[发明专利]基于小波变换和稀疏表达的脑电信号分类系统与方法

说明书

本发明涉及一种基于小波变换和稀疏表达的脑电信号分类系统及方法，该方法的具体步骤包括：在字典学习模块内对运动想象脑电信号的字典学习：将脑机接口系统采集的已知运动想象脑电信号作为学习数据进行特征提取、字典学习和类别直方图计算，得到学习字典及学习数据的类别直方图，并传输至所述类别识别模块。在类别识别模块内对运动想象脑电信号的类别识别：将未知运动想象脑电信号作为分类数据进行特征提取，利用训练模块中的学习字典得到分类数据的稀疏表达，计算分类数据的类别直方图，并根据学习数据的类别直方图与分类数据的类别直方图的对比结果进行分类数据的类别识别分类。所述特征提取包括信号预处理、小波变换和特征向量建立。

技术领域

本发明属于脑电信号处理的技术领域，尤其涉及一种基于小波变换和稀疏表达的脑电信号分类系统与方法。

背景技术

目前，脑机接口技术作为一种全新的通信和控制技术，可以为思维正常但有严重运动障碍的患者提供语言交流和环境控制手段。其中，脑机接口被定义为能够使人不依赖周围神经系统和肌肉、而与外界进行通信或控制的设备。脑机接口技术不仅应用于未患者提供语言交流和环境控制，在自动控制、军事认知等科学领域也有潜在的应用价值。鉴于其巨大的应用前景，脑机接口已经引起国际科学界的高度重视，称为脑科学、康复工程、生物医学工程及人机控制领域的一个研究热点。

在所有能够被监测到的反映大脑活动的信号中，由于脑电信号(Electroencephalogram，EEG)具有较好的时间分辨率，监测仪器较简单，非入侵等优点，被大部分脑机接口系统所采纳。

在所有基于EEG信号的脑机接口系统中，能够被用作控制信号的大脑活动信号有：视觉诱发电位、P300事件相关电位、运动想象、皮层慢电位等几种。其中，针对运动想象信号，基于运动想象的脑机接口的理论基础是：当感觉器官受到一种或多种事件刺激，这种刺激会传输到大脑，使得大脑的神经元集群发生特定的电活动，这种电活动就是时间相关电位(Event Related Potentials，ERPs)。ERPs是一种特殊的诱发电位。通过研究发现，ERPs电活动表现为在特定频率能量的变化，主要是特定节律信号能量的增加或者减少，这是大量神经元集体电活动的共同结果。因此，当ERPS出现时，皮层区域的特定频率的节律性活动能量表现为幅度的降低，这种现象叫做事件相关去同步(Event-relatedDesynchronization，ERD)，反之，出现幅值升高的现象，称之为事件相关同步(Event.related Synchronization，ERS)。基于ERD/ERS的脑机接口系统主要是辨别运动想象思维作业的EEG信号，比如想象左手、右手、脚、舌的运动，从而产生不同的控制命令。Pfunscheller等人通过研究发现即使对于具有严重肢体障碍的患者，在进行运动想象时，也可以观察到运动区域的这种事件相关同步或者事件相关去同步现象。

目前，基于运动想象脑机接口系统的研究是目前脑机接口的研究热点之一。主要原因是ERS/ERD现象的生理依据和数学模型已被许多科研机构研究和证明，并成为目前探讨正常和病理状态下识别感觉、运动和认知功能最为常用的方法。另外，该现象中的μ节律和β波变化不需要外界刺激诱发，便于受试者训练和控制，进而成为脑机接口研究最受欢迎的实现途径。对于脑电信号多分类系统，Wopaw研究组在2010年利用想象左右手和脚运动时u和β波段信号变化特征，实现光标在三维空间中移动，但是该研究中被试需要长期的训练，该结果很大程度上依赖于被试样本，且只是利用了两种运动想象信号，即想象左、右手。

综上所述，目前基于运动想象的脑机接口在脑电信号的分类方面存在如下问题：

(1)被试依赖性过高：目前实验的被试样本仅选取个位数，且需要经过长期的训练；

(2)分类种类少：基于不同运动想象思维作业的脑电信号分类十分困难，目前能够区分的最多的运动想象思维作业是六种，分类种类少限制了脑机接口的应用范围；

(3)分类精度不高：随着运动想象种类的增加，分类精度随之下降；