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专利号: 2019110458803
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
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.基于集成支持向量学习的脑机接口技术,其特征在于,具体如下:步骤1:基于来自训练集的EEG信号数据设计类别差异指导子带滤波器CDF,利用CDF增强EEG信号,并基于FBCSP算法提取基于CDFCSP的特征;

所述CDF的获得方式如下:

使用WPD提取训练集中EEG的频谱,并根据频谱设计CDF,所述CDF被用于预处理EEG,以增强EEG信号中的判别性频率;

m

第一步:利用WPD产生频谱模板,第j层中来自通道m的EEG信号的WPD系数用WP (i,k)表示,其中i是频率分量的索引,k是频率分量系数的索引;通过每个频率分量中系数的二次方求和来计算通道m的EEG的频谱:其中K是每个频率分量中系数总数,通过对该类别中的所有频谱求平均,计算每个类别的频谱模板:其中,c和C分别是类别和类别c的训练集,N是类别c在训练集中的数据量;

每个类别的频谱模板是一个矩阵,其行数等于通道数,列数等于频率分量数;类别之间具有明显模板差异的频带被认为是判别性频带;基于训练集中第一类数据得到频谱模板记为Tclass1(m,i),基于第二类数据得到频谱模板记为Tclass2(m,i);频谱模板作为参考用于指导CDF的设计,以增强判别频率分量,基于不同类别的频谱模板获得归一化模式CDF矩阵H(m,i):H1、H2中的每个元素都取决于两类数据频谱模板的比率,如果模板中某频带不具有区分度,在类别H1模板的相关元素为在类别H2模板中的元素,因此该频带在H中的值为0.5;相反,如果该频带具有较高区分度,H中的至少一个相关的元素会明显较大;

CDF矩阵H(m,i)的应用扩大了原始EEG判别频带的WPD系数,并缩小其他频带系数:其中, 表示原始EEG的WPD系数, 表示由CDF过滤后的EEG的WPD系数,应用式(3a)和式(3b)中的两个CDF矩阵同时过滤原始EEG信号,再根据各类别之间模板的差异,来放大或缩小WPD系数;然后基于修正的WPD系数 采用小波包逆变换重建滤波后的脑电信号,得到增强的EEG信号;

步骤1所述基于FBCSP算法提取基于CDFCSP的特征的方法如下:第一步:采用带通滤波器组过滤增强的EEG信号,参考FBCSP算法,选择包括9个子带带通滤波器的切比雪夫II型带通滤波器组;

第二步:执行CSP算法以找到大小为2e×M的映射矩阵P,其中e是控制映射后EEG信号通道的超参数,M是EEG信号中通道的数量;映射后的脑电信号Zt大小为2e×L,通过P计算:Zt=P×Et    (5)

其中,Et是大小为M×L的脑电信号矩阵,L是脑电信号段的采样点;

第三步:将映射后的脑电信号的方差归一化,并计算对数:

由于可以从CSP滤波后EEG信号的一个通道中提取一维特征,并且使用9个子带滤波器,所以提取的特征的维数为18e;

步骤2:通过评估大脑左右感觉运动区域之间的脑电EEG信号差异来获得时空差异特征STDF;

步骤2获得时空差异信号STDF步骤如下:

第一步:基于大脑的左右感觉运动区EEG信号计算出时空差异信号:D=Sl‑Sr    (7)

其中,S1是从左感觉运动区收集的EEG,而Sr是从右感觉运动区收集的EEG,STDF通过积分方式计算:其中,f和x分别是特征点和采样点的索引,X是EEG信号试验中采样点的总数;

步骤3:提取的基于CDFCSP的特征和时空差异特征STDF用于训练ESVL分类器并进行分类预测;

步骤3具体如下:

首先,对线性SVM分类器分别进行基于CDFCSP的特征、时空差异特征STDF进行训练,再对线性SVM分类器进行基于CDFCSP的特征和时空差异特征STDF进行联结训练;然后将训练后的三个SVM分类器的输出后验概率合并以形成最终预测结果;

SVM分类器找到将数据分为两个类别的最佳分类边界

f(x)=x′β+b=0,    (9)

其中,x'是输入特征的转置,β和b是分类边界的参数;该最佳分类边界应使来自正类和负类的数据之间的间隔最大化,对于某些不可分割的数据,对位于分类边界反侧样本的目标函数施加了惩罚:其中,ξj是用于惩罚跨越边际边界的样本的松弛变量,g是惩罚乘数,以控制施加于违反分类边界的样本的最大惩罚;利用拉格朗日乘数法优化目标函数并找到最佳分类边界;对ESVL进行充分训练,基于训练集找到最佳分类边界;

再基于样本与分类边界的距离计算后验概率,从样本点到分类边界的有符号距离的计算公式为:d(x)=x'β+b,    (11)

如果有符号距离为正值,则代表样本点在分类边界的正类一侧;相反,有符号距离为负值代表样本点在分类边界的负类一侧;后验概率是样本属于特定类别的概率,利用Sigmoid函数基于距离计算后验概率:其中,dj是由式(11)计算的距离,而A和B分别是斜率和截距参数;为了拟合Sigmoid函数,将yj∈(‑1,1)转移到概率目标中,该概率目标定义为正类别的概率:然后,将交叉熵误差函数设置为目标函数,以找到最佳参数A和B:使用最大似然估计基于训练集来获得最优参数A和B,得到最优的A、B参数后,通过(11)和(12)计算测试样本属于正类的后验概率;

基于三个经过训练的概率SVL分类器,计算出样本属于正类的后验概率,最后,对后验概率求和,形成ESVL分类器的最终预测。

2.根据权利要求1所述的基于集成支持向量学习的脑机接口技术,其特征在于,所述9个子带的频谱依次为4‑8Hz,8‑12Hz,12‑16Hz,…,36‑40Hz。