基于脑电信号的时域特征警觉度状态分析

[摘 要]警觉度是人体对客观事物的警觉程度。自从人们将它作为一个客观指标使用以来，已被广泛应用于安全、医疗等多个领域。鉴于警觉度的重要意义和广泛应用，对警觉度进行实时准确分析辨识已成为国际研究热点课题。目前大多数提取表面脑电信号过程繁琐复杂，本文将基于表面脑电信号的时域特征对警觉度状态进行分析，在简化提取表面脑电信号过程的同时保证其警觉度辨识准确度。

[关键词]警觉度，时域特征，持续注意力，脑电信号，脑电生物反馈

中图分类号：TN911.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）08-0173-02

一：引言

警X度是人体对客观事物的警觉程度，包括了对紧急事件的反应能力和注意力的集中程度[1]。自从人们将警觉度作为一个客观指标看待以来，已经广泛应用于安全、医疗等多个领域。Atefeh等运用脑电生物反馈对帕金森综合症病人身体协调性进行研究，提出脑电生物反馈训练对病人的动态平衡具有一定的效果，并能够改善静态平衡。同时病人通过脑电生物反馈也可以减少贝塔波的活动而增加theta波的活动[2]。Miriam Reinera等提出theta波脑电生物反馈训练可以提高运动序列的记忆巩固。一组通过脑电生物反馈训练之后能将记忆保持7天以上，比不进行脑生物反馈训练的另一组时间要长[3]。Frenk Peeter等研究了脑电生物反馈有效显示人的紧张程度[4]。他们的实验表明脑电生物反馈可以测量人体警觉度。因此，快速且准确的辨识警觉度的方法成为生物信号领域的研究热点和亟需解决的重大课题。本文将基于表面脑电信号的时域特征对警觉度状态进行分析，在简化提取表面脑电信号过程的同时保证其警觉度辨识准确度。

二：信号采集与处理

2.1 实验步骤

实验时，仪器应可靠接地，并远离强大的静电场与电磁场。实验使用表面脑电电极，实验前对电极粘贴处的皮肤做以下处理：用酒精擦洗并晾干，并用角质膏去角质。在粘贴电极时将导电胶对准被测皮肤适当施压，保证导电胶与皮肤接触良好。电极的放置位置遵循国际导联标准。随后需要将电极与放大电路连接好，并将放大电路与电脑终端连接到一起。我们在大脑上选取四个点来采集脑电信号，分别是国际导联标准的C3、C4、P7、P8，通过分析每个电极采集到的脑电信号以寻找警觉度状态辨识度最高的点。

我们将警觉度状态分为三种情况，即注意力集中时的警觉度状态、正常情况下的警觉度状态以及注意力严重分散的警觉度状态。在实验中，为减少不确定性误差，每种状态进行十次以上，每进行一次休息几分钟，让受试者恢复状态。

2.2 时域特征提取

在时域中看到的信号通常比较直观的，但时域特征值并不明显，因此需要如滤波一样的处理。时域处理分析的参数有标准差、方差、均方根、中位频率、积分肌电值IEMG、均方根有效值。通过这些参数我们能得到一些有效信息。

三：研究结果

3.1 时域特征分析

我们将各个位置的时域特征值列成图形进行比较。各个特征值比较如图1所示。其中横坐标的1表示注意力分散的状态，2表示正常的状态，3表示注意力集中的状态。表示位置C3，表示位置C4，表示位置P7，表示位置P8。

由图可知，最好的位置应该是P8，且在采用均值的计算方法时，可以使得注意力又集中到正常再到分散是一个单调曲线，因为警觉度与注意力的集中程度是紧密相关的，因此警觉度的状态也是一个单调曲线。

四：总结

在本项目中完成了对警觉度的信号特征分析，实现了对警觉度高低的辨识，通过多次实验找到了最适合警觉度信号分析的大脑信号采集位置，设计了简易的采集方法，简化了采集过程并大致保持了辨识精确度。目前已经可以实时检测警觉度的高低，在多种情况下，尤其是在学习和工作中，由于简化了采集过程，短时间内就可以判断当前的警觉度状态，可以完成基本的测量，已经达到可以在多种场合实用的水平。在未来的研究中，主要有四个方面的改进，一是降低噪音，二是进一步简化信号采集的过程，三是提高辨识精确度，四是采用无线传输。在无线传输时，噪音必定增加，对硬件有更高的要求，因此进一步研究必然要求对硬件进行改进，因此硬件是主要研究对象。

参考文献

[1] 周鹏，张翼龙，李向新等.大脑警觉度检测的研究现状与发展[J].生物医学工程，第29卷，第3期：574-578.

[2] Atefeh Azarpaikan， Hamidreza Taherii Torbati， Mehdi Sohrabi Neurofeedback and physical balance in Parkinson's patients Gait & Posture Volume 40， Issue 1， May 2014， Pages 177-181.

[3] Miriam Reinera， Roman Rozengurtb， Anat Barneac Better than sleep： Theta neurofeedback training accelerates memory consolidation Biological Psychology Volume 95， January 2014， Pages 45-53. SAN （Society of Applied Neuroscience） Special issue on Neurofeedback

[4] Mare Oehlen，Jacco Ronner，Jim van Os，Richel Lousberg Neurofeedback As a Treatment for Major Depressive Disorder A Pilot Study Published： March 18， 2014 DOI： 10.1371/journal.pone.0091837.