[发明专利]一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统

权利要求书

1.一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统，其特征在于，包括脑电信号诱发模块、脑电信号采集模块、脑电信号解码模块、外部设备控制模块；

脑电信号诱发模块利用显示界面随机提示使用户进行运动想象产生脑电信号，标记提示开始时间与提示所属类别标签；

脑电信号采集模块获取用户进行运动想象产生脑电信号，将获取的脑电信号提供给脑电信号解码模块；

脑电信号解码模块利用张量空频耦合滤波方法和LDA分类器对脑电信号采集模块提供的脑电信号进行特征提取以及特征分类，输出脑电信号的分类标签；

外部设备控制模块将脑电信号解码模块输出的分类标签转换为控制命令用以控制外部设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统，其特征在于，脑电信号解码模块将脑电信号表达为三阶张量，具体步骤包括：

利用小波函数对每个导联的脑电信号进行时频变换，得到各导联脑电信号的时频矩阵；

将单次采集脑电信号所有导联的时频矩阵层叠，得到脑电信号的三阶张量。

3.根据权利要求2所述的一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统，其特征在于，脑电信号解码模块利用张量空频耦合滤波方法和LDA分类器对脑电信号采集模块提供的脑电信号进行特征提取以及特征分类，具体步骤包括：

对脑电信号的三阶张量进行多节律同步分解，得到分解后的脑电信号三阶张量；

将分解后的脑电信号三阶张量进行逆向溯源，得到空频耦合滤波模型；

根据空频耦合滤波模型输出的投影信号得到脑电信号的特征表达式；

利用空域滤波器和频率滤波器建立空频耦合滤波器；

利用公共空间模式重新定义特征表达式，利用广义特征值分解求解空频耦合滤波器，得到空频耦合滤波器的耦合解；

根据空频耦合滤波器交替迭代求解空域滤波器和频率滤波器，其中空频耦合滤波器的耦合解作为空域滤波器和频率滤波器交替迭代求解时的初始值；

根据求解得到的空域滤波器和频率滤波器，通过重新定义的特征表达式得到脑电信号的特征值；

用LDA分类器对特征值进行分类，获得脑电信号的分类标签。

4.根据权利要求3所述的一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统，其特征在于，分解后的脑电信号三阶张量表达式为：其中χ是分解后的脑电信号三阶张量，λ_m表示第m个源信号的活动强度，y_m表示第m个源信号，u_m表示第m个源信号的空域模式，表示矢量的外积，P_m＝[P_m,1,P_m,2,…,P_m,k]，P_m,k是第m个源信号在第k导联上的频域模式，J为源信号个数。

5.根据权利要求3所述的一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统，其特征在于，空频耦合滤波模型表达式为：是含时间信息的投影信号，m表示第m个源信号，χ是分解后的脑电信号三阶张量，b_m，k是第k导联的频率滤波器，是空域滤波器。

6.根据权利要求5所述的一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统，其特征在于，空频耦合滤波器表达式为：其中vec(B_m)表示对矩阵B_m进行向量化运算，将B_m的每个列向量按顺序地串接为一个新的向量，s_m，k表示s_m的第k个元素，⊙表示Khatri-Rao积。

7.根据权利要求6所述的一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统，其特征在于，利用公共空间模式重新定义特征表达式具体为：其中χ是分解后的脑电信号三阶张量，是空域滤波器，R＝[X₁，X₂，…，X_K]，X_k是第k个导联上的脑电信号经时频变换后的时频矩阵，w_m是空频耦合滤波器。

8.根据权利要求1所述的一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统，其特征在于，外部设备控制模块将脑电信号解码模块输出的分类标签转换为机械臂控制命令，根据不同的控制命令，机械臂进行不同的机械运动，实现脑电信号对机械臂的控制。