[发明专利]一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统

说明书

本发明公开了一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统，包括：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。本发明实现脑电信号多节律同步现象的精准量化，提取丰富的任务相关特征，显著提高分类准确率。

技术领域

本申请涉及人机交互技术领域，特别是涉及一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统。

背景技术

脑机接口(BCI)可用于神经康复领域，为瘫痪或者患有严重运动障碍的人，特别是脑功能完整但运动能力缺失的人，提供一种与外界交流的新途径。该技术也可以用于交通、休闲娱乐等日常领域，应用前景广泛。

脑机接口的关键是识别大脑的信号特征，然后才能将其转为控制设备的正确命令。然而目前对脑电信号的解码准确率还不够高，对于大脑信号固有信息利用不够充足。公共空间模式(CSP)是最为常用的一种空域滤波方法，脑电信号经此滤波后可以计算得出可有效用于任务分类的幅值特征。经过发展，许多基于CSP的改进方法被提出，例如正则化CSP，稀疏CSP等。空频滤波方法是目前十分常用的一种运动想象脑电信号的特征提取方法，该方法通过对目标函数进行优化，同时求解空域滤波器和频率滤波器，从而提取特征以及所需要的频段。

特定频率的节律成分可以在不同导联位置表现出不同的振荡特性，而不同频率的节律成分则会混叠于同一导联位置，分别具有不同的事件同步和去同步特性，被称为多节律同步现象。而现有的大多数空频滤波方法所提取的运动想象任务相关的空频模式存在一一对应关系，频率模式反映的节律的频率信息，而对应的空域模式代表了该节律在脑区各空间位置上的活动强弱，这些空频分析方法难以同时刻画不同节律在不同脑区上的振荡模式，即多节律同步现象。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统，为了进一步提高脑机接口系统的精确度以及适用性，本发明的脑电信号解码模块使用了张量空频耦合滤波方法，将二维脑电信号表示成三阶张量，考虑了信号时空频三个维度的信息，通过建立空频耦合滤波器，计算用于任务分类的可区分性强的幅值特征；通过交替迭代求解空域滤波器和频率滤波器，直接在频域中获得频率滤波器，更精确地反映节律成分的频率信息。具体的，一种基于张量空频耦合滤波的脑机接口系统，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。

进一步的，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；

进一步的，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；