1),18,1 林國肇， “以腦波為控
10、制信號之身心障礙鍵盤輸入系統” ，國立台灣 大 學電機工程研究所碩士論文 (1999) .2 陳志瑋， “研究以小波神經網路作波即時鑑別” ，國立成 功大學電機工程研究所碩士論文 (1999).3 黃志旭，“拇指運動對波的影響”，國立成功大學機械工 程研究所碩士論文 (2001). 4 Lehtonen, Janne., “EEG-based brain computer Interfaces,” Helsinki University of Technology, Department of Electrical and Communication Engineering, (2002).5
11、 Babak, Mahmoudi. et.al ,”Single-channel EEG-based prosthetic hand graspcontrol for amputee subjects,” Iran University of Science and Technology,Department of Electrical Engineering, (2002).,參考文獻(2),19,6 Palaniappan, R., Raveendran, P., “A new mode of EEG based commun-ication,” Neural Networks, 2001
12、. Proceedings. IJCNN 01. International Joint Conference on , vol. 4 , pp. 2679 -2682 (2001).7 G, Pfurtscheller. et.al “Current Trends in Graz BCI research,” Graz University of Technology, Institute of Biomedical Engineering, IEEE Transactions. (2000).8 J.R.Wolpaw, D.J.McFarland, et.al “Brain-Compute
13、r Interface Research at the Wadsworth Center,” University of New York, Department of Health, IEEE Transations. (2000).9 G, Pfurtscheller. et.al “Graz brain-computer interface: An EEG-based cursor control system,” Graz University of Technology, Institute of Biomedical Engineering, IEEE . (1993).10 Gr
14、egory 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.12 pp. 2298-2300. (1990).,敬 請 指 教,20,P300波法,21,P300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腦部的ERP ，而這種腦電波會在出現頻率較低的
15、物體出現後約 300ms 後在Pz的通道上出現一段振幅大小的變化，即稱之為P300波。缺點: 需要外界的的持續刺激才能誘發，輸入速度較慢,左右波不對稱法,22,當人類正在思考有關語言與空間上這兩種思考模式時會分別造成左右半腦波不對稱的現象，因此若擷取O1、P3 、C3(左半腦) O2 、P4 、C4(右半腦) 6個通道的腦波訊號，並分別紀錄6通道的 4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: 左-右/左+右可得到36個不對稱率及24個能量特徵值再加以辨識以控制系統。缺點:需要採用較多的通道，速度緩慢。,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
16、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。缺點: 並不是真正由意識控制的。,波,類似波特性,生物回饋波法,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嘗試改變其生理狀態。因此可以使用此方式實現一個開關系統的控制輸入。,Target,Top target,Bottom target,手腳意識控制波法(1),25,在1996年歐洲Graz 科技大學Pfurtscheller教授所提出的控制方式，主要是以動左手、動右手、動腳之意識使得在右半腦(C4)、左半腦(C3)、頭頂(CZ)處產生腦波的明顯變化， 並使得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
17、介面的訊號源。,右半腦,左半腦,手腳意識控制波法(2),26,波控制法的優點: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。c.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。,STFT(短時間傅利葉轉換),27,STFT主要是改善傳統傅立葉轉換之缺點。 缺點:對於非線性且時變之系統將不適用。,腦波訊號輸入,與特定頻率窗相乘,FFT,各取樣點平均,特徵萃取完成,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。 優點:對於非線性且時變之系統非常適用。, (t) :小波函數 a:壓縮或拉伸比例 b:訊號平移,小波轉換(2),29,小波分解,空間濾波器(CSP),30,拉式運算(Laplacian Operation),2cm,1,2,3,4,5,E1=E1- (E2+E3+E4+E5) / 4,C3 、 C4,類神經網路,31,倒傳遞類神經網路(Back propagation Network),特徵值輸入,定義輸入/輸出目標,隱藏層個數選擇,選擇學習參數,訓練輸出,波量測於10-20 標準貼電 極之相對位置,32,頭頂部,P300法於10-20 標準貼電 極之相對位置,33,頂葉部,左右波不對稱法貼電 極之相對位置,34,
