一种基于序列性复合肢体想象动作的脑-机接口方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及脑-机接口领域，尤其涉及一种基于序列性复合肢体想象动作的 脑-机接口方法。
【背景技术】
[0002] 想象动作，即仅有运动意图而无实际动作输出，可导致大脑皮层感觉运动区中 大量神经元活动状态的改变，并使脑电信号中的某些频率成分同步衰减或增强，这种 现象称为事件相关去同步化或者同步化现象（event-relateddesynchronizationor synchronization，ERD/ERS)。其中，ERS对应于相关想象动作模式下，特定频带范围内脑电 节律能量的上升过程，ERD则表现为能量的衰减过程。并且，不同的想象动作可以诱发相应 的脑电变化特征。这种脑电能量发生变化的现象可以通过无创的技术手段从头皮脑电信号 中检测到。然后，通过工程技术手段，也就是脑-机接口技术，识别出这种具有特异性的头 皮脑电变化从而判断出使用者的运动意图。
[0003] 想象动作诱发的ERD/ERS特征属于内源性诱发响应，是真正通过被试主观运动意 识诱发的脑电成份。因此，想象动作作为唯一的一种不需要外界刺激且直接反应使用者主 观运动意识的脑-机接口范式，其作业模式最符合大脑正常思维活动的状态，且不易让使 用者感到疲劳。基于想象动作的脑-机接口系统，能够真正地做到"让思想变成行动"。然 而，简单肢体想象动作主要涉及左手、右手、单或双足（因双足在皮层运动区定位濒临）三 种肢体部位动作，其可选类别少，并不能满足多指令输出，这将严重影响脑-机接口（BCI) 系统对外控制的灵活性。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种基于序列性复合肢体想象动作的脑-机接口方法，本发明实现 了多指令输出，提高了脑机接口系统对外控制的灵活性，详见下文描述：
[0005] 一种基于序列性复合肢体想象动作的脑-机接口方法，所述方法包括以下步骤：
[0006] 设计4种复合肢体想象动作序列，通过64导联脑电采集系统采集脑电信号，从脑 电信号中提取特征；
[0007]通过基于支持向量机的递归对特征进行筛选；根据序贯指数分别取前1导，前2导，…，前N导的特征作为分类器的输入，得到相应导联组合下的识别率结果，识别率最高 的导联组合即为最优组合。
[0008] 所述设计4种复合肢体想象动作序列，通过64导联脑电采集系统采集脑电信号具 体为：
[0009] 所述4种复合肢体想象动作序列分别为：右手-右手-右手，右手-左手-右手， 左手-右脚-左手，右脚-右手-左手；每个动作序列随机出现，在两种作业条件下，每名被 试者进行想象动作训练，通过64导联脑电采集系统采集脑电信号。
[0010] 所述从脑电信号中提取特征的步骤具体为：
[0011] 按1秒窗宽，〇. 5秒步长，采用burg算法估计想象任务期内脑电数据的功率谱密 度；分别对〇. 5-4Hz、4-8Hz、8-13Hz、14-30Hz、30-50Hz五个频段内的功率谱密度求和，得到 长度为5*m*N的特征，其中，m为移动窗的个数，N为导联数。
[0012] 所述功率谱密度具体为：
[0013]
【主权项】
1. 一种基于序列性复合肢体想象动作的脑-机接口方法，其特征在于，所述方法包括 以下步骤： 设计4种复合肢体想象动作序列，通过64导联脑电采集系统采集脑电信号，从脑电信 号中提取特征； 通过基于支持向量机的递归对特征进行筛选；根据序贯指数分别取前1导，前2导，…， 前N导的特征作为分类器的输入，得到相应导联组合下的识别率结果，识别率最高的导联 组合即为最优组合。
2. 根据权利要求1所述的一种基于序列性复合肢体想象动作的脑-机接口方法，其特 征在于，所述设计4种复合肢体想象动作序列，通过64导联脑电采集系统采集脑电信号具 体为： 所述4种复合肢体想象动作序列分别为：右手-右手-右手，右手-左手-右手，左 手-右脚-左手，右脚-右手-左手；每个动作序列随机出现，在两种作业条件下，每名被试 者进行想象动作训练，通过64导联脑电采集系统采集脑电信号。
3. 根据权利要求1所述的一种基于序列性复合肢体想象动作的脑-机接口方法，其特 征在于，所述从脑电信号中提取特征的步骤具体为： 按1秒窗宽，〇. 5秒步长，采用burg算法估计想象任务期内脑电数据的功率谱密度；分 别对0. 5-4Hz、4-8Hz、8-13Hz、14-30Hz、30-50HZ五个频段内的功率谱密度求和，得到长度 为5*m*N的特征，其中，m为移动窗的个数，N为导联数。
4. 根据权利要求1所述的一种基于序列性复合肢体想象动作的脑-机接口方法，其特 征在于，所述功率谱密度具体为：
其中〇2为白噪声方差，ak为模型系数，p为模型阶数，k为阶数的取值，《为频率。
5. 根据权利要求1所述的一种基于序列性复合肢体想象动作的脑-机接口方法，其特 征在于，序贯指数的计算具体为：
其中k是二分类器的个数，r的范围是1?k，1 (r)是每一个二分类器的序贯指数，1 是所有Ji(r)的平均；叉为向量；H(-i)表示移除第i个特征后的H，T为转置。
【专利摘要】本发明公开了一种基于序列性复合肢体想象动作的脑-机接口方法，所述方法包括以下步骤：通过64导联脑电采集系统采集脑电信号，从脑电信号中提取特征；通过基于支持向量机的递归对特征进行筛选；根据序贯指数分别取前1导，前2导，…，前N导的特征作为分类器的输入，得到相应导联组合下的识别率结果，识别率最高的导联组合即为最优组合。本发明能够拓展传统的基于简单肢体想象动作的脑-机接口系统的指令集，满足多指令输出，相比于使用全导联特征，在特征筛选之后可以使用较少的导联获得最高正确率，有效地减少了特征维度。
【IPC分类】G06F3-01
【公开号】CN104571505
【申请号】CN201410819720
【发明人】明东, 奕伟波, 王坤, 綦宏志, 何峰, 杨佳佳, 张力新
【申请人】天津大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月24日