如今，腦電訊號廣泛應用於情感識別研究領域，下面是小編蒐集整理的一篇探究情感變化時大腦活動狀態的論文範文，歡迎閱讀參考。
引言
英國倫敦大學的Eimer和Holmes使用分別帶有驚恐和中性表情的人臉圖片作為視覺刺激並利用事件相關電位來找出驚恐情感和中性情感間的差異[1].美國休斯頓大學的Zouridakis等人通過過濾將原始腦電訊號對映到常見的五個頻帶上，再分別求出五個頻帶所對應的頻帶能量，以此作為腦電特徵進行情感識別[2].Frantzidis等人以圖片作為視覺刺激對測試者進行試驗，他們將所得到的資料分為心情愉悅和心情低落，高興奮度和低興奮度，並利用馬氏距離分類法進行情感分類，具有很高的分類精度[3].雖然對情感分析的方法種類有許多[4-8],但通過事件相關去同步化/同步化方法研究情感識別的研究還有待深入，並且本研究在實現了當左右腦對應區域均為活動狀態時，通過左右腦係數差值百分比判斷哪一個區域活動較為劇烈的功能。
1預備知識
當大腦皮質某區域受到感官、動作指令或想象運動等刺激而開始啟用時，該區域的代謝和血流增加，同時進行資訊加工可以導致相應頻段的腦電訊號振盪的幅度減低或者阻滯，這種電生理現象稱作事件相關去同步化(ERD)[9-10].大腦在靜息或惰性狀態下表現出明顯波幅增高的電活動，將其稱為事件相關同步化(ERS)[11-12].ERD/ERS具有頻段特異性：大腦振盪的活動頻率範圍波動較大，這些頻率常被分為以下頻段：delta(<4Hz),theta(4~7Hz),alpha(8~12Hz),beta(13~30Hz)及gamma頻段(>30Hz).
Alpha和beta頻段的ERD可作為大腦啟用的指標，而ERS的出現則表明大腦處於失活狀態，提示皮質區域恢復到靜息或惰性狀態[13].本研究採用事件相關去同步化和同步化方法研究過濾後的腦電訊號。現有常用的'ERD/ERS分析方法主要有時頻圖譜法(TFS)，功率譜密度(PSD)曲線法，ERD/ERS係數法，腦地形圖法，功率譜嫡分析法，小波嫡分析法等[14-15].本文將主要介紹ERD/ERS係數法。
2方法
在介紹ERD/ERS係數法之前必須先引入另外兩個概念：短時傅立葉變換(ShortTimeFourierTransform,STFT)和功率譜密度(PowerSpectralDensity,PSD)。
2.1短時傅立葉變換
一般情況下，ERD/ERS的發生是與特定時間段的特定頻段相關的，使用可以同時提取時域與頻域資訊的時頻分析方法是更符合實際情況的選擇。因此基於短時傅立葉變換的時頻圖譜和功率譜密度法常用在誘發腦電訊號的分析中。短時傅立葉變換的公式如下：
公式涵義：在時域用窗函式去截訊號，對截下來的區域性訊號作傅立葉變換，即在t時刻該段訊號的傅立葉變換，不斷地移動t,即不斷地移動窗函式的中心位置，即可得到不同時刻的傅立葉變換，這些傅立葉變換的集合，既是Sx(ω，t)。
2.2功率譜密度
定義：當波的頻譜密度乘以一個適當的係數後將得到每單位頻率波攜帶的功率，這被稱為訊號的功率譜密度。功率譜密度(PSD)同樣是基於短時傅立葉變換(STFT)其具體公式如下：
2.3ERD/ERS係數
ERD/ERS係數的計算公式如下：
其中，tR為參考時間，tA為測試時間，在本次研究實驗中用當前選定的時間段作為參考時間，而間隔0.1s的後一個時間段作為測試時間。
2.4研究方法
整個實驗ERD/ERS判斷方法(ERD/ERS係數零一法)：將原始腦電資料過濾為腦電極為Fp2(右前額)、Fp1(左前額)、C4(右腦中央區域)、C3(左腦中央區域)為四個電極，beta頻帶(14,18,22,26和30Hz)的腦電波資料。設定時間段的時間長度為0.4s,時間間隔為0.1s,依次提取十一個時間段的腦電資料，計算十個事件相關去同步/同步係數。將計算得到的同步去同步係數大於0的值(表示同步)均標記為1,小於0的值(表示去同步)均標記為0,將10個數相加，若所得結果大於7則表明同步現象明顯，小於3則表明去同步現象明顯。
當左右腦對應區域均為ERD時，可以通過比較左右腦參考時間和測試時間功率譜差值的絕對值大小比較活動強度。絕對值較大的代表能量下降多即活動強度大。比較Fp2和Fp1,C4和C3腦電極十個時間段參考時間和測試時間功率譜差值的絕對值大小，若Fp2值大於Fp1,證明Fp2區域能量下降的多，即活動強烈，C4,C3同理。
3實驗
3.1測試者
所有測試者均為在校大學生，年齡在20~25歲之間，25名男性，10名女性。
3.2實驗準備
安裝瞭如下電極：Fp1、Fpz、Fp2、C3、C4、F7、F8、Fz、C3、C4、T3、T4、Cz、P3、P4、T5、T6、Pz、O1、O2、Oz,奇數表示大腦左側，偶數表示大腦右側，Fpz、Fz、Cz、Pz、Oz表示大腦中軸，兩個耳垂電極A1、A2及Z作為參考電極，並要求有地線接地。腦電極的具體位置根據NeurofaxEEG-9100K(NKC,Japan)的國際電極位置系統的標準。取樣頻率設為1000Hz.
3.3實驗步驟
第一步，讓實驗受試者保持放鬆閉眼，並記錄其腦電波，時間大約120s,此過程的最大目的是為了讓實驗參與者能處於相當比較平和的狀態;第二步，讓受試者睜眼，給予高興圖片視覺刺激，引起其情感變化，並記錄其腦電圖;第三步，讓受試者閉眼放鬆約120s,再給予不高興圖片視覺刺激，引起其情感變化，並記錄腦電圖。
4結果
計算測試者分別在頻段為14、18、22、26、30Hz時，Fp2、Fp1、C4、C3四個腦電極上，十個時間段的ERD/ERS係數。其具體的資料和圖形情況，以某測試者為例，如表1和圖1.
表1表示beta波14Hz,視覺刺激為高興時，某測試者在各電極各時間段的ERD/ERS係數。
每行表示14Hz時，每個時間段的上各電極的ERD/ERS係數，每一列表示特定電極上各時間段的ERD/ERS係數。
圖1第一行表示視覺刺激為高興時5個beta頻段上特定電極的ERD/ERS係數圖，每子圖的橫座標表示時間段，縱座標表示ERD/ERS係數最大上限和最小下限。第二行表示視覺刺激為不高興時5個beta頻段上特定電極的ERD/ERS係數圖。
根據ERD/ERS係數零一法，分別計算所有男性和女性在視覺刺激時，beta頻段，各電極上的ERD/ERS係數零一值和的平均值來判斷其大腦活動狀態，其具體內容如表2所示。
由表2可知，視覺刺激為高興時，男性電極Fp2,Fp1和C3均變現為ERD,C4表現為ERS;視覺刺激為不高興時，男性的Fp2和Fp1,C3和C4均表現為ERD,可以推斷出男性對高興和不高興的視覺刺激反應均比較明顯。視覺刺激為高興時，女性電極Fp2,Fp1和C3均變現為ERD,C4表現為ERS;視覺刺激為不高興時，女性的Fp2,Fp1,C3和C4均表現為ERS,可以推斷出女性只對高興的視覺刺激明顯。
當左右腦對應電極均表現為ERD時，即男性：高興刺激時的Fp2和Fp1電極，不高興刺激時的Fp2和Fp1電極，C4和C3電極;女性：高興刺激時的Fp2和Fp1電極。比較功率譜差值絕對值，來判斷大腦活動的強度，得出結果：視覺刺激為高興時，男性Fp1上的譜密度差值較大，即左前額區域活動較為強烈;視覺刺激為不高興時，男性Fp2和C4上譜密度差值較大，即右額區域和右腦中央區域活動較為強烈，而女性Fp2上的譜密度差值較大，即右前額區域活動較為強烈。
5結論
為了研究由視覺刺激產生的情感變化時大腦的活動狀態，本文采用了ERD/ERS係數零一法通過特定時間段細化研究受刺激階段的腦電訊號，保證了狀態檢測的準確信，充分發揮ERD/ERS係數的定量性的特點，並在此基礎上研究了左右腦均活動時的強烈程度。本文結論對不同性別針對不同情感的情感識別有一定參考價值。
參考文獻
[1]EIMERMARTIN,HOLMESAMANDA.AnERPstudyonthetimecourseofemotionalfaceprocessing.[J].NeuroReport,2002,13(4)：1-5.
[2]EIMERM,HOLMESA.Event-relatedbrainpotentialcorrelatesofemotionalfaceprocessing[J]opsy-chologia,2007,45(1)：15-31.
[3]ZOURIDAKISG,PATIDARU,PADHYENS,tralpowerofbrainactivityassociatedwithemotion-apilotMEGstudy[C]//17thInternationalConferenceOnBiomagnetismAdvancesinBiomagnetism-BIOMAG2010,ovnik,Croatia:Springer,2010:354-357.