【脑机接口】脑电预处理 & 滤波去噪 & 伪迹处理术语详细解释(第3弹)
1. 工频干扰:脑电采集过程中最常见的外部干扰,源于50Hz的市电供电线路产生的电磁辐射,这种干扰会以固定频率混入脑电信号中,形成明显的杂波,严重时会掩盖脑电本身的微弱信号,是预处理中必须优先去除的干扰类型。
2. 眼电伪迹 EOG:混入脑电信号中的眼部相关干扰,全称是眼电图伪迹,主要是被试眨眼、眼球转动时,眼部肌肉和视网膜产生的电活动,这种电活动的幅值远大于脑电信号,会在脑电波形中形成明显的尖峰或波动,尤其会影响额部电极的信号质量。
3. 肌电伪迹 EMG:混入脑电信号中的肌肉相关干扰,全称是肌电图伪迹,主要是被试咬牙、耸肩、面部肌肉紧张,或是身体轻微抖动时,骨骼肌产生的电活动,这种干扰属于高频干扰,会让脑电波形变得杂乱无章,影响信号的纯度。
4. 带通滤波:一种最常用的脑电滤波方法,核心是只保留设定的特定频段信号,同时滤除该频段以外的所有信号,比如运动想象(MI)实验中,脑电有效信号主要集中在8–30Hz(μ波段和β波段),就会用带通滤波保留这一频段,滤除低频漂移和高频肌电干扰。
5. 陷波滤波:专门用于滤除特定单一频率干扰的滤波方法,在脑电预处理中,主要用来针对性滤除50Hz工频干扰,它能精准阻断50Hz左右的窄频段信号,不会影响其他频段的脑电有效信号,是去除工频干扰最高效、最常用的方法。
6. 高通滤波:一种只允许高频信号通过、滤除低频信号的滤波方法,主要用于去除脑电信号中的低频基线漂移,比如呼吸、皮肤电位变化带来的缓慢低频波动,这些低频信号不属于脑电有效信号,会导致基线不稳定,高通滤波能有效解决这一问题。
7. 低通滤波:一种只允许低频信号通过、滤除高频信号的滤波方法,主要用于去除脑电信号中的高频干扰,最常见的就是肌电伪迹,它能阻断高频肌电信号的通过,保留脑电本身的低频和中频有效信号,让脑电波形更平滑。
8. 带阻滤波:和带通滤波相反,它的核心是阻断某一特定窄频段的信号,同时保留其他所有频段的信号,除了用于辅助去除工频干扰外,还可用于阻断其他特定频率的杂波,比如设备本身产生的固定频率干扰。
9. Butterworth 滤波器:脑电预处理中最常用的一种平滑滤波器,属于无限脉冲响应(IIR)滤波器,它的最大特点是滤波后的信号波形平滑,过渡自然,能在滤除干扰的同时,最大程度保留脑电有效信号的幅值和波形特征,适合大多数脑电滤波场景。
10. FIR 滤波器:全称是有限脉冲响应滤波器,属于线性相位滤波器,它的核心优势是滤波过程中不会产生波形畸变,能精准保留脑电信号的原始时序和相位信息,虽然滤波速度略慢,但对于需要精准保留信号特征的实验(如时序分析),是首选的滤波方式。
11. 零相位滤波:一种特殊的滤波方法,核心是通过正向滤波和反向滤波两次处理,抵消滤波过程中产生的时序相位偏移,确保滤波后的脑电信号,在时序上与原始信号完全对齐,不会出现信号滞后或提前的情况,适合对时序精度要求高的预处理场景。
12. 低频漂移:脑电信号中出现的缓慢、持续的基线偏移现象,主要由被试的呼吸、皮肤电位变化、身体轻微活动,或是电极接触缓慢变化导致,这种漂移属于低频干扰,会让脑电基线变得不稳定,需要通过高通滤波等方法去除。
13. 直流漂移:脑电信号中出现的固定方向的基线偏移现象,主要由采集电路的电极极化、设备电路不稳定导致,表现为脑电基线整体向上或向下偏移,属于直流干扰,会影响信号的幅值判断,可通过全局均值去除或高通滤波解决。
14. 共模噪声:同时作用于所有脑电采集电极的相同干扰信号,比如工频干扰、设备外壳电磁干扰,这种噪声会同步影响所有通道的信号,表现为所有电极的脑电波形出现相同的波动,可通过差分放大、共模抑制比(CMRR)等硬件方法,或平均参考等软件方法抑制。
15. 差分放大:一种常用的信号放大方法,核心是放大两个采集电极之间的电位差值,同时抑制两个电极上共同存在的共模噪声,它能有效突出脑电有效信号,削弱共模干扰的影响,是脑电放大器的核心工作原理之一。
16. 平均参考 CAR:全称是公共平均参考,一种常用的脑电重参考方法,核心是计算所有采集电极的电位均值,将这个均值作为新的参考电位,重新校准每个电极的脑电信号,它能有效抑制共模噪声,提升脑电信号的空间分辨率,是运动想象解码中最常用的参考方式。
17. 双耳乳突参考:一种经典的脑电参考方式,这里的乳突指的是耳垂后方的乳突骨位置,采集时将参考电极放置在被试的双耳乳突处,以双耳乳突的平均电位作为参考,这种方式稳定性强、干扰少,是传统脑电实验中最常用的参考配置之一。
18. 鼻尖参考:一种特殊的脑电参考方式,将参考电极放置在被试的鼻尖位置,以鼻尖的电位作为参考,这种参考方式的优势是能减少头部活动带来的参考电位波动,多用于深部脑区(如颞叶、枕叶)的脑电研究,能提升深部脑区信号的稳定性。
19. 时序截断:脑电预处理中对试次数据进行的时序裁剪操作,每个试次的脑电数据中,首尾部分往往是无效信号(如试次开始前的基线残留、试次结束后的信号衰减),时序截断就是将这些无效的首尾时段砍掉,只保留试次中有效的时序片段(如运动想象的0.5–2秒)。
20. 通道筛选:脑电预处理中对电极通道进行的筛选操作,核心是根据实验需求,只保留与实验任务相关的电极通道,比如运动想象实验中,有效信号主要来自感觉运动皮层的C3、Cz、C4电极,就会筛选掉额部、枕部等无关电极,减少冗余数据和干扰。
21. 数据增强 EEG 增广:脑电预处理中用于扩充训练样本的方法,针对脑电样本量少、易过拟合的问题,通过对原始脑电数据进行时序加噪(添加微弱的随机噪声)、时序翻转(颠倒时序顺序)、频段扰动等操作,生成新的样本,从而扩充训练数据量,抑制模型过拟合。
22. 时序插值:脑电预处理中修复损坏时序数据的方法,当某一试次的部分时序点因干扰、设备故障导致数据损坏或缺失时,通过插值算法(如线性插值、三次样条插值),根据相邻有效时序点的数值,计算出损坏时序点的合理数值,修复完整的时序数据。
23. 空域插值:脑电预处理中修复损坏电极通道的方法,当某一电极通道因接触不良、设备故障导致数据损坏或无法采集时,通过插值算法,根据该电极周围相邻有效电极的信号,计算出该损坏通道的信号数值,修复完整的空间电极数据。
24. 幅值截断:脑电预处理中处理异常值的方法,当脑电信号中出现极大的异常幅值(如突发的伪迹尖峰)时,通过设定一个合理的幅值阈值,将超过阈值的异常值截断到阈值范围内,避免这些极端异常值干扰模型训练,同时不影响正常信号。
25. 全局均值去除:脑电预处理中去除直流偏置的方法,核心是计算整个脑电数据集(或单个试次)的信号均值,然后用每个信号值减去这个均值,将脑电信号的基线调整到0附近,消除直流漂移带来的基线偏移,让信号幅值更稳定。
26. 时序平滑:脑电预处理中压制高频毛刺的方法,通过移动平均、高斯平滑等算法,对脑电时序信号进行平滑处理,削弱信号中的高频毛刺干扰(如微小的肌电尖峰),让脑电波形更平滑,同时保留主要的有效信号特征。
27. 中值滤波:一种常用的非线性滤波方法,主要用于去除脑电信号中的脉冲尖峰噪声(如突发的伪迹、电极接触不良产生的尖峰),它通过取相邻时序点的中值,替代当前时序点的数值,能有效压制尖峰噪声,同时不会过度模糊信号波形。
28. 小波阈值去噪:基于小波变换的去噪方法,核心是将脑电信号进行小波分解,分解成不同频段的分量,然后对高频噪声分量设定一个阈值,将低于阈值的噪声分量压制,再通过小波逆变换重构信号,从而实现去噪,既能去除高频干扰,又能保留脑电有效信号的细节。
29. 经验模态分解 EMD:一种用于处理非平稳信号的分解方法,脑电信号本身是非平稳的(幅值、频率随时间变化),EMD能将复杂的非平稳脑电信号,分解成多个相互独立、频率由高到低的平稳分量,每个分量都是单一频率的平稳信号,方便后续分别进行去噪和特征提取。
30. 本征模态函数 IMF:全称是本征模态函数,是经验模态分解(EMD)过程中分解出的基本分量,每个IMF都是单频、平稳的信号,具有明确的物理意义,不同的IMF对应脑电信号中不同频段的成分,比如高频IMF对应肌电伪迹,中频IMF对应脑电有效信号,低频IMF对应基线漂移。
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