[发明专利]运动想象脑电信号特征的提取方法

说明书

技术领域

本发明属于信息技术领域，更一步涉及在生命科学领域中应用脑-机接口(Brain-Computer Interface，BCI)系统对运动想象时脑电信号特征的提取方法。本发明利用对运动想象脑电信号特征的提取方法提取特征，分类器对特征进行分类，实现单侧手指运动想象的判别，最终达到对开关、鼠标、轮椅等外界装置的控制。

背景技术

在准备和执行单侧手指运动想象时，人们大脑皮层的功能性连接发生改变，从而导致其对侧大脑运动感觉区mu和beta节律的脑电信号能量减弱，而其同侧大脑运动感觉区mu和beta节律的脑电信号能量增强。这种想象单侧手指运动时特定脑区特定频率脑电信号的能量变化，被称为事件相关去同步现象。该现象是判别左右手指运动想象脑电信号最根本的特征。因此，通过受试者运动想象时脑电信号的分析，判别受试者运动想象的方向，从而实现对外界装置的控制。目前，提取事件相关去同步现象特征的方法有共同空间模式方法和滤波带宽共同空间模式方法。

共同空间模式方法是将脑电信号在某个空间通过一个映射矩阵变换到另一空间，在该变换过程中使得脑电信号在一种运动想象状态下脑电信号的方差最大化，另一种运动想象状态下脑电信号的方差最小化，从而提取相应特征，区分这两种运动想象状态。北京工业大学在其专利申请文件“想象单侧肢体运动的脑电特征的提取方法”(申请号200810056839.1，申请日2008.01.25，授权号CN 101219048B，授权日2010.06.23)中提出一种想象单侧肢体运动的脑电特征的提取方法。该专利技术将共同空间模式(Common Spatial Pattern，CSP)方法和线性判别分析(FDA)相结合，降低了输入矢量的维数，提高了分类器的推广性，在一定程度上提高了分类正确率。但是，共同空间模式方法必须针对特定的频带和特定的时段。在执行运动想象任务时，由于个体差异的存在，发生事件相关去同步的频带和时段是不一致的。该专利技术存在的不足是，仅根据以往的经验数据，针对想象单侧肢体运动后1-2秒，8-31Hz的脑电信号进行分析，没有考虑发生事件相关去同步现象时频带和时段的个体差异性，导致利用该专利技术提取出的脑电特征不能充分体现受试者想象单侧肢体运动时脑电信号的区别，利用该特征进行分类，分类正确率不高。

滤波带宽共同空间模式方法，考虑到每个受试者想象单侧手指运动时发生事件相关去同步频带的不同，针对运动想象脑电信号不同频带的信号，利用共同空间模式方法提取信号特征，并通过互信息方法自动选取特征，最终利用分类器对信号分类，Ang KK，Chin ZY，Haihong Z，et al.“Filter bank common spatial pattern(FBCSP)in brain-computer interface，”IEEE International Joint Conference on Neural Networks，2390-2397(2008)。该方法通过频域滤波，空间滤波，特征选择和分类四个步骤实现运动想象脑电信号的判别。频域的滤波是利用带通滤波器将脑电信号分为多个子频带的信号；空间滤波是针对每个子频带信号提取相应的CSP特征；特征选择利用互信息方法自动选取能够区分两种运动想象状态的CSP特征；按照分类法则对选出的CSP特征进行分类。由于该方法考虑到频带的个体差异，分类效果有所提高。但是，该方法存在的不足是，进行运动想象时，发生事件相关去同步时段的个体差异性依然没有被考虑，利用该方法提取出的脑电特征依然不能充分体现受试者想象单侧肢体运动时脑电信号的区别，利用该特征进行分类，分类正确率不高。

综上所述，对于运动想象脑电信号特征的提取方法，已有方法仅仅考虑了想象单侧手指运动时发生事件相关去同步的脑区和频率的个体差异性，没有考虑到想象单侧手指运动时发生事件相关去同步时段的个体差异性，提取出的脑电特征依然不能充分体现受试者想象单侧肢体运动时脑电信号的区别，利用该特征进行分类，分类正确率不高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有脑电信号特征提取方法的不足，提出一种运动想象时脑电信号特征的提取方法。该方法充分考虑运动想象时脑电信号发生事件相关去同步的脑区、频率和时间的信息，以便取得更高的分类正确率。