[發明專利]基于小波變換和稀疏表達的腦電信號分類系統與方法

有效

• 申請號: 201710244077.7
• 申請日: 2017-04-14
• 公開（公告）號: CN107423668B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 高諾;王濤;魯守銀;翟文文;吳林彥
• 申請（專利權）人: 山東建筑大學
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;A61B5/372;A61B5/374
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

本發明涉及一種基于小波變換和稀疏表達的腦電信號分類系統及方法，該方法的具體步驟包括：在字典學習模塊內對運動想象腦電信號的字典學習：將腦機接口系統采集的已知運動想象腦電信號作為學習數據進行特征提取、字典學習和類別直方圖計算，得到學習字典及學習數據的類別直方圖，并傳輸至所述類別識別模塊。在類別識別模塊內對運動想象腦電信號的類別識別：將未知運動想象腦電信號作為分類數據進行特征提取，利用訓練模塊中的學習字典得到分類數據的稀疏表達，計算分類數據的類別直方圖，并根據學習數據的類別直方圖與分類數據的類別直方圖的對比結果進行分類數據的類別識別分類。所述特征提取包括信號預處理、小波變換和特征向量建立。

技術領域

本發明屬于腦電信號處理的技術領域，尤其涉及一種基于小波變換和稀疏表達的腦電信號分類系統與方法。

背景技術

目前，腦機接口技術作為一種全新的通信和控制技術，可以為思維正常但有嚴重運動障礙的患者提供語言交流和環境控制手段。其中，腦機接口被定義為能夠使人不依賴周圍神經系統和肌肉、而與外界進行通信或控制的設備。腦機接口技術不僅應用于未患者提供語言交流和環境控制，在自動控制、軍事認知等科學領域也有潛在的應用價值。鑒于其巨大的應用前景，腦機接口已經引起國際科學界的高度重視，稱為腦科學、康復工程、生物醫學工程及人機控制領域的一個研究熱點。

在所有能夠被監測到的反映大腦活動的信號中，由于腦電信號(Electroencephalogram，EEG)具有較好的時間分辨率，監測儀器較簡單，非入侵等優點，被大部分腦機接口系統所采納。

在所有基于EEG信號的腦機接口系統中，能夠被用作控制信號的大腦活動信號有：視覺誘發電位、P300事件相關電位、運動想象、皮層慢電位等幾種。其中，針對運動想象信號，基于運動想象的腦機接口的理論基礎是：當感覺器官受到一種或多種事件刺激，這種刺激會傳輸到大腦，使得大腦的神經元集群發生特定的電活動，這種電活動就是時間相關電位(Event Related Potentials，ERPs)。ERPs是一種特殊的誘發電位。通過研究發現，ERPs電活動表現為在特定頻率能量的變化，主要是特定節律信號能量的增加或者減少，這是大量神經元集體電活動的共同結果。因此，當ERPS出現時，皮層區域的特定頻率的節律性活動能量表現為幅度的降低，這種現象叫做事件相關去同步(Event-relatedDesynchronization，ERD)，反之，出現幅值升高的現象，稱之為事件相關同步(Event.related Synchronization，ERS)。基于ERD/ERS的腦機接口系統主要是辨別運動想象思維作業的EEG信號，比如想象左手、右手、腳、舌的運動，從而產生不同的控制命令。Pfunscheller等人通過研究發現即使對于具有嚴重肢體障礙的患者，在進行運動想象時，也可以觀察到運動區域的這種事件相關同步或者事件相關去同步現象。

目前，基于運動想象腦機接口系統的研究是目前腦機接口的研究熱點之一。主要原因是ERS/ERD現象的生理依據和數學模型已被許多科研機構研究和證明，并成為目前探討正常和病理狀態下識別感覺、運動和認知功能最為常用的方法。另外，該現象中的μ節律和β波變化不需要外界刺激誘發，便于受試者訓練和控制，進而成為腦機接口研究最受歡迎的實現途徑。對于腦電信號多分類系統，Wopaw研究組在2010年利用想象左右手和腳運動時u和β波段信號變化特征，實現光標在三維空間中移動，但是該研究中被試需要長期的訓練，該結果很大程度上依賴于被試樣本，且只是利用了兩種運動想象信號，即想象左、右手。

綜上所述，目前基于運動想象的腦機接口在腦電信號的分類方面存在如下問題：

(1)被試依賴性過高：目前實驗的被試樣本僅選取個位數，且需要經過長期的訓練；

(2)分類種類少：基于不同運動想象思維作業的腦電信號分類十分困難，目前能夠區分的最多的運動想象思維作業是六種，分類種類少限制了腦機接口的應用范圍；

(3)分類精度不高：隨著運動想象種類的增加，分類精度隨之下降；