[發明專利]少通道下運動想象腦電特征的提取方法

有效

• 申請號: 201310309826.1
• 申請日: 2013-07-22
• 公開（公告）號: CN103340624A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 朱向陽;孟建軍;盛鑫軍;段仁全
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: A61B5/0476
• 分類號: A61B5/0476
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 張偉鋒;鄭立

技術領域

本發明涉及生物信息技術領域，尤其涉及一種少通道下運動想象腦電特征的提取方法。

背景技術

目前，由于病變或意外造成的大腦與神經肌肉通路損傷的疾病在現有的醫療條件下還無法治愈。如在中國大約有六百萬腦癱患者，十二歲以下的兒童就占有一百八十萬左右，這些患者失去肢體控制、自理等能力。而腦-機接口（Brain-Computer?Interface，BCI）提供了制造治療和改善這些患者疾病的醫療器械設備的技術基礎，其主要機理是：訓練患者進行相關的想象運動，同時采集其腦電信號，對信號進行相應的特征提取與識別，然后將識別結果作為控制量輸入到相應的控制器以控制相應器械幫助患者實現日常的一些基本活動，從而提高他們的生活質量。

由于大腦皮層對軀體運動具有交叉支配的特點，即一側的皮質運動區支配對側的軀體骨骼肌運動。人腦在有運動的意愿后，無論是實際輸出運動還是僅僅想象運動（例如左手做抓、握運動或是右手做抓、握運動），都會導致對側大腦運動感覺區mu和beta節律的腦電信號失去同步的節律性活動而導致能量減弱，而其同側運動感覺區的mu和beta節律的腦電信號節律性活動加強。這種現象稱為事件相關去同步（Event-Related?Desynchronization,ERD）和事件相關同步（Event-Related?Synchronization,ERS）的生理現象。這種現象構成區分運動想象腦電信號的生理基礎。

在研究大腦生理現象時，現有的儀器如Neuroscan等商用腦電采集儀具有32導、64導和128導等多通道采集信號的能力。較多的通道數在一定程度上可以提高腦電信號的空間分辨率，但存在成本高、不易便攜等不足。而BCI在實際應用中，易用性、便攜性、成本低、抗干擾能力強等是實用化主要關注的問題。本領域的技術人員考慮到如果僅采集幾個通道，甚至是2-3個通道（除參考極、參考地外）的腦電信號，采集設備的通道數就大大降低，從而使得設備簡單、經濟，同時操作方便、魯棒性也增強。

共空域模式（Common?Spatial?Pattern，CSP）方法在通道數比較多的情況下是基于運動想象腦-機接口中非常有效的一種空間濾波方法，而在只有幾個通道EEG（腦電圖描記器）信號的情況下，空間域信息量本身有限，直接應用CSP的效果甚至不如直接用帶通能量法（Band?Power，BP）。現有技術中存在一種想象單側肢體運動的腦電特征的提取方法，該方法基于共空域模式CSP方法的腦電特征提取方法。這種方法在少通道腦電信號的情況下就存在不足，無法提供較高的分類正確率。

最近的一些以減少腦電通道數的研究，如Lal、Arvaneh等學者通過研究通道優化選擇問題，優化結果表明對于運動想象的腦-機接口，并非通道數目越多越好，在他們各自提出的優化目標下不同的受試者有不同數目和位置的最優通道布局。利用最優通道布局可以在用較少通道的腦電信號下有較高的分類正確率。然而，針對少通道數目腦電信號情況下，如何在保持分類正確率最高的情況下提取運動想象相關的特征這一關鍵問題并沒有得到關注和解決。

因此，本領域的技術人員致力于開發一種腦-機接口（Brain-Computer?Interface，BCI）系統采集少量通道數目腦電信號（Electroencephalogram，EEG）情況下，運動想象腦電特征的提取方法。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種少通道下運動想象腦電特征的提取方法，該方法針對采集少通道腦電信號的情況，提出一種基于信息熵優化選取多個坐標延遲的共空域頻譜模式的特征提取方法，以提高基于運動想象的腦電特征分類正確率。

本發明的基本思想是：由于大腦是公認的復雜的非線性動力學系統，將時間坐標延遲利用低維時間序列重構多維相空間是重構復雜動力學系統的等價狀態空間的常用方法之一。最初，共空域頻譜模型的提出，是基于每個通道時間序列的一個坐標延遲提出的。該方法等價于同時優化空間濾波器與一個只有單個可變參數的有限沖擊響應（Finite?Impulse?Response，FIR）濾波器的原理。由于一個參數的FIR濾波器的性能有限，本發明利用每個通道時間序列的多個坐標延遲來同時優化空間濾波器與一個高階多參數FIR濾波器，并用非參數化方法估計特征量與類別間信息熵的方法來選取最優個數的時間坐標延遲。基于多個時間坐標延遲的高階FIR濾波器比一個參數的FIR濾波器有更好的幅頻特性，該方法提供了在少通道情況下提取想象運動類別特征的有效途徑。

為實現上述目的，本發明提供的少通道下運動想象腦電特征的提取方法包括以下步驟：