CN110507320B - 一种脑电信号滤波方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑电信号滤波方法及设备，其方法包括：以预定的时间窗口和步长遍历待滤波处理的脑电信号，分别对每个时间窗口内的脑电信号进行如下处理：获取本时间窗口内的脑电信号的伪迹信号；对所述伪迹信号进行加权处理，并与本时间窗口内的脑电信号进行滤波拟合；根据滤波拟合结果得到滤波后的脑电信号。本发明实施例提供的方法，首先对伪迹信号进行加权，进而再进行滤波拟合，从而可以避免滤波过程中矫枉过正。

Description

一种脑电信号滤波方法及设备

技术领域

本发明涉及信号滤波技术领域，更具体地，涉及一种脑电信号滤波方法及设备。

背景技术

随着脑电(EEG)信号采集分析技术在民用领域的不断探索普及，脑电信号检测广泛应用于疲劳度检测、情绪情感识别、专注度检测、对象控制等各种场景中。

脑电信号具有较高的敏感性，易受环境噪声影响，从而形成脑电信号与噪声叠加的伪迹。一种常见的伪迹去除方法是提取伪迹并通过滤波拟合的方式直接删除，这种伪迹去除方法存在的问题是：容易矫枉过正，去除伪迹的同时破坏真实脑电信号。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种脑电信号滤波方法及设备，以提高脑电信号滤波的准确性，避免由于去除伪迹导致破坏真实脑电信号。

一方面，本发明实施例提供一种脑电信号滤波方法，包括：

以预定的时间窗口和步长遍历待滤波处理的脑电信号，分别对每个时间窗口内的脑电信号进行如下处理：

获取本时间窗口内的脑电信号的伪迹信号；

对上述伪迹信号进行加权处理，并与本时间窗口内的脑电信号进行滤波拟合；

根据滤波拟合结果得到滤波后的脑电信号。

本发明实施例提供的方法，首先对伪迹信号进行加权处理，其中，加权所使用的滤波权重小于1，从而可以有效纠正滤波拟合后的矫枉过正现象，避免破坏真实脑电信号。

本发明实施例中，在保证脑电信号不被破坏的同时，还可以通过逐渐增加滤波权重从而有效去除伪迹。具体的，利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口对应的滤波权重，本时间窗口对应的滤波权重大于上一时间窗口对应的滤波权重；相应的，上述对伪迹信号进行加权处理的实现方式可以是：利用本时间窗口对应的滤波权重对上述伪迹信号进行加权处理。

在此基础上，为避免滤波权重持续增加导致对脑电信号的破坏，还可以判断滤波后的脑电信号的波形斜率是否满足以下任一条件：

滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率为0或小于设定的斜率阈值；

滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率小于0，但滤波前的脑电信号的伪迹波形斜率大于0；

滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率大于0，但滤波前的脑电信号的伪迹波形斜率小于0；

若滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率不满足以上任一条件，利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口的滤波权重。

若滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率满足以上任一条件，则之后的时间窗口内，不再调整滤波权重；除此之外，还可以再次利用上一时间窗口对应的滤波权重重新对本时间窗口内的伪迹进行加权处理。

本发明实施例中，可以根据实际情况或需要对脑电信号的伪迹波形斜率进行定义。作为举例而非限定：

脑电信号的伪迹波形斜率为0是指同一时间周期内的第一个伪迹信号和最后一个伪迹信号的幅值相同；

脑电信号的伪迹波形斜率小于0是指同一时间周期内的第一个伪迹信号的幅值大于最后一个伪迹信号的幅值；

脑电信号的伪迹波形斜率大于0是指同一时间周期内的第一个伪迹信号的幅值小于最后一个伪迹信号的幅值。

本发明实施例中，若脑电信号的信号质量太差，那么即使进行滤波，后续也无法利用该脑电信号得到准确信息，因此对于信号质量太差的脑电信号，无需进行滤波，可直接丢弃。相应的，判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第一信号质量阈值；若脑电信号的信号质量未达到第一信号质量阈值，则丢弃该脑电信号；若脑电信号的信号质量达到第一信号质量阈值，获取本时间窗口内的脑电信号的伪迹信号并按照上述任意实施例的处理方式进行处理。

本发明实施例中，若脑电信号波动异常，例如脑电信号突然变差，且变化幅度较大，可能是因为脑电信号采集装置的位置发生变动。这种情况下，需要重新进行滤波。其具体实现方式至少可以有以下两种：

第一种实现方式中，在判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第一信号质量阈值之前，判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第二信号质量阈值；若脑电信号的信号质量未达到第二信号质量阈值，则将本时间窗口对应的滤波权重调整为首个时间窗口对应的滤波权重。

第二种实现方式中，判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第二信号质量阈值；若该脑电信号的信号质量未达到所述第二信号质量阈值，则将下一个时间窗口对应的滤波权重调整为首个时间窗口对应的滤波权重。

本发明实施例中，脑电信号的信号质量可以但不仅限于包括以下至少一项：信噪比、有效幅值、伪迹波形斜率。

相应的，第一信号质量阈值(第二信号质量阈值)也可能包括每项信号质量分别对应的阈值。

在上述任意方法实施例中，上述利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口对应的滤波权重的实现方式可以是：

按照线性递增的方式，利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口对应的滤波权重；或者，

在上一时间窗口基础上叠加固定增量作为本时间窗口的滤波权重。

另一方面，本发明实施例提供一种头戴式设备，包括：

佩戴部，用于将头戴式设备固定于待检测对象的头部或面部；

脑电信号采集部，固定于佩戴部，用于采集待检测对象的脑电信号并发送给处理部；

处理部，固定于佩戴部，用于实现上述任意方法实施例。

本发明实施例提供的设备，首先对伪迹信号进行加权处理，其中，加权所使用的滤波权重小于1，从而可以有效纠正滤波拟合后的矫枉过正现象，避免破坏真实脑电信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明一个实施例的脑电信号滤波方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的信号、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种脑电信号滤波方法，具体包括如下操作：

以预定的时间窗口和步长遍历待滤波处理的脑电信号，分别对每个时间窗口内的脑电信号进行如下处理：

步骤101、获取本时间窗口内的脑电信号的伪迹信号。

本发明实施例不对伪迹信号的获取方式进行限定，可以采用现有任意实现手段获取脑电信号的伪迹信号。作为举例而非限定，可以预先确定伪迹模型或者标准脑电信号模型，利用模型获取脑电信号中的伪迹信号。

步骤102、对上述伪迹信号进行加权处理，并与本时间窗口内的脑电信号进行滤波拟合。

本发明实施例中，加权所使用的滤波权重的取值不大于1。

本发明实施例中，不对滤波拟合的具体实现方式进行限定，可以采用现有任意实现手段实现加权后的伪迹信号与脑电信号的滤波拟合。

步骤103、根据滤波拟合结果得到滤波后的脑电信号。

本发明实施例不对时间窗口的长度和步长的取值进行限定，实际应用中，可以根据应用场景的实际情况或需求确定。

本发明实施例中，预定的时间窗口可以是固定时间长度，也可以是不固定时间长度。若不固定时间长度，则预先约定了时间窗口的确定规则，例如，以确保脑电信号的伪迹信号在时间窗口内幅值单调变化为时间窗口长度的确定原则。

本发明实施例提供的方法，首先对伪迹信号进行加权处理，其中，加权所使用的滤波权重小于1，从而可以有效纠正滤波拟合后的矫枉过正现象，避免破坏真实脑电信号。

本发明实施例中，可以在每个时间窗口使用相同的滤波权重对伪迹信号进行滤波处理。

为了在保证脑电信号不被破坏的同时，还可以通过逐渐增加滤波权重从而有效去除伪迹。具体的，利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口对应的滤波权重，本时间窗口对应的滤波权重大于上一时间窗口对应的滤波权重；相应的，上述对伪迹信号进行加权处理的实现方式可以是：利用本时间窗口对应的滤波权重对上述伪迹信号进行加权处理。

这种情况下，首个时间窗口对应的滤波权重为初始滤波权重，为预定值。

在此基础上，为避免滤波权重持续增加导致对脑电信号的破坏，可以判断调整后的滤波权重是否大于1，若大于1，则放弃本次滤波权重的调整，且不再对后续的时间窗口调整滤波权重；还可以判断滤波后的脑电信号的波形斜率是否满足以下任一条件：

滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率为0或小于设定的斜率阈值；

滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率小于0，但滤波前的脑电信号的伪迹波形斜率大于0；

滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率大于0，但滤波前的脑电信号的伪迹波形斜率小于0；

若滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率不满足以上任一条件，利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口的滤波权重。

若滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率满足以上任一条件，则之后的时间窗口内，不再调整滤波权重；除此之外，还可以再次利用上一时间窗口对应的滤波权重重新对本时间窗口内的伪迹进行加权处理。

本发明实施例中，可以根据实际情况或需要对脑电信号的伪迹波形斜率进行定义。实际应用中，时间窗口的取值较小，时间窗口内的脑电信号的伪迹波形近似一条直线段。作为举例而非限定，一种情况下可以将一个时间窗口内的脑电信号的伪迹信号拟合为直线段，确定该直线段的斜率作为该时间窗口内的脑电信号更的伪迹波形斜率。另一种情况下，可以通过同一时间窗口内的第一个伪迹信号和最后一个伪迹信号的幅值来确定该时间窗口内的脑电信号的伪迹波形斜率，具体的：

脑电信号的伪迹波形斜率为0是指同一时间周期内的第一个伪迹信号和最后一个伪迹信号的幅值相同；

脑电信号的伪迹波形斜率小于0是指同一时间周期内的第一个伪迹信号的幅值大于最后一个伪迹信号的幅值；

脑电信号的伪迹波形斜率大于0是指同一时间周期内的第一个伪迹信号的幅值小于最后一个伪迹信号的幅值。

本发明实施例中，若脑电信号的信号质量太差，那么即使进行滤波，后续也无法利用该脑电信号得到准确信息，因此对于信号质量太差的脑电信号，无需进行滤波，可直接丢弃。相应的，判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第一信号质量阈值；若脑电信号的信号质量未达到第一信号质量阈值，则丢弃该脑电信号；若脑电信号的信号质量达到第一信号质量阈值，获取本时间窗口内的脑电信号的伪迹信号并按照上述任意实施例的处理方式进行处理。

本发明实施例中，若脑电信号波动异常，例如脑电信号突然变差，且变化幅度较大，可能是因为脑电信号采集装置的位置发生变动。这种情况下，需要重新进行滤波。其具体实现方式至少可以有以下两种：

第一种实现方式中，在判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第一信号质量阈值之前，判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第二信号质量阈值；若脑电信号的信号质量未达到第二信号质量阈值，则将本时间窗口对应的滤波权重调整为首个时间窗口对应的滤波权重。

第二种实现方式中，判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第二信号质量阈值；若该脑电信号的信号质量未达到所述第二信号质量阈值，则将下一个时间窗口对应的滤波权重调整为首个时间窗口对应的滤波权重。

本发明实施例中，脑电信号的信号质量可以但不仅限于包括以下至少一项：信噪比、有效幅值、伪迹波形斜率。

相应的，第一信号质量阈值(第二信号质量阈值)也可能包括每项信号质量分别对应的阈值。例如，脑电信号的信号质量包括信噪比、有效幅值和伪迹波形斜率。那么，第一信号质量阈值(第二信号质量阈值)包括信噪比阈值、有效幅值阈值和伪迹波形斜率阈值。

实际应用中，可以根据需要定义“达到信号质量阈值”。例如，达到信号质量阈值是指，信噪比大于信噪比阈值，有效幅值小于有效幅值阈值和伪迹波形斜率大于伪迹波形斜率阈值。

本发明实施例中，若脑电信号的信号质量未达到第二信号质量阈值，则不一定未达到第一信号质量阈值；若脑电信号的信号质量达到第二信号质量阈值，则必然达到第一信号质量阈值。

在上述任意方法实施例中，上述利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口对应的滤波权重的实现方式可以是：

按照线性递增的方式，利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口对应的滤波权重；或者，

在上一时间窗口基础上叠加固定增量作为本时间窗口的滤波权重。

下面结合具体应用场景对本发明实施例提供的脑电信号滤波方法进行说明。

在一具体应用场景中，用户佩戴头戴式设备，该头戴式设备上设置有脑电信号采集部，还设置有处理部和通信部。

脑电信号采集部持续采集脑电信号，处理部以固定长度的时间窗口和步长遍历脑电信号采集部采集到的脑电信号(即待滤波处理的脑电信号)，分别对每个时间窗口内的脑电信号进行如下处理：

判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第二信号质量阈值，具体的，判断脑电信号的信噪比是否大于第二信噪比阈值、脑电信号的有效幅值是否小于第二有效幅值阈值、且脑电信号的伪迹的波形斜率是否大于第二伪迹波形斜率阈值(对于首个时间窗口，跳过该步骤)；

如有任一项达到第二阈值(例如脑电信号的信噪比大于第二信噪比阈值)，则将本时间窗口对应的滤波权重设置为首个时间窗口对应的滤波权重，提取本时间窗口内的脑电信号的伪迹信号，利用该滤波权重对伪迹信号进行加权处理，并与本时间窗口内的脑电信号进行滤波拟合；判断本时间窗口内滤波后的首个伪迹信号和最后一个伪迹信号的幅值是否相同或发生倒置，若相同或发生倒置，进行停止权重调整标记；

如各信号质量均未达到第二阈值，则进一步判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第一信号质量阈值，具体的，判断脑电信号的信噪比是否大于第一信噪比阈值、脑电信号的有效幅值是否小于第一有效幅值阈值、且脑电信号的伪迹波形斜率是否大于第一伪迹波形斜率阈值；

如有任一项达到第一阈值，则丢弃该时间窗口内的脑电信号，不对其进行滤波处理；

如各信号质量均未达到第一阈值，则查找是否存在停止权重调整标记，若存在，则获取本时间窗口内的脑电信号的伪迹信号，利用当前滤波权重对伪迹信号进行加权处理，并与本时间窗口内的脑电信号进行滤波拟合；若不存在，则利用上一时间窗口对应的滤波权重调整本时间窗口的滤波权重，获取本时间窗口内的脑电信号的伪迹信号，利用本时间窗口对应的滤波权重对伪迹信号进行加权处理，并与本时间窗口内的脑电信号进行滤波拟合，判断滤波后的首个脑电信号和最后一个脑电信号的幅值是否相同或发生倒置，若相同或发生倒置，进行停止权重调整标记。

另一方面，本发明实施例提供一种头戴式设备，包括：

佩戴部，用于将头戴式设备固定于待检测对象的头部或面部；

脑电信号采集部，固定于佩戴部，用于采集待检测对象的脑电信号并发送给处理部；

处理部，固定于佩戴部，用于实现上述任意方法实施例。

本发明实施例中，处理部可以但不仅限于包括滤波电路，还可以包括CPU、微处理器或FPGA辅助进行滤波控制。

本发明实施例提供的设备，首先对伪迹信号进行加权处理，其中，加权所使用的滤波权重小于1，从而可以有效纠正滤波拟合后的矫枉过正现象，避免破坏真实脑电信号。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

再一方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中保存有一个或多个应用程序，该一个或多个应用程序被执行以实现上述任意方法实施例。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种疲劳度检测方法及设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种脑电信号滤波方法，其特征在于，包括：

以预定的时间窗口和步长遍历待滤波处理的脑电信号，分别对每个时间窗口内的脑电信号进行如下处理：

获取本时间窗口内的脑电信号的伪迹信号；

对所述伪迹信号进行加权处理，并与本时间窗口内的脑电信号进行滤波拟合；加权所使用的滤波权重小于1；

根据滤波拟合结果得到滤波后的脑电信号；

所述方法还包括：利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口对应的滤波权重，本时间窗口对应的滤波权重大于上一时间窗口对应的滤波权重；

所述对所述伪迹信号进行加权处理，包括：利用本时间窗口对应的滤波权重对所述伪迹信号进行加权处理；

判断滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率是否满足以下任一条件：

滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率为0或小于设定的斜率阈值；

滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率小于0，但滤波前的脑电信号的伪迹波形斜率大于0；

滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率大于0，但滤波前的脑电信号的伪迹波形斜率小于0；

所述利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口的滤波权重，包括：若滤波后的脑电信号的伪迹波形斜率不满足以上任一条件，利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口的滤波权重。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

脑电信号的伪迹波形斜率为0是指同一时间周期内的第一个伪迹信号和最后一个伪迹信号的幅值相同；

脑电信号的伪迹波形斜率小于0是指同一时间周期内的第一个伪迹信号的幅值大于最后一个伪迹信号的幅值；

脑电信号的伪迹波形斜率大于0是指同一时间周期内的第一个伪迹信号的幅值小于最后一个伪迹信号的幅值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第一信号质量阈值；

若所述脑电信号的信号质量未达到所述第一信号质量阈值，则丢弃所述脑电信号；

所述获取本时间窗口内的脑电信号的伪迹信号，包括：

若所述脑电信号的信号质量达到所述第一信号质量阈值，获取本时间窗口内的脑电信号的伪迹信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第一信号质量阈值之前，所述方法还包括：

判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第二信号质量阈值；

若所述脑电信号的信号质量未达到所述第二信号质量阈值，则将本时间窗口对应的滤波权重调整为首个时间窗口对应的滤波权重。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

判断本时间窗口内的脑电信号的信号质量是否达到第二信号质量阈值；

若所述脑电信号的信号质量未达到所述第二信号质量阈值，则将下一个时间窗口对应的滤波权重调整为首个时间窗口对应的滤波权重。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述信号质量包括以下至少一项：

信噪比、有效幅值、伪迹波形斜率。

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口对应的滤波权重，包括：

按照线性递增的方式，利用上一时间窗口对应的滤波权重确定本时间窗口对应的滤波权重；或者，

在上一时间窗口基础上叠加固定增量作为本时间窗口的滤波权重。

8.一种头戴式设备

佩戴部，用于将头戴式设备固定于待检测对象的头部或面部；

脑电信号采集部，固定于佩戴部，用于采集待检测对象的脑电信号并发送给处理部；

处理部，固定于佩戴部，用于实现权利要求1-7任一项所述的方法。

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