[发明专利]少通道下运动想象脑电特征的提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物信息技术领域，尤其涉及一种少通道下运动想象脑电特征的提取方法。

背景技术

目前，由于病变或意外造成的大脑与神经肌肉通路损伤的疾病在现有的医疗条件下还无法治愈。如在中国大约有六百万脑瘫患者，十二岁以下的儿童就占有一百八十万左右，这些患者失去肢体控制、自理等能力。而脑-机接口（Brain-Computer Interface，BCI）提供了制造治疗和改善这些患者疾病的医疗器械设备的技术基础，其主要机理是：训练患者进行相关的想象运动，同时采集其脑电信号，对信号进行相应的特征提取与识别，然后将识别结果作为控制量输入到相应的控制器以控制相应器械帮助患者实现日常的一些基本活动，从而提高他们的生活质量。

由于大脑皮层对躯体运动具有交叉支配的特点，即一侧的皮质运动区支配对侧的躯体骨骼肌运动。人脑在有运动的意愿后，无论是实际输出运动还是仅仅想象运动（例如左手做抓、握运动或是右手做抓、握运动），都会导致对侧大脑运动感觉区mu和beta节律的脑电信号失去同步的节律性活动而导致能量减弱，而其同侧运动感觉区的mu和beta节律的脑电信号节律性活动加强。这种现象称为事件相关去同步（Event-Related Desynchronization,ERD）和事件相关同步（Event-Related Synchronization,ERS）的生理现象。这种现象构成区分运动想象脑电信号的生理基础。

在研究大脑生理现象时，现有的仪器如Neuroscan等商用脑电采集仪具有32导、64导和128导等多通道采集信号的能力。较多的通道数在一定程度上可以提高脑电信号的空间分辨率，但存在成本高、不易便携等不足。而BCI在实际应用中，易用性、便携性、成本低、抗干扰能力强等是实用化主要关注的问题。本领域的技术人员考虑到如果仅采集几个通道，甚至是2-3个通道（除参考极、参考地外）的脑电信号，采集设备的通道数就大大降低，从而使得设备简单、经济，同时操作方便、鲁棒性也增强。

共空域模式（Common Spatial Pattern，CSP）方法在通道数比较多的情况下是基于运动想象脑-机接口中非常有效的一种空间滤波方法，而在只有几个通道EEG（脑电图描记器）信号的情况下，空间域信息量本身有限，直接应用CSP的效果甚至不如直接用带通能量法（Band Power，BP）。现有技术中存在一种想象单侧肢体运动的脑电特征的提取方法，该方法基于共空域模式CSP方法的脑电特征提取方法。这种方法在少通道脑电信号的情况下就存在不足，无法提供较高的分类正确率。

最近的一些以减少脑电通道数的研究，如Lal、Arvaneh等学者通过研究通道优化选择问题，优化结果表明对于运动想象的脑-机接口，并非通道数目越多越好，在他们各自提出的优化目标下不同的受试者有不同数目和位置的最优通道布局。利用最优通道布局可以在用较少通道的脑电信号下有较高的分类正确率。然而，针对少通道数目脑电信号情况下，如何在保持分类正确率最高的情况下提取运动想象相关的特征这一关键问题并没有得到关注和解决。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种脑-机接口（Brain-Computer Interface，BCI）系统采集少量通道数目脑电信号（Electroencephalogram，EEG）情况下，运动想象脑电特征的提取方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种少通道下运动想象脑电特征的提取方法，该方法针对采集少通道脑电信号的情况，提出一种基于信息熵优化选取多个坐标延迟的共空域频谱模式的特征提取方法，以提高基于运动想象的脑电特征分类正确率。

本发明的基本思想是：由于大脑是公认的复杂的非线性动力学系统，将时间坐标延迟利用低维时间序列重构多维相空间是重构复杂动力学系统的等价状态空间的常用方法之一。最初，共空域频谱模型的提出，是基于每个通道时间序列的一个坐标延迟提出的。该方法等价于同时优化空间滤波器与一个只有单个可变参数的有限冲击响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器的原理。由于一个参数的FIR滤波器的性能有限，本发明利用每个通道时间序列的多个坐标延迟来同时优化空间滤波器与一个高阶多参数FIR滤波器，并用非参数化方法估计特征量与类别间信息熵的方法来选取最优个数的时间坐标延迟。基于多个时间坐标延迟的高阶FIR滤波器比一个参数的FIR滤波器有更好的幅频特性，该方法提供了在少通道情况下提取想象运动类别特征的有效途径。

为实现上述目的，本发明提供的少通道下运动想象脑电特征的提取方法包括以下步骤：