一种基于随机梯度自适应滤波的诱发脑电提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于随机梯度自适应滤波的诱发脑电提取方法，通过多道脑电测量系统采集多次重复刺激的脑电信号，其包含自发脑电、刺激施加后的自发脑电与诱发脑电的混合信号，并对各次混合信号叠加求平均，得到平均混合信号；以刺激施加时刻作为提取时间计数的起点，从平均混合信号中提取长度为N的一段信号作为第一主信号、对第一主信号延时一个时间间隔的信号作为第一参考信号，并输入LMS自适应滤波器，得到各通道的第一输出信号；再将第一输出信号作为第二参考信号、长度为N的一段自发脑电作为第二主信号，并输入LMS自适应滤波器，得到各通道的诱发脑电。本发明专利技术在没有足够先验知识的背景下，获得较高质量的诱发脑电，有效降低重复刺激次数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于随机梯度自适应滤波的诱发脑电提取方法
本专利技术属于神经信息
，涉及一种诱发脑电提取方法，尤其涉及一种基于随机梯度(LMS,leastmeansquare)自适应滤波的诱发脑电提取方法。
技术介绍
自发脑电(自发脑电信号)是指利用精密电子设备在头皮未知无创伤地记录下来的大脑细胞群的自发性生物电活动；相对的，给予人们一定数量的重复刺激(视觉，听觉，体感等)则会产生诱发脑电(诱发脑电信号)，诱发脑电被认为是研究人脑高级功能的新窗口。然而，在实际应用中，由于诱发脑电总是淹没在较强的背景噪声(包括自发脑电、工频干扰、眼电、肌电、心电等)中，其幅值只有0.2～20uV,信噪比为0～10dB，而且脑电信号本身又具有随机性和非平稳性，诱发脑电和自发脑电在频谱上有相当大的重叠区，使得从观测的脑电信号中提取诱发脑电更加困难。传统的提取诱发脑电的方法是叠加平均法，该方法采用了如下假设：(1)诱发脑电和噪声为加法性的关系，且相互独立；(2)每次刺激后所得到的诱发脑电波形是一致的，即诱发脑电为确定性信号；(3)噪声与刺激无关，且是零均值的信号。在这样的假设前提下，通过对多次重复刺激测量结果求和平均，就可以得到减小噪声影响的诱发脑电信号。但这一方法要求同一采集通道重复刺激测量次数在100次以上，这需要耗费更多的时间来进行实验，而且并不是每次实验都会产生诱发脑电，因而实际处理结果要比理论值更小。另一方面，随着实验次数的增多，会使得受试者疲劳或者不适，影响实验结果。为了解决传统提取方法中存在的问题，不同研究者提出了各种模型和方法，试图通过其他的方式来尽可能无损的提取诱发脑电信号。近年来广泛应用的有维纳滤波、小波、神经网络、时间序列分析法、独立分量分析法等。但由于不同方法适用的局限性，现在还没有一种公认的单次提取的方法得到广泛应用，同时各个类型的诱发脑电信号又具有不同的特征，在实际实验操作中，往往需要根据信号的特点来设计相应的使用方法，此时信号特点的获取就成为另一个问题。这也是这类方法发展所面临的困难之一。因此现在得到广泛认同的提取方法还是传统的叠加平均法。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：为了克服现有技术中的缺陷，提高微弱信号提取的效率和精度，降低重复刺激的数量，提高应用度，提出了一种基于随机梯度(LMS,leastmeansquare)自适应滤波的诱发脑电提取方法。本专利技术能够在无法得到信号和噪声统计特性的先验知识的前提下，获得最佳的提取效果，能够在较少重复刺激次数的前提下，更准确地提取到诱发脑电信号。本专利技术的一种基于随机梯度自适应滤波的诱发脑电提取方法，包括下列步骤：脑电信号采集及预处理：采用多通道脑电测量设备对K(K可以小于100)复刺激进行测量信号采集，所采集的测量信号包括刺激施加时刻、首次刺激施加时刻之前的脑电信号以及每次刺激施加时刻之后脑电信号，将首次刺激施加时刻之前的脑电信号定义为自发脑电信号，每次刺激施加时刻之后脑电信号定义为自发和诱发脑电的混合信号，其中每次刺激施加时刻之后的混合信号的采集长度相同；对每个通道的测量信号分别进行预处理：以每次刺激施加时刻作为起始点对齐K次混合信号，再进行叠加平均操作，得到平均混合信号，并记录平均混合信号的起始时刻；分别获取每个通道的第一输出信号：从平均混合信号中提取一段长度为N的信号作为第一主信号，其中第一主信号的起点对应平均混合信号的起始时刻；将第一主信号的起点延时一个时间间隔的时刻作为第一参考信号的起点，从平均混合信号中提取一段长度为N的信号作为第一参考信号；将第一主信号和第一参考信号输入LMS自适应滤波器进行滤波(自适应谱线增强处理)，得到每个通道的第一输出信号；分别获取每个通道的诱发脑电：从自发脑电信号中提取一段长度为N的信号作为第二主信号，将第一输出信号作为第二参考信号；将第二主信号和第二参考信号输入随机梯度LMS自适应滤波器进行滤波(自适应噪声抵消处理)，得到每个通道的诱发脑电。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术可以在没有信号先验知识的前提下，有效地降低重复刺激次数，提取出高质量的诱发脑电。本专利技术通过对少数次重复刺激下的测量数据进行统计平均，然后利用LMS自适应滤波器对其依次进行自适应谱线增强、自适应噪声抵消处理，得到符合要求的诱发脑电，能有效的减少重复刺激次数，缩短时间，降低成本。同时，计算简单快捷，在样本较少的背景下具有更高的实用价值，同时自适应滤波方法的应用，进一步提高了诱发脑电信号提取的鲁棒性和稳定性。附图说明图1是实施例中，本专利技术对多通道脑电测量设备的其中一个通道的真实诱发脑电提取效果图；图2是实施例中，本专利技术对64个通道的诱发脑电提取效果图；图3是实施例中，基于AR参数模型的时间序列分析法对64个通路的诱发脑电提取效果图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本专利技术作进一步地详细描述。实施例本实施例中，以64通道的脑电测量设备为例对脑电信号进行采集，获取对应的测量信号。同时设置重复刺激次数为59次，采样率为1024Hz，时间长度为1.2秒，提取信号的长度N设置为200毫秒数据。通过执行下列步骤实现本专利技术的诱发脑电提取。步骤A：脑电信号采集及预处理。采用64通道脑电测量设备记录一个视觉重复刺激试验，得到64路测量信号。为了确保提取到长度为N的自发脑电，各路测量信号的数据记录初始时刻与首次刺激时刻的间隔应不低于200毫秒，本实施例中，记录首次刺激前的200毫秒数据，以及每次刺激施加时刻后的1000毫秒数据，因而获得一个三维信号：导联数(通道个数)*时间样本点*刺激重复次数。以刺激施加时刻作为自发脑电和自发脑电+诱发脑电分割点，即将首次刺激施加时刻之前的脑电信号定义为自发脑电信号，每次刺激施加时刻之后脑电信号定义为自发和诱发脑电的混合信号。对每个通道的测量信号分别进行预处理：以每次刺激施加时刻作为起始点对齐59次混合信号，再进行叠加平均操作，得到平均混合信号，并记录平均混合信号的起始时刻，如首次刺激施加时刻作为平均混合信号的起始时刻。步骤B：分别获取各通道的第一输出信号。以平均混合信号的起始时刻作为提取时间计数的零点，从平均混合信号提取一段长度为200毫秒的信号(200个数据点)作为LMS自适应滤波器的第一主信号。同时将第一主信号的起点延时一个时间间隔的时刻作为第一参考信号的提取时间计数的零点，从平均混合信号中提取一段长度为200毫秒的信号(200个数据点)作为LMS自适应滤波器的第一参考信号。再将第一主信号、第一参考信号输入LMS自适应滤波器进行滤波，即进行自适应谱线增强处理，获得经过谱线增强处理后的200点长的平均样本，即各通道的第一输出信号。步骤C：分别获取每个通道的诱发脑电。将各通道的第一输出信号作为LMS自适应滤波器的第二参考信号，以各通道数据记录初始时刻开始到刺激施加时刻之间的数据点(200个)作为LMS自适应滤波器的第二主信号，再将第二主信号和第二参考信号输入LMS自适应滤波器进行滤波，即进行自适应噪声抵消处理，获得最后的输出信号，则得到每个通道要提取的诱发脑电。对每个通道的测量信号分别执行步骤B、C后，得到每个通道的诱发脑电，则最后可获得一个诱发脑电矩阵数据(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于随机梯度自适应滤波的诱发脑电提取方法，其特征在于，包括下列步骤：脑电信号采集及预处理：采用多通道脑电测量设备对K次重复刺激进行测量信号采集，所采集的测量信号包括刺激施加时刻、首次刺激施加时刻之前的脑电信号以及每次刺激施加时刻之后脑电信号，将首次刺激施加时刻之前的脑电信号定义为自发脑电信号，每次刺激施加时刻之后脑电信号定义为自发和诱发脑电的混合信号，其中每次刺激施加时刻之后的混合信号的采集长度相同；对每个通道的测量信号分别进行预处理：以每次刺激施加时刻作为起始点对齐K次混合信号，再进行叠加平均操作，得到平均混合信号，并记录平均混合信号的起始时刻；分别获取每个通道的第一输出信号：从平均混合信号中提取一段长度为N的信号作为第一主信号，其中第一主信号的起点对应平均混合信号的起始时刻；将第一主信号的起点延时一个时间间隔的时刻作为第一参考信号的起点，从平均混合信号中提取一段长度为N的信号作为第一参考信号；将第一主信号和第一参考信号输入随机梯度LMS自适应滤波器进行滤波，得到每个通道的第一输出信号；分别获取每个通道的诱发脑电：从自发脑电信号中提取一段长度为N的信号作为第二主信号，将第一输出信号作为第二参考信号；将第二主信号和第二参考信号输入LMS自适应滤波器进行滤波，得到每个通道的诱发脑电。...

【技术特征摘要】
1.一种基于随机梯度自适应滤波的诱发脑电提取方法，其特征在于，包括下列步骤：脑电信号采集及预处理：采用多通道脑电测量设备对K次重复刺激进行测量信号采集，所采集的测量信号包括刺激施加时刻、首次刺激施加时刻之前的脑电信号以及每次刺激施加时刻之后脑电信号，将首次刺激施加时刻之前的脑电信号定义为自发脑电信号，每次刺激施加时刻之后脑电信号定义为自发和诱发脑电的混合信号，其中每次刺激施加时刻之后的混合信号的采集长度相同；对每个通道的测量信号分别进行预处理：以每次刺激施加时刻作为起始点对齐K次混合信号，再进行叠加平均操作，得到平均混合信号，并记录平均混合信号的起始时刻；分别获取每个通道的第一输出信号：以平均混合信号的起始时刻作为提取时间计数的零点，从平均混合信号中提取一段长度为N的信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凌，李如峰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51