[發(fā)明專(zhuān)利]輕量級(jí)隱私保護(hù)外包腦電信號(hào)特征提取方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110664516.6
• 申請(qǐng)日: 2021-06-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113298030B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程航;顏娜招;黃芹健;王美清;陳飛;周勇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06K9/00
• 分類(lèi)號(hào): G06K9/00;G06F21/60;G06F21/62;H04L9/08;H04L9/40
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 丘鴻超;蔡學(xué)俊

本發(fā)明提出一種輕量級(jí)隱私保護(hù)外包腦電信號(hào)特征提取方法，其允許邊緣服務(wù)器在無(wú)法獲取明文腦電信號(hào)數(shù)據(jù)的前提下對(duì)用戶(hù)上傳的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取；同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電信號(hào)的隱私保護(hù)，設(shè)計(jì)了一系列安全外包計(jì)算協(xié)議，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加密腦電信號(hào)的特征提取；此外，為了提高腦電信號(hào)的信噪比，利用TRCA來(lái)對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行空間濾波；最后，為了減少用戶(hù)與服務(wù)器之間的響應(yīng)延遲，引入了邊緣計(jì)算技術(shù)。保證了不泄露原始腦電信號(hào)數(shù)據(jù)有關(guān)隱私的信息。該技術(shù)方案在確保腦電信號(hào)中的相關(guān)信息隱私安全性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了外包腦電信號(hào)的特征提取，且降低了用戶(hù)本地計(jì)算和通信成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于腦電信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種輕量級(jí)隱私保護(hù)外包腦電信號(hào)特征提取方法。

背景技術(shù)

腦電圖(EEG)是一種電生理監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)使用電生理指標(biāo)來(lái)記錄大腦活動(dòng)過(guò)程中大量神經(jīng)元的突觸后電位變化。當(dāng)捕獲到腦電信號(hào)后，應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員可以從這些信號(hào)中提取出特征，然后使用它們來(lái)訓(xùn)練自己的模型，這些模型可用于各種預(yù)測(cè)和推理任務(wù)。

目前，主流的腦電圖采集方法通常分為兩種：有創(chuàng)和無(wú)創(chuàng)。由于其安全性和實(shí)用性，非侵入式獲取方法已被廣泛使用。但是，以這種方式收集的信號(hào)具有信噪比(SNR)低和空間分辨率低的缺點(diǎn)。在這種情況下，提取出的特征無(wú)法進(jìn)行正確分類(lèi)和識(shí)別。因此，如何提高腦電信號(hào)的SNR和空間分辨率是多年來(lái)腦計(jì)算機(jī)接口(BCI)研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。空間濾波方法在無(wú)創(chuàng)BCI的降噪和腦電特征提取中起著重要作用。其中，Tanaka等人開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為任務(wù)相關(guān)成分分析(TRCA)的空間濾波方法，其優(yōu)化了權(quán)重系數(shù)，以最大化時(shí)鎖近紅外光譜(NIRS)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)間協(xié)方差。隨后，Masaki等人將TRCA應(yīng)用于BCI，發(fā)現(xiàn)它在改善SNR方面具有巨大應(yīng)用前景，這有助于從腦電信號(hào)中提取出有效特征。

由于腦電圖信號(hào)含有豐富的信息，其特征提取往往需要大量的計(jì)算成本和較高的硬件配置，這對(duì)于計(jì)算資源有限的普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)是負(fù)擔(dān)不起的。此外，在提取有效特征之前，腦電圖信號(hào)需要特殊的預(yù)處理技術(shù)，這對(duì)一般用戶(hù)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將特征提取任務(wù)直接外包到云上是解決上述挑戰(zhàn)的通用方案。然而，云計(jì)算技術(shù)復(fù)雜的集中管理將帶來(lái)大量的帶寬消耗和響應(yīng)延遲。相比之下，由于邊緣計(jì)算技術(shù)允許存儲(chǔ)/計(jì)算任務(wù)在局域網(wǎng)內(nèi)執(zhí)行，因此它可以實(shí)時(shí)或更快地處理和分析數(shù)據(jù)，大大減少了帶寬消耗和響應(yīng)延遲。因此，在邊緣計(jì)算環(huán)境下建立腦電信號(hào)特征提取模型是一種很好的方法。此外，邊緣計(jì)算模式要求用戶(hù)將原始腦電圖信號(hào)上傳到邊緣計(jì)算中心，這將增加用戶(hù)隱私數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)，而云計(jì)算存在同樣的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的空白和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種輕量級(jí)隱私保護(hù)外包腦電信號(hào)特征提取方法，該方案允許邊緣服務(wù)器在無(wú)法獲取明文腦電信號(hào)數(shù)據(jù)的前提下對(duì)用戶(hù)上傳的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取；同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電信號(hào)的隱私保護(hù)，設(shè)計(jì)了一系列安全外包計(jì)算協(xié)議，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加密腦電信號(hào)的特征提取；此外，為了提高腦電信號(hào)的信噪比，利用TRCA來(lái)對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行空間濾波；最后，為了減少用戶(hù)與服務(wù)器之間的響應(yīng)延遲，引入了邊緣計(jì)算技術(shù)。

本發(fā)明主要是針對(duì)利用邊緣計(jì)算進(jìn)行腦電信號(hào)特征提取可能會(huì)導(dǎo)致安全威脅問(wèn)題，即可能會(huì)造成上傳的腦電信號(hào)中隱私信息發(fā)生泄露的問(wèn)題。因此，針對(duì)外包的腦電信號(hào)提出了一套輕量級(jí)隱私保護(hù)特征提取框架(LightPyFE)。具體來(lái)說(shuō)，該方案引入加性秘密分享技術(shù)設(shè)計(jì)出一系列安全計(jì)算協(xié)議。此外，基于任務(wù)相關(guān)成分分析(TRCA)設(shè)計(jì)了一種空間濾波方法，可允許服務(wù)器在不知道明文腦電信號(hào)的情況下對(duì)密文數(shù)據(jù)進(jìn)行空間濾波，以提高信號(hào)信噪比。最后，在外包環(huán)境下，為了有效減少用戶(hù)與服務(wù)器之間的交互響應(yīng)時(shí)間，引入邊緣計(jì)算技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的時(shí)效性。在上述的所有過(guò)程中，我們均保證了不泄露原始腦電信號(hào)數(shù)據(jù)有關(guān)隱私的信息。該技術(shù)方案在確保腦電信號(hào)中的相關(guān)信息隱私安全性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了外包腦電信號(hào)的特征提取，且降低了用戶(hù)本地計(jì)算和通信成本。

具體包括一種輕量級(jí)的邊緣計(jì)算環(huán)境下的腦電信號(hào)隱私保護(hù)外包特征提取框架(LightPyFE)，邊緣服務(wù)器可以對(duì)加密的腦電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取，而不需要獲取任何明文信息。