[发明专利]脑肌电同步采集及信息传递特性分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及康复工程领域、神经工程及运动障碍机制研究领域，具体涉及一种在脑肌电同步采集下基于状态转移率的脑肌电信息传递特征分析方法。

背景技术

头皮脑电（EEG)是脑皮层神经电活动的表现，表面肌电（sEMG)是肌肉电活动的表现，二者分别作为人体指令中心和执行末端的代表性信号，在机体运动功能领域有着非常重要的研究意义。自从1995年Conway发现了运动过程中肌肉电信号和脑磁信号之间具有相关性，基于脑皮层和肌肉的相关同步特征探索大脑感觉运功皮层与肌肉功能联系的研究相继开展。2004年日本科学家Tomohiro Shibata等同步测量正常人和镜像运动病人在手臂动作时的sEMG和EEG信号，通过分析脑肌电信号的相干性，验证了镜像运动病人控制神经分布与正常人的差异特征；2009年美国勒纳研究所的Yin Fang等比较健康人和中风病人在手部运动中的脑肌电同步情况，发现中风病人在gamma频段同步缺失。相干分析已成为神经科学领域估计神经功能联系的经典方法，它能够有效的估计信号频域之间的线性相关性，而神经之间有可能存在非线性联系。为此，一些学者将信息论的方法引入脑肌电同步分析，最初是基于互信息表征两个变量之间的关系，可以发现二阶或更高阶的相关性。由于传统的互信息方法无方向性且不能排除同源信号的影响。本发明作者曾提出了基于复杂度信息熵的信息传递指数，表征序列在不同特征空间中的能量分布不确定性。该方法最初提出是用于机械故障诊断，对于运动神经系统控制反馈机理的研究尚存在以下不足：通过计算两个信源之间的共有信息量来描述信息传递关系，不考虑特定信息出现的顺序和时间，本质上没有方向分辨力，且不能排除同源信息的干扰。

发明内容

本发明的目的在于提出基于时序局部互信息的状态转移率，能发现线性和非线性的信息相关性、有助于深入探索大脑皮层与肌肉之间的信息传递特征的脑肌电同步采集及信息传递特性分析方法。

本发明所述的方法包括信号同步采集部分和信号处理部分；

（1）信号同步采集部分包括：脑电信号采集和肌电信号采集；

（1-1）脑电信号采集，采用国际标准10-20电极放置标准，通过电极帽实现电极与头皮接触，采用单级导联法，A1、A2导联分别连接到左右耳后乳突作为参考电极，接地电极布置在头顶正中；

（1-2）肌电信号采集，利用三点式差分输入，两个信号为肌电的差分输入端，另一个为参考地；差分输入电极顺着肌纤维方向，放置在肌腹位置处；

利用32通道脑电采集仪采集脑电信号，修改其中两个差分通道通带宽度用于采集肌电信号，进而实现脑肌电同步采集；

（2）信号处理部分包括信号预处理和脑肌电信息传递特性分析方法；

（2-1）信号预处理：利用自适应高通滤波器和自适应50Hz工频陷波滤波器分别对脑电信号和肌电信号进行滤波处理，去除信号中的基线漂移和工频干扰；然后选用巴特沃斯三阶带通FIR滤波器对脑电信号和肌电信号进行处理，根据信号的有效频段特征，选取脑电信号的截止频率为：2Hz和50Hz；肌电信号的截止频率为：2Hz和200Hz；

（2-2）脑肌电信息传递特性分析方法

利用状态转移率分析脑肌电信号信息传递特性，定量描述脑电信号与肌电信号之间线性和非线性的信息传递；

状态转移率的定义如下：