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专利号: 2015100502695
申请人: 杭州电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 医学或兽医学;卫生学
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于CSP和R-CSP算法的脑电信号特征提取方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤:步骤1.选取多名实验者的脑电信号数据作训练集和测试集,并对每个实验者的脑电信号进行预处理,包括信号长度选取以及EEG阈值去噪;

步骤2.利用正则化CSP算法对预处理后的信号进行分析研究;从多名实验者中选取

1名作为目标实验者,其余作为辅助实验者,调节正则化参数使目标实验者和辅助实验者之间的训练数据相结合,构造出正则化的空间滤波器对脑电数据进行滤波处理,完成特征信号的提取工作;

特征信号的提取工作的主要具体步骤如下:对每个实验者的训练样本求解协方差矩阵,则可以得到标准的空间协方差为

式中, 表示信号,d∈{1,2}表示类别d的第i个样本的脑电信号,N×T表示维度,T表示为每次任务中每个通道的采样点数; 是 的转置, 是矩阵 的对角元素之和,即矩阵的迹,r(c,i)表示协方差;

在任务类型已知的训练集中,分别将对两类任务的样本矩阵进行各自的空间协方差计算,平均正则化协方差矩阵为:式中:c表示类别,其中(0≤γ≤1)和(0≤β≤1),γ,β为正则化参数,I为N×N的单位矩阵, 定义如下式中:rc表示为目标受试者进行k次c类实验的协方差矩阵之和:表示为辅助受试者进行 次c类实验的协方差矩阵之和,即:式中 表示共有s名受试者,其中进行单侧想象运动为k次;γ(c,j)表示辅助受试者第j次c类实验的协方差矩阵,其中

根据以上的公式可知,当β=γ=0的时候,R-CSP变为传统的CSP算法;当都不为零的时候,根据调整不同的β和γ的值,根据不同的参数的选择,逐一对比不同参数的实验结果,通过不断的精选参数的过程中,最终使小样本特征提取的结果达到最优,进而得到更好的分类结果;

在正则化参数的作用下,得到受试者的两类运动想象的EEG信号来构造平均正则化协方差矩阵,它们分别是式中,RA和RB分别表示目标受试者的A类和B类训练样本的协方差矩阵之和, 和分别表示辅助受试者的A类和B类训练样本的协方差矩阵之和,tr是矩阵的迹,I为N×N的单位矩阵;将ZA(β,γ)和ZB(β,γ)进行求和操作,然后对其和进行特征分解,如下所示:式中,为对应的特征向量矩阵,是特征值对角矩阵,则正则白化矩阵为进行变换得到如下等式:

式中, 和 是对角矩阵,其中 其对应的特征向量矩阵又分别是 和 分别选取 和 中最大的特征值对应的特征向量 和 构造空间滤波器设X为经过预处理后的EEG信号XA和XB分别是对应的两类训练样本,经过滤波器WA和WB之后,得到特征向量[ZA,ZB]为步骤3.将遗传算法和以径向基函数为模型的支持向量机(SVM)分类器相结合对特征向量进行分类,得到实验分类结果。

2.根据权利要求1所述的基于CSP和R-CSP算法的脑电信号特征提取方法,其特征在于:所述的EEG阈值去噪具体步骤如下:

(1)根据每一次做运动想象时所出现的提示位置的点,根据采样频率和采样时间,以提示点位置开始向后取“采样频率*单次采样时间”个点作为一组脑电数据集;

(2)选取小波基函数db4对EEG信号分别进行3层分解;

(3)将分解得到的小波系数通过阈值函数表达式处理,其阈值函数的数学表达式为式中,式中 是真实信号小波系数的估计值;λj,k是选取的阈值;wj,k是小波分解后高频部分的小波系数,即表示j尺度上k点的小波系数值;a是形状系数,用于控制wj,k<λj,k区域内的函数形状,即控制衰减程度,λj,k表示阈值;由上面表达式可以看出,当a=0时,该方法为软阈值法,在a为非0情况下,改进的阈值比纯软阈值具有更好的平滑性;

(4)传统的Dohono的阈值记为λj,k,即表示j尺度上k点的阈值,则Dohono的阈值的表达式为定义加权阈值缩放因子λj,InN表示对wj,k的长度取对数运算,N是wj,k的长度;根据分解层次不同,对应的阈值不同,能有效的去除脑电信号中的噪声信号,缩放因子的表达式为:2

λj=p/(1+In(j))

其中,p≥0、j是分解尺度;

对Donoho阈值进行缩放得到各个分解子空间的阈值,记为Tj,k,其表达式为:Tj,k=λj*λj,k

根据分解尺度对频率高的子空间进行阈值放大,对频率低的子空间阈值进行缩小,进而增强对EEG中高频噪声的抑制,保留低频有用信号;根据实际情况,对参数a和p进行选取,使去噪效果达到最理想的状态;

(5)将经过阈值缩放后的小波系数进行重构,得到去噪后的脑电信号。

3.根据权利要求1所述的基于CSP和R-CSP算法的脑电信号特征提取方法,其特征在于:使用支持向量机分类器对特征向量分类的具体步骤如下:(1)对支持向量机中的初始化参数进行设置,初始化参数包括种群的大小、终止迭代数、交叉和变异的概率;

(2)从 脑电信号中选取一组作为训练数据,通过训练得到训练的模型“model”,model是一个1×1的结构体;

(3)将最优训练模型作为输入参数,选取好测试集和测试集标签,进而测出测试集数据的分类正确率。

4.根据权利要求2所述的基于CSP和R-CSP算法的脑电信号特征提取方法,其特征在于:所述的a=0.01,p=0.1。