基于RCSP 的言语想象多分类任务
2022-06-13刘艳鹏罗建功刘化东
刘艳鹏，罗建功，刘化东
（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）
0 引 言
脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）[1-2]技术为言语障碍患者提供了一种新的交流方式，这是一种不依赖于正常外周神经和肌肉通路，而是直接通过大脑与外部辅助设备交互的通信系统。目前常见的BCI 系统范式有基于P300 成分[3]、稳态视觉诱发电位（Steady-State Visual Evoked Potentials，SSVEP）[4]、运动想象[5]以及言语想象[6]的系统。其中，基于P300 成分与SSVEP 的BCI 系统需要由外部提供视觉刺激，使用者在使用过程中长时间注视屏幕容易导致视觉疲劳；基于运动想象的BCI 系统会存在部分被试不能执行这一心理任务，即BCI盲现象。
言语想象，即人们在心中默读或想象某些特定的字符或词语，BCI 系统通过识别被试执行言语想象任务时的脑神经信号特征，即可输出对应的控制指令，其不需要持续存在的视觉刺激，也避免了运动想象BCI 盲现象。这一范式有诸多优点，如自发产生且无需刺激、无需训练且对被试友好、可直接表达真实意图，并且能够提供一种自然的交流方式，因此这一范式逐渐受到关注。
在BCI 领域，利用非侵入式技术（即将信号采集电极放置头皮表面）采集脑神经信号的方式有脑电（Electroencephalography，EEG）[7]、功能性近红 外 光 谱（functional Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS）[8]及脑磁图（Magnetoencephalography，MEG）[9]等。其中，EEG 信号的采集凭借价格较低、便携易用等优点被广泛深入研究。基于言语想象的BCI 系统大多采集EEG 信号。
虽然EEG 信号有着较高的时间分辨率，但是其空间分辨率较低，因此需要通过空域滤波算法弥补这一缺点。共空间模式（Commom Spatial Patterns，CSP）算法就是用来提取两类模式特征的空间滤波算法。其通过设计空间滤波器来提取两类模式间方差最大的EEG 数据成分以实现分类[10]。并且，CSP及其改进算法已被广泛地应用于基于运动想象的BCI 系统中，并表现出较好的分类性能[11]。
言语想象作为一种新颖的BCI 实验范式，对其特征提取并未广泛开展深入研究，因此本文将正则化与CSP 相互融合以构成正则化CSP（Regularized CSP，RCSP）的特征提取算法，并将其首次应用于言语想象多分类任务。
1 材料与方法
1.1 实验数据
本研究使用2020 年国际BCI 竞赛数据集Track#3 的数据（多分类言语想象任务）。数据可通过公开网站（https://osf.io/pq7vb/）获取。其中包含15 名被试（年龄在20 ～30 岁）的数据。被试被要求执行5个不同单词/短语（“hello”“help me”“stop”“thank you”“yes”）的言语想象任务，这些单词/短语可用于生活中的基本对话。数据集记录了被试执行五类言语想象任务时的EEG 信号。每类言语想象任务包含70 个试次（共70×5=350个试次），60 个试次用于训练，10 个试次用于验证（由于官方并未公布测试集数据，因此在本文分类过程将10 个试次的验证集用作测试集）。
1.1.1 实验范式
在实验数据记录过程中，被试坐在24 英寸LED 显示屏幕前的椅子上，进行指定单词/短语的言语想象任务。在言语想象当中，被试被要求不移动发音器官，也不发出声音，就像他们在真实说话一样进行思维活动。在执行这一心理任务时被试不能进行其他大脑活动。在视觉提示后即为言语想象周期，提示被试不能移动身体，避免眨眼。为了避免其他因素影响大脑的活动，在言语想象期间屏幕呈现黑屏。实验范式时序如图1 所示。
图1 实验范式时序图
5个不同单词/短语通过声音提示随机呈现，然后是为期0.8 ～1.2 s 的“+”字标记，当“+”字标记在屏幕上消失时，要求被试对所提示的单词/短语进行言语想象。每个随机任务包含4个“+”字标记和言语想象期（2 s）。进行4次言语想象任务后，被试有3 s 的休息间隙，以便进入下一个想象任务。
1.1.2 实验装置
EEG 数据由EEG 信号放大器（德国Brain Product 公司生产的BrainAmp）采集，原始数据使用Brain Vision 软件（德国BrainProduct 公司开发）和Matlab 2019a 软件（美国The MathWorks Inc.开发）记录。64 个电极按照国际10-20 系统排布方式进行记录，接地和参考电极位于Fpz 和FCz 上，采样电极和头皮之间的阻抗均保持在15 kΩ 以下。
1.2 特征提取算法
1.2.1 CSP 算法
本节将简要描述CSP 算法。Xa(N*T)表示一类EEG 数据矩阵，其中N为EEG 数据的电极数，T为每个电极采集的样本数。同理，Xb表示的是另一类EEG 数据矩阵。两类数据的协方差矩阵分别为：
对混合协方差矩阵进行特征分解，如式（3）所示：
式中：矩阵U由矩阵C的特征向量组成，矩阵Λ是由矩阵C的特征值组成的对角矩阵。
接着，进行白化变换，如式（4）、式（5）所示：
将Ca和Cb经过白化变换后分别得到矩阵S a和S b，并且得到的两个矩阵具有相同的特征向量，再分别对其进行特征分解，如式（6）所示：
式中：矩阵ya和yb的和为单位矩阵，并且矩阵S a和S b具有相同的特征向量B。由此可知，对一类数据特征值最大的特征向量对另一类数据特征值最小，反之亦然。将EEG 信号进行白化变换，再选取矩阵B的前m及后m列构成空间滤波器，然后按照式（7）可以得到映射矩阵，即空间滤波器，如式（7）所示：
矩阵W-1的列是共空间模式，即两类条件下脑电源分布向量。最后就可以将每次试验的EEG 数据X按式（8）进行分解：
得到的新的矩阵，其方差能最大化区分两类任务。对滤波后的特征信号Z的方差进行归一化，将其作为新的特征，过程如下：
1.2.2 RCSP 算法
正则化首先被应用在正则化判别分析（Regularized Discriminant Analysis，RDA）中，用于解决线性和二次判别分析中小样本的问题。小样本训练往往会导致特征值产生有偏估计，通过引入两个正则化参数可以解决这一问题[12]。CSP 算法对噪声较为敏感，泛化能力也较低，而且EEG 数据的样本量较少。为解决这些问题，可通过应用正则化的方法进行改善，即构成基于正则化的RCSP 算法。正则化的使用对CSP 算法的最终分类性能有着明显的提高。正则化在CSP 算法中的应用一般有两种方法，一种是引入两个正则化参数，并利用其他被试的数据来提高分类性能[13]，而另一种方法不需要其他被试的数据，仅需一个被试的数据即可实现正则化[14]。由于第一种方法需要较多的计算量，仅使用一个被试的数据实现正则化的方法更为实用，因此在本文研究选择第二种方法。下面介绍这一算法的实现过程。
式中：Ci表示i类数据的协方差矩阵，表示成对协方差矩阵。基于正则化的协方差矩阵如下：
式 中：α和β为 两 个 正 则 化 参 数（0 ≤α≤1，0 ≤β≤1），I为单位阵，m为执行某一种言语想象任务的次数。两类数据的平均协方差矩阵分解为：
2 实验结果
2.1 数据预处理
成年人的EEG 主要包括δ波（0.5 ～4 Hz）、θ波（4 ～7 Hz）、α波（8 ～13 Hz）、β波（14 ～30 Hz）以及γ波（＞30 Hz），并且每种频率的EEG 节律都与大脑特定的生理现象密切相关。在言语想象分类任务相关研究中，JAHANGIRI 等人[15]通过音节想象分类任务发现α波具有最高的分类性能，其次是β波；KOIZUMI 等人[16]通过言语想象分类任务发现，在低γ波段（30 ～40 Hz）的分类精度有一个峰值。因此对原始言语想象EEG 数据选择4 ～44 Hz 带通滤波器进行滤波处理，然后对预处理后的信号应用RCSP 算法提取相应的特征，最后对其进行分类。
2.2 分类结果
在分类过程中，选择支持向量机（Support Vector Machine，SVM）进行分类识别。由于SVM适用于解决小样本、非线性和高维度的模型等问题，而EEG 数据同样具有样本量少且非线性等特点，故本文选择这一算法进行分类。为避免单一分类算法造成最终结果不稳定，本文还选择K 近邻算法（K-Nearest Neighbor，KNN）进行分类。15 名被试执行言语想象任务的分类准确率如表1 所示。
表1 15 名被试执行言语想象任务的分类准确率/%
从表1 的结果可知，RCSP 与SVM 的组合取得了最高的准确率，其次是CSP 与SVM 组合。当分类器为SVM 时，RCSP 算法可以提高分类准确率；而当分类器为KNN 时，RCSP 算法的分类准确率却不及CSP 算法。
另外，本文还将这一算法的分类结果与其他研究进行对比（使用同一数据集），结果对比如表2 所示。
表2 本文方法与其他研究结果的对比
同样，本文提出的方法相比于深度学习网络也取得了较好的分类性能。
3 结 语
本文针对言语想象多分类任务，将RCSP 算法应用于这一范式BCI 数据集。从分类结果来看，当分类器为SVM 时，RCSP 算法可以提高分类性能，并且利用这一算法可使分类准确率提高4.0%；而当分类器为KNN 时，RCSP 算法取得的分类准确率却比CSP 算法低2.3%。因此，对于言语想象EEG信号分类任务，更适合选择SVM 对RCSP 提取的特征进行分类。另外，RCSP 与SVM 组合的准确率达到76.7%±5.8%，比深度学习网络高出17%。深度学习虽然在脑神经信号解码过程中有诸多优点，能表现出较好的解码性能，但在处理言语想象EEG 数据分类任务过程中，深度学习的分类性能却不如经典的CSP 及其改进算法。因此，在EEG 信号特征提取及分类过程中对算法的选择应选择合适的算法，才能取得较好的分类结果。
