[发明专利]站起想象动作脑电的信号采集和特征提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种脑电信号的采集和特征提取方法，属于生物医学工程及计算机领域。

背景技术

脑-机接口(Brain-Computer Interface，BCI)是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立一种不依赖于常规大脑输出通路(外周神经和肌肉组织)的直接信息交流和控制通道，是一种全新的人-机交互系统。最早被应用于脑-机接口系统的脑电信号主要是自发脑电信号，比如脑电中的alpha(α)波。但是这类脑电信号模式单一，无法真正做到“意识控制行动”，严重制约了脑-机接口系统的发展。近年来，各国学者对不同思维意识下脑电信号的研究逐步开展起来，这为脑-机接口的发展带来了新的曙光。

已有研究表明：人在想象某个肢体动作时，与该动作相关的大脑运动皮层区域会发生与该动作实施时相似的电生理响应，如诱发电位(evoked potential，EP)或事件相关电位(event related potential，ERP)，特称之为想象动作电位(motor imaginarypotentials)。临床上已通过功能性磁共振成像(functional magnetic resonance image，fMRI)观察脑局部血液图的方法确认：想象和实施动作时所激发的大脑运动皮层区域相同。

最先发现想象动作电位的Jasper等人在研究脑电(Electroencephalograph，EEG)信号的过程中，注意到肢体运动准备或规划时能够引起皮层运动中枢大量神经细胞的活动状态变化，导致EEG中某些频率成分的同步增强或者同步减弱，即所谓事件相关同步(event-related synchronization，ERS)和事件相关去同步(event-relateddesynchronization，ERD)现象。Pfurtscheller和Aranibar通过实验证实了上述现象，指出ERD/ERS现象主要集中在EEG中mu节律和beta节律段，并且提出了针对ERS/ERD现象的量化理论。近些年来，各国学者对各种想象动作电位进行了大量的思维模式(多围绕ERD/ERS现象)提取的研究，其中以舌部想象动作和左右手想象动作电位的模式提取最为常见。特别需要指出的是，先期开展这方面工作的奥地利Graz大学，已经成功地将提取到的左右手想象动作模式作为控制命令，操纵脑-机接口系统并试用于肢瘫患者的上肢康复训练中，取得了令人振奋的阶段性成果。但至今，下肢想象动作电位的模式提取进展缓慢，判断准确度难以提高。其主要原因是：下肢运动所映射的脑皮层功能区为头顶部沟回内较狭小的区域，其空间结构的区分度已是十分有限，加之头皮电极提取的脑电信号存在极大弥散性和混叠性，非常不利于源信号获取和识别。这个关键因素导致了应用于上肢想象动作脑电的特征提取算法在下肢想象动作脑电的特征提取方面适用性有限。而在现实生活中，下肢想象动作脑电特征的有效提取，是实现真正完全由四肢瘫痪病人或截瘫患者的意志控制的下肢康复助行系统的核心技术：通过提取患者想象下肢动作的脑电信号，转换为相应的下肢康复助行系统的外部控制命令，以此帮助患者行走和肌肉刺激恢复。这种完全靠患者自主意志控制的系统，不仅可以实现这部分残疾病人正常生活的回归，而且可以提升患者的自信心，因此具有广泛的应用前景和重要的社会意义。为此，目前已有大量学者开始尝试采用新方法进行下肢想象动作模式。其中，站起动作作为几组下肢动作(包括站起、坐下、左右迈步)中的首个关键动作，对其进行想象动作脑电的特征提取是实现下肢康复助行系统任务中最为基本和必需的。

发明内容

本发明的主旨是提出站起想象动作的脑电特征提取新方法，以此解决基于脑-机接口的下肢康复助行系统中的最基本问题：实现截瘫患者自主控制下肢动作实现正常行走的首个关键动作，站起动作的自主控制。该发明解决了站起想象动作中脑电特征的准确提取问题，从而为正确识别下肢动作模式，有效转换为应用于下肢康复助行系统的控制命令，实现截瘫患者的自主站起提供了有力支持。