[发明专利]复合下肢想象动作脑电的相位特征提取方法

说明书

技术领域

本发明属于生物医学工程及计算机领域，涉及一种复合下肢想象动作脑电的相位特征提取方法。

背景技术

脑-机接口(Brain-Computer Interface，BCI)是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立一种不依赖于常规大脑输出通路(外周神经和肌肉组织)的直接信息交流和控制通道，是一种全新的人-机交互系统。最早被应用于脑-机接口系统的脑电信号主要是自发脑电信号，比如脑电中的alpha(α)波。但是这类脑电信号模式单一，无法真正做到“意识控制行动”，严重制约了脑-机接口系统的发展。近年来，各国学者对不同思维意识下脑电信号的研究逐步开展起来，这为脑-机接口的发展带来了新的曙光。

已有研究表明：在想象但未实施肢体或其他身体部位动作时，与该动作相关的大脑运动皮层区域也会发生与该动作实施时相似的电生理响应，被称为想象动作电位。在微观上，想象动作电位表现为脑皮层运动中枢神经元群电活动状态变化，临床上已通过功能性磁共振成像(functional magnetic resonance image，fMRI)观察脑局部血液图的方法确认。在宏观上，想象动作电位表现为脑电信号受到某些节律的调制现象。Jasper等人最早发现了想象动作电位的幅度调制现象，即当人在作实际动作或者想象动作时，可以引起某些节律下脑电信号的能量变化特征。直到近几年，脑认知研究专家发现，想象动作电位表现为脑电信号受到某些节律的调制现象不仅表现在幅度方面，同时表现为相位同步化特征。

想象动作电位的相位调制现象发现较晚，Varela及其同事在研究大脑中各皮层运动功能分区的协作和整合时发现，当人在进行实际或者想象的肢体动作时，分区自身内部的神经元之间，以及各个分区之间的脑电信号通过相位调制表现出显著的同步化现象。尽管到目前为止，同步化现象的生理机理还不是很清楚，但一般认为想象动作电位的相位调制导致的同步化现象时平衡了在解剖结构和功能结构上分散分布的大脑活动，从而实现了有一致性的行为和认知活动，同步化是大脑把特定的皮层及皮层下区域整合为一个整体，从而完成行为及认知功能的主要机制。到目前为止，神经工程领域的专家学者已经成功提取了上肢动作想象时辅助功能区与初级运动区之间的相位同步化特征，并用于脑-机接口系统中。同步化特征在脑-机接口系统中的应用已经被逐步重视并发展起来。但单纯的下肢想象动作电位的相位同步化特征提取极为困难，其主要原因是：下肢运动所映射的脑皮层功能区为头顶部沟回内较狭小的区域，其空间结构的区分度已是十分有限，加之头皮电极提取的脑电信号存在极大弥散性和混叠性，非常不利于源信号获取和识别，这个因素同样造成了通过单纯的下肢动作想象脑电提取能量特征极为困难。因此，希望通过复合下肢想象动作脑电实现脑-机接口系统的研究脱颖而出，逐步成为脑-机接口实现康复助行系统的 研究重点之一。经过近几年的发展，该研究方向已被认为是脑-机接口进一步发展的必由之路，截至目前，部分学者已经开展了复合下肢想象动作脑电的能量特征的相关研究，而从相位角度出发，研究复合下肢动作想象脑电的相位特征，可望为实现用于下肢康复助行的脑-机接口的发展提供新的契机。

发明内容

本发明的主旨是提出一种复合下肢想象动作脑电的能量特征提取方法，以此解决基于脑-机接口的下肢康复助行系统中的基本问题：实现截瘫患者自主控制下肢动作实现正常行走的关键动作，左右迈步动作的自主控制。本发明解决了复合下肢想象动作脑电的能量特征准确提取问题，从而为正确识别复合下肢动作模式，有效转换为应用于下肢康复助行系统的控制命令，实现截瘫患者的自主行走提供了有力支持。

本发明的主旨是提出一种复合下肢想象动作脑电的相位特征提取新方法，以此解决基于脑-机接口的下肢康复助行系统中的核心问题：实现截瘫患者自主控制下肢动作实现正常行走的3个关键动作，站起，左、右迈步动作的自主控制。本发明可以有效提取复合下肢想象动作时，脑皮层的辅助运动区和初级运动区之间的相互协作关系，从而为正确识别复合下肢动作模式，有效转换为应用于下肢康复助行系统的控制命令，实现截瘫患者的自主行走提供了有力支持。

一种复合下肢想象动作脑电的相位特征提取方法，包括下列步骤：

①利用脑电导联电极采集站起，左手左腿协同动作，右手右腿协同动作3类复合下肢想象动作脑电信号；

②对所采集到的位于初级运动区及辅助功能区的脑电信号进行空间滤波，提高脑电信号的信噪比；