[發明專利]一種皮層腦電信號的網絡系統隨機共振復原方法

有效

• 申請號: 201110294900.8
• 申請日: 2011-09-28
• 公開（公告）號: CN102327116A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 范影樂;王海玲;趙磊;陳金龍;郭芳芳
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: A61B5/0476
• 分類號: A61B5/0476
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于生物醫學工程領域，涉及一種腦電信號噪聲的處理方法，具體涉及一種基于神經元雙層網絡模型隨機共振機制的微弱皮層腦電信號實時復原方法。

背景技術

皮層腦電信號對于理解大腦活動機制、了解人的認知過程以及診斷疾病等應用有著重要的意義。通常皮層腦電信號信噪比較低，容易受到眼電、肌電以及其他噪聲的干擾，而傳統的皮層腦電信號復原方法一般需要干擾信號的先驗知識，而且對于低信噪比情形，復原效果并不理想。為減少消除噪聲對于復原皮層腦電信號的影響，后引入了隨機共振機制，它能夠調和非線性系統、信號以及噪聲之間的關系，將噪聲能量向信號能量轉移，因此在某種意義上隨機共振機制認為噪聲的存在是有意義的。目前已有隨機共振機制在腦電信號復原中的應用研究，例如基于閾值選擇的雙穩態系統，通過腦電信號、雙穩態系統以及噪聲之間的隨機共振調和，從而實現信號的復原。但是雙穩態系統是一種理想化的物理抽象模型，對于來自生物系統的電生理信號處理，具有一定的局限性。因此本發明提出采用能夠真實反映神經元電生理特性的神經元模型，并將其構成雙層網絡結構以模擬大腦神經元之間的耦合作用；利用隨機共振機制實現弱信號的復原。

發明內容

本發明基于神經元電生理模型，提出了一種基于雙層FHN神經元網絡模型的隨機共振機制，以此來實現微弱頭皮腦電信號的復原。將FHN神經元構成網絡結構，以此避免單個神經元的局限性，使其具有神經系統的耦合作用，從而提高皮層腦電信號的復原質量。

本發明包括以下各步驟：

步驟（1）通過皮層腦電采集系統，采集????????????????????????????????????????????????段不連續的皮層腦電信號，并將每段劃分成若干個不重疊的特定時長窗口。其中，不連續采集為：每段信號采集具有一定的時間間隔，以避免信號采集時受到外界特定干擾的影響。對這段不連續的皮層腦電信號求取均值，以此均值作為皮層腦電信號幅值映射的基準值。

步驟（2）將要復原的特定窗口的皮層腦電進行幅值處理，即將每個皮層腦電信號的值減去步驟（1）求取的基準值，將其幅值范圍映射到對稱的取值范圍內，使得皮層腦電信號具備雙極性特點，滿足神經元電生理模型隨機共振機制輸入的要求。

步驟（3）將步驟（2）處理后的皮層腦電信號和添加的噪聲信號輸入到基于雙層FHN神經元網絡模型中，得到對應的輸出皮層腦電信號。

步驟（4）對于步驟（3）的噪聲信號，分別取不同強度的噪聲值，計算雙層FHN神經元網絡模型在不同噪聲強度作用下的響應信噪比。當信噪比達到極大值時，獲得在信噪比意義上的皮層腦電信號最佳復原狀態，將此皮層腦電信號作為輸出。

步驟（5）將輸出的皮層腦電信號逆映射到原幅值范圍，即將輸出的皮層腦電信號與步驟（1）獲得的基準值求和，從而獲得最終復原后的皮層腦電信號。

本發明的有益效果：

（1）由于每個人的大腦開發的活躍程度不同，大腦產生的電信號波動也不盡相同，因此對要處理的皮層腦電信號進行處理和恢復時，并不能僅選取唯一不變的標準。本發明采用隨機抽樣求取平均值的方法，以此獲得處理皮層腦電信號的基準值，提高了微弱腦電信號處理的實時性。同時，采集不連續特定窗口的皮層腦電信號求取基準值，能夠避免由于一些人為操作以及外界條件影響，對基準值的求取帶來誤差。

（2）由于采集的皮層腦電信號含噪聲比較大，若濾除噪聲信號，勢必會對皮層腦電信號帶來很大的影響。本發明采用隨機共振機制，將噪聲作為有利于信號的因素，從而來復原皮層腦電信號；同時選取FHN神經元模型構成隨機共振系統的基本單元，其符合真實神經元電生理特性，更有利于皮層腦電這類生物電生理信號的復原處理。

（3）將FHN神經元電生理模型構成單向網絡結構，首層由多個神經元組成，具有獨立對皮層腦電和特定噪聲強度的噪聲進行響應的能力，可顯著提高皮層腦電復原過程中的抗干擾性。

附圖說明

圖1為雙層?FHN神經元網絡模型的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作進一步說明。

步驟（1）通過皮層腦電信號采集系統，采集段不連續的皮層腦電信號，將每段劃分成若干個不重疊的窗口，窗口時長記為，其中N表示窗口內的采樣點數，T表示采樣周期。因此第段的皮層腦電信號可記為，。并對這段不連續的腦電信號求取均值，將此均值作為皮層腦電信號的基準值，記為。