基于多重分形消除趋势波动分析的脑电测谎方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于脑电信号处理技术领域，尤其是涉及一种基于多重分形消除趋势波动 分析的脑电测谎方法。
【背景技术】
[0002] 测谎技术作为司法审讯的一种辅助手段，对刑事案件事实的侦查和证明发挥着重 要的作用，现已得到广泛应用。如何准确有效地识别谎言，对于司法机关工作人员来说就显 得尤为重要，研究谎言的检测方法具有重大的现实意义。1912年，美国研制的多导测谎仪主 要通过呼吸、脉搏、血压、皮肤电压等生理变化指标来判别谎言，由于上述参数易受主观因 素的影响，使得检测结果难以保证准确无误，误报和漏报率高。1989年，Rosenfeld提出事件 相关电位(ERP)的测谎改进方法，其原理是利用受试者接受与案情相关的刺激时产生的 P300诱发电位的脑电波变化来判定谎情。
[0003] 事件相关电位(ERP，event-related potential)是一种特殊的脑诱发电位，通过 有意地赋予刺激以特殊的心理意义，利用多个或多样的刺激所引起的脑电位，它反映了认 知过程中大脑的神经电生理的变化，也被称为认知电位，也就是指当人们对某课题进行认 知加工时，从头颅表面记录到的脑电位，也称为ERP脑电位，对应的脑电波信号为ERP脑电波 信号。
[0004] 事件相关电位(ERP)测谎研究中主要涉及的诱发电位是P300和N400,其中P300诱 发电位的脑电波信号为250ms~700ms的正向波，N400诱发电位的脑电波信号为潜伏期为 200ms~500ms的负向波。P300诱发电位的脑电波信号的典型特征是潜伏期、波幅和波面积。 由于P300诱发电位是大脑在"无意识"过程中产生的，不会出现"把无当有"的情况，较科学 有效地帮助警方侦破案件。随后，众多研究者对ERP测谎技术提出多种改进，如幅值差（即 BAD方法）、线性相关系数(即BCD方法）、频谱估计值(即功率谱估计）、小波系数、脑网络结构 等，上述处理方法主要以脑电信号的时域、频域特征参数为评价标准展开研究，如BAD方法 和BCD方法这两种经典的信号分析处理方法，都利用单通道的P300诱发电位的脑电波信号 幅值信息区分诚实和欺骗性反应。赵敏等提出的多通道幅值和受试者的反应时间相结合的 方法以及Dey S提出的小波特征提取同样能有效地反映出欺骗和诚实之间的显著差异，并 与BAD方法和BCD方法对比得到了较好的结果。但上述处理方法虽然提高了单次响应下诱发 脑电信号的信噪比，并且直观地反映出了诚实和欺骗行为之间的差异，但是没有考虑到脑 电信号的非线性和混沌特性，造成部分信息损失。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于多重 分形消除趋势波动分析的脑电测谎方法，其方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果 好，能简单、快速对说谎状态进行准确检测。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于多重分形消除趋势波 动分析的脑电测谎方法，其特征在于:该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤一、脑电测谎判断阈值设定:采用与处理器连接的参数设置单元对脑电信号 提取装置的脑电测谎判断阈值进行设定；
[0008] 所述脑电信号检测装置包括Pz电极，所述Pz电极为按照国际标准"10/20"电极安 放方法布设在被测试者头部顶点的脑电电极；
[0009] 所述脑电信号提取装置的脑电测谎判断阈值包括所述Pz电极的脑电测谎判断阈 值，所述Pz电极的脑电测谎判断阈值包括Hurst指数判断阈值H Pz和多重分形谱宽度判断阈 值 Wpz，其中 Ηρζ=1·0142 ~1.0967，Wpz = 0.894~1.11;
[0010]步骤二、脑电信号采集:测谎过程中，对被测试者赋予刺激前的时间段tl内和对被 测试者赋予刺激后的时间段t2内，均采用所述Pz电极对被测试者头部顶点的脑电信号进行 实时提取，并通过脑电信号采集设备按照预先设定的采样频率f对所述Pz电极提取的脑电 信号同步进行采集，且将所采集的脑电信号同步传送至处理器；
[0011] 所述Pz电极提取的脑电信号记作Pz脑电信号，所述Pz脑电信号为因赋予刺激诱发 的诱发脑电信号且其诱发电位为事件相关电位，所述事件相关电位为P300;
[0012] 本步骤中，米样时间为T且T = tl+t2;其中，tl=400ms~600ms;t2 = 1200ms~ 1800ms；
[0013] 步骤三、脑电信号分析处理，过程如下：
[0014] 步骤301、脑电信号接收与同步存储:所述处理器将所接收到的脑电信号XPz(i)同 步存储至存储器内；
[0015] 所述存储器与处理器连接；
[0016] 所述脑电信号XPz(i)包括N个采样周期内采集的Pz脑电信号，其中i为正整数且i = 1、2、3、…、N，
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[0017]步骤302、脑电信号特征提取:所述处理器调用多重分形消除趋势波动分析模块计 算得出脑电信号xPz(i)的Hurst指数HPz'和多重分形谱宽度WPz'；
[0018] 步骤303、说谎与否判断:根据步骤302中得出的Hurst指数HPz'和多重分形谱宽度 WPz'，并结合步骤一中设定的Hurst指数判断阈值HPz和多重分形谱宽度判断阈值W Pz，所述处 理器调用差值比较模块对此时被测试者说谎与否进行判断：当HPz'>H Pz且WPz'<WPz时，判断 为此时被测试者没有说谎;否则，判断为此时被测试者说谎；
[0019] 步骤304、说谎与否判断结果输出：所述处理器将步骤303中作出的说谎与否判断 结果输出。
[0020] 上述基于多重分形消除趋势波动分析的脑电测谎方法，其特征是:步骤302中进行 脑电信号特征提取之前，还需对当前分析处理周期内所采集脑电信号x Pz(i)进行预处理；
[0021] 对当前分析处理周期内所采集脑电信号XPz(i)进行预处理时，先对脑电信号XPz (i)进行去除眼电伪迹处理，再对去除眼电伪迹处理后的脑电信号xpz(i)进行滤波处理。
[0022] 上述基于多重分形消除趋势波动分析的脑电测谎方法，其特征是：步骤一中进行 脑电测谎判断阈值设定时，过程如下：
[0023]步骤101、按照常规的ERP实验方法，对被测试者随机赋予三种刺激，三种刺激分别 为探测刺激、无关刺激和靶刺激;三种刺激的测试次数均为多次，其中无关刺激出现的概率 为70%，探测刺激和靶刺激出现的概率均为15% ;
[0024] 对被测试者赋予任一种刺激时，均按照步骤二中所述的方法进行脑电信号采集；
[0025] 步骤102、将赋予多次探测刺激时脑电信号采集设备采集的多个脑电信号XPz(i)进 行叠加平均，得到探测刺激下的脑电信号X Pz(i)，再按照步骤301至步骤302中所述的方法计 算得出脑电信号Xpz (i)的Hur st指数HPzm和多重分形谱宽度WPzM;
[0026] 同时，将赋予多次无关刺激时脑电信号采集设备采集的多个脑电信号XPz(i)进行 叠加平均，得到无关刺激下的脑电信号X' Pz(i)，再按照步骤301至步骤302中所述的方法计 算得出脑电信号X ' pz (i)的Hur st指数HPzm和多重分形谱宽度WPzm;
[0027] 步骤103、
1计算得出Hurst 指数判断阈值HPz和多重分形谱宽度判断阈值WPz。
[0028] 上述基于多重分形消除趋势波动分析的脑电测谎方法，其特征是：步骤二中所述 的 11 = 500ms，t2 = 1500ms。
[0029] 上述基于多重分形消除趋势波动分析的脑电测谎方法，其特征是：步骤一中所述 脑电信号检测装置还包括Fz电极;所述Fz电极为按照国际标准"10/20"电极安放方法布设 在被测试者头部中央点的脑电电极；
[0030] 所述脑电信号提取装置的脑电测谎判断阈值还包括所述Fz电极的脑电测谎判断 阈值，所述Fz电极的脑电测谎判断阈值包括Hurst指数判断阈值H Fz和多重分形谱宽度判断 阈值 Wfz，其中 Hfz = 0.9035 ~0.9985，WFz = 0.6972 ~0.8377;
[0031]步骤二中进行脑电信号采集时，对被测试者赋予刺激前的时间段tl内和对被测试 者赋予刺激后的时间段t2内，均采用所述Fz电极对被测试者头部中央点的脑电信号进行实 时提取，并通过脑电信号采集设备按照预先设定的采样频率f对所述Fz电极提取的脑电信 号同步进行采集且将所采集的脑电信号同步传送至处理器；
[0032]所述Fz电极提取的脑电信号记作Fz脑电信号，所述Fz脑电信号为因赋予刺激诱发 的诱发脑电信号且其诱发电位为事件相关电位，所述事件相关电位为P300;
[0033]步骤三中进行脑电信号分析处理，过程如下：
[0034]步骤301中进行脑电信号接收与同步存储时，所述处理器还需将所接收到的脑电 信号XFz(i)同步存储至存储器内；
[0035]所述脑电信号xFz(i)包括N个采样周期内采集的Fz脑电信号；
[0036]步骤302中进行脑电信号特征提取时，所述处理器还需调用多重分形消除趋势波 动分析模块计算得出脑电信号xfz(i)的Hurst指数HFz'和多重分形谱宽度WFz' ；
[0037]步骤303中得出的说谎与否判断结果为根据脑电信号XFz(i)判断得出的说谎与否 判断结果；
[0038] 步骤303中完成说谎与否判断后，还需根据步骤302中得出的Hurst指数HFz'和多重 分形谱宽度WFz'，并结合步骤一中设定的Hurst指数判断阈值HFz和多重分形谱宽度判断阈 值W Fz，所述处理器调用差值比较模块对此时被测试者说谎与否进行判断：当HFz'>HFz且ff Fz' <WFz时，判断为此时被测试者没有说谎;否则，判断为此时被测试者说谎;此时，所得出的说 谎与否判断结果为根据脑电信号x Fz(i)判断得出的说谎与否判断结果；
[0039]步骤304中进行说谎与否判断结果输出之前，还需判断根据脑电信号XPz(i)判断得 出的说谎与否判断结果和根据脑电信号XFZ(i)判断得出的说谎与否判断结果是否一致：当 根据脑电信号xpz(i)判断得出的说谎与否判断结果和根据脑电信号XFZ(i)判断得出的说谎 与否判断结果一致时，进入步骤304;否则，所述处理器输出本次测谎无效。
[0040]上述基于多重分形消除趋势波动分析的脑电测谎方法，其特征是：步骤一中对所 述Fz电极的脑电测谎判断阈值进行设定时，过程如下：
[0041 ]步骤A1、按照常规的ERP实验方法，对被测试者随机赋予三种刺激，三种刺激分别 为探测刺激、无关刺激和靶刺激;三种刺激的测试次数均为多次，其中无关刺激出现的概率 为70%，探测刺激和靶刺激出