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专利号: 2021107634968
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于混合模型的运动想象脑电信号分类方法,其特征在于:其包括如下步骤:S1、数据提取:从数据库中采集两组数据作为脑电数据库;

S2、数据重构:将脑电数据库中的脑电数据进行规范化,并以四维张量的结构进行储存;

S3、特征优化:利用ODV‑CSSD算法对脑电数据进行优化获得最优脑电特征,其具体包括以下子步骤:

S31、设Xi表示数据库中存储的运动想象任务下的多通道脑电信号,其中,i=1,2,其中1代表左手运动想象,2代表右手运动想象,归一化空间协方差矩阵Ri为:T

其中,Xi为脑电信号,Xi为矩阵X的转置矩阵,trace(.)为矩阵对角线元素的和;

S32、对同一任务模式的多个脑电数据的协方差矩阵进行均值化,得到平均空间协方差矩阵:

其中, 为左手运动想象下的平均空间协方差矩阵, 为右手运动想象下的平均空间协方差矩阵,N为每个类的试验次数;R1n和R2n分别为第n次试验左手和右手运动想象任务下的归一化空间协方差矩阵;

S33、根据以下公式得到特征值和特征向量:T

其中,W为特征向量矩阵,Λ为特征值的对角矩阵,通过W矩阵得的W为W的转置矩阵;

S34、使用下式对脑电信号进行滤波:ZC×T=WC×CRC×T

其中,C表示脑电信号获得时的通道数,T表示一次试验中的采样数,ZC×T为滤波矩阵;

S35、选择滤波矩阵ZC×T的前m行和后m行构成矩阵Zp,m为空间滤波器的对数,p为矩阵Zp的行数,即p=2m,从矩阵Zp中提取特征向量Fp:其中,矩阵Zp包含ZC×T的前m行和后m行,m为空间滤波器的对数,即选定m对空间滤波器,i用于求和,表示计算var(Z1),…,var(Z2m)并将它们进行求和计算;

S36、设置如下最优判别准则R(d),寻找最优判别向量:T

其中,A=cW1+(1‑c)W2,0≤c≤1,d是投影数据的列向量,d为d的转置,W1和W2分别为1类和第2类的类内离散度,其计算公式分别为:其中,c为W1和W2的归一化系数,由于两类试验贡献水平一致,故c=0.5,Δ为估计的平均值之差,计算公式为:Δ=μ1‑μ2,其中μi为第i类的均值,根据下式计算:T

其中,xij=(xij1,xij2..........xijL) ,其表示第i类的第j个样本向量,L为向量元素数,Ni为第i类的样本数;

第一个最佳投影方向d1按下式计算:‑1

d1=α1A Δ

其中α1是为了使 且

通过最大化R(d)求得第二个最佳投影方向,同时第二个最佳投影方向需要满足的限制条件是d1与d2正交,即 求解第二个最佳投影方向为:‑1 ‑1 2

d2=α2{A ‑b1[A ]}Δ其中,α2的作用同α1,b1为:S4、利用先验信息形成可解释的聚类,建立决策边界,得到最终类别归属结果。

2.根据权利要求1所述的基于混合模型的运动想象脑电信号分类方法,其特征在于:所述步骤S2具体步骤为,将采集到的EEG数据做切片处理,以四维张量的结构储存,四维张量的四个维度分别是采样数、通道数、事件触发次数和类别。

3.根据权利要求1所述的基于混合模型的运动想象脑电信号分类方法,其特征在于:所述步骤S4中,通过DRMM算法,利用先验信息形成可解释的聚类,建立决策边界,得到最终类别归属结果。

4.根据权利要求3所述的基于混合模型的运动想象脑电信号分类方法,其特征在于:步骤S4中DRMM算法的具体实施过程包括如下子步骤:S41、令X表示经由规则生成的特征,yn包含聚类结构,对特征进行归一化处理从而使每个特征具有零均值和单位方差,假设k为聚类的序号,用Znk来表示第n个样本是否属于第k个聚类,用向量 表示簇k在d维上的决策判定边界,其中 表示下边界, 表示上边界, 表示 的转置,假设所有属于第k个聚类的样本都在相应的判定矩形内,即对于所有属于该聚类的样本xnd都满足 假设所有决策边界都服从先验分布p(tkd):

其中, 和 表示先验规则的决策边界所在位置,若无先验规则,则 αt和βt均为控制这些环节之间平衡的正参数;

S42、在判定矩阵 中定义一个参数Znk以表示簇指标:其中,D=2,f(t)为一个满足t≥0的指数函数:其计算结果为一个逻辑与算子,因此,如果xnd在判定矩形内部,则Znk=1,否则Znk=0,f(t)的不可分性致其难以优化决策矩形,故用g(t)代替f(t),g(t)定义如下:其中,a是用于定义软陡峭度函数的正参数,从而用a值偏大表示g(t)更接近f(t),用g(t)替代f(t),同时定义一个新变量γnk:由于0

S43、假设yn服从混合Gaussian分布:其中,yn|zn是条件概率,μk和∑k是第k个簇的平均向量和协方差矩阵;

DRMM的联合概率为:

其中, 代表所有矩形决策边界, 表示所有参数,随机变量如果特征位于判定矩形之内则φn=1,否则φn=0,Z为潜在变量,{X,Y}为观测变量,N为样本数;

在给定参数{T,Θ}和观测变量{Φ,X,Y}的情况下,计算潜在变量Z的后验概率:其中,xn为第n个特征,const表示不是Z函数的常数,在已知后验分布Z的条件下,联合对数的期望值W(T,Θ)由下式计算:其中, 是 的平均向量;D为提取的特征维数;K为聚类数;πnk为后验分布的期望值;

利用下式寻找T,Θ的最佳估计值 从而将W(T,Θ)最大化:计算 的最大值和对于每个聚类k∈{1,2,…,K}的{μk,∑k};

的最佳值按下式计算:

{μk,∑k}按下式计算: