一種智能空間下基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦-機(jī)接口系統(tǒng)及方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及康復(fù)醫(yī)學(xué)與信息學(xué)科交叉技術(shù)及腦一機(jī)接口技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種智能空間下基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦一機(jī)接口系統(tǒng)及方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]腦一機(jī)接口是在人腦與計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備之間建立的直接的交流和控制通道，通過這種通道，被試者就可以直接通過腦來表達(dá)想法或操縱設(shè)備，而不需要語言或動作，這可以有效增強(qiáng)被試者與外界交流或控制外部環(huán)境的能力。
[0003]穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位是指神經(jīng)系統(tǒng)接受頻率高于6Hz視覺刺激所產(chǎn)生的特定電活動，其中記錄的腦電信號就會包含與刺激頻率相同的節(jié)律成分。這種帶有周期性成分的響應(yīng)信號被稱為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位集中于特定頻率，其信號檢測和處理方法較簡單且正確率較高。
[0004]在傳統(tǒng)家居環(huán)境進(jìn)行視覺刺激時(shí)，被試者必須在視覺刺激器100厘米范圍內(nèi)，而且傳統(tǒng)的視覺刺激器通常都是單屏幕的。因此被試者就會受到視覺刺激器位置和維度的限制，而不能在家居環(huán)境中的任何位置或者從任意方向進(jìn)行視覺誘發(fā)，這樣很大程度上限制了被試者的活動范圍。另外，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)受到視覺刺激器刷新頻率的限制，傳統(tǒng)屏幕刷新率在60Hz左右。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明的目的是為了解決以上技術(shù)問題，提供一種智能空間下基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦一機(jī)接口方法，該方法消除了視覺刺激器對被試者的限制，提高了被試者生活的智能化水平。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0007]一種視覺刺激器，包括LED視覺刺激顯示器，LED視覺刺激顯示器通過連接棒安裝在天花板上，LED視覺刺激顯示器通過視覺刺激驅(qū)動系統(tǒng)與控制主機(jī)相交互;LED視覺刺激顯示器上按照至少10Hz的刷新頻率顯示用于進(jìn)行視覺誘發(fā)的刺激指令。
[0008]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:
[0009]所述LED視覺刺激顯示器為由四個(gè)側(cè)面發(fā)光塊、一個(gè)底面發(fā)光塊和頂部擋板圍成的長方體，四個(gè)側(cè)面發(fā)光塊和底面發(fā)光塊所顯示的內(nèi)容相同。
[0010]所述側(cè)面發(fā)光塊的長寬高尺寸為1.3m、Im和1.5m。
[0011 ]所述連接棒的頂部通過螺栓固定在天花板上，底部焊接在LED視覺刺激顯示器的頂部擋板上。
[0012]所述視覺刺激驅(qū)動系統(tǒng)包括用于控制LED視覺刺激顯示器中所有LED發(fā)光塊顯示相同的內(nèi)容的單片機(jī)和用于驅(qū)動所有LED發(fā)光塊發(fā)光的三極管。
[0013]所述LED發(fā)光塊顯示的內(nèi)容包括文字、箭頭或者牛頓環(huán)指令。
[0014]—種智能空間下基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦一機(jī)接口系統(tǒng)，包括:
[0015]視覺刺激器，用于顯示刺激指令；
[0016]控制主機(jī)，用于根據(jù)被試者的運(yùn)動意圖和位置環(huán)境信息計(jì)算最短路徑，并將最短路徑轉(zhuǎn)換為控制指令發(fā)送給下肢外骨骼；
[0017]攝像頭，用于采集被試者的位置信息和周圍的環(huán)境信息；
[0018]EEG采集與處理裝置，用于采集被試者在觀察視覺刺激器后，大腦皮層產(chǎn)生的EEG信號，再將EEG信號處理后發(fā)送給控制主機(jī)；
[0019]下肢外骨骼，穿戴在被試者下肢上，用于接收控制主機(jī)的動作指令，根據(jù)動作指令協(xié)助被試者按照最短路徑運(yùn)動至目標(biāo)點(diǎn)。
[0020]一種智能空間下基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦一機(jī)接口方法，包括以下步驟:
[0021]I)被試者觀看視覺刺激器上的目標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的刺激指令，大腦皮層產(chǎn)生的視覺誘發(fā)電位經(jīng)處理后輸入到控制主機(jī)，控制主機(jī)通過腦電信號識別被試者的運(yùn)動意圖；
[0022]2)攝像頭獲取被試者的位置信息和周圍的環(huán)境信息；
[0023]3)控制主機(jī)對位置環(huán)境信息進(jìn)行計(jì)算處理，將被試者和目標(biāo)點(diǎn)根據(jù)其所在位置視為一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，將障礙物根據(jù)其所在位置視為一個(gè)多邊形，控制主機(jī)再結(jié)合腦電信號，為被試者提供包括預(yù)估運(yùn)動時(shí)間和規(guī)劃運(yùn)動路徑的導(dǎo)航功能，獲得最短路徑；
[0024]4)控制主機(jī)控制下肢外骨骼協(xié)助被試者按照最短路徑運(yùn)動至目標(biāo)點(diǎn)，完成指令。
[0025]所述步驟I)中，對視覺誘發(fā)電位的處理包括信號的預(yù)處理、特征提取以及識別分類，其中預(yù)處理包括去直流分量、信號濾波、去掉眼電和肌電偽跡以及ICA去除干擾成分，特征提取采用小波分析方法，識別分類采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。
[0026]所述步驟3)中，預(yù)估運(yùn)動時(shí)間和規(guī)劃運(yùn)動路徑具體為:
[0027]通過被試者開始位置和預(yù)定運(yùn)動位置的距離與被試者的主觀運(yùn)動速度預(yù)估運(yùn)動時(shí)間，根據(jù)被試者的位置信息和周圍的環(huán)境信息利用可視圖法實(shí)時(shí)規(guī)劃躲避智能空間內(nèi)障礙物的運(yùn)動路徑；
[0028]其中規(guī)劃路徑具體為:
[0029]將被試者、目標(biāo)點(diǎn)均看成一個(gè)點(diǎn)，將障礙物看成由其頂點(diǎn)圍成的多邊形，被試者、目標(biāo)點(diǎn)和障礙物的各頂點(diǎn)進(jìn)行組合連接，并保證這些直線均不與障礙物相交，便形成一張可視圖，然后用廣度優(yōu)先搜索算法搜索制定最短路徑。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0031]本發(fā)明將LED視覺刺激顯示器固定在天花板上，并且I采用.3mX ImX 1.5m的尺寸，確保被試者可以在智能空間中任意位置進(jìn)行視覺誘發(fā)，LED視覺刺激顯示器的多面性確保被試者可以在智能空間內(nèi)從任意方向進(jìn)行視覺誘發(fā)，消除了對被試者的位置和方向的限制，由被試者的EEG信號來作為下肢外骨骼運(yùn)動的依據(jù)，強(qiáng)化了被試者的主動運(yùn)動意識，智能空間可以為被試者提供包括預(yù)估運(yùn)動時(shí)間和規(guī)劃運(yùn)動路徑的導(dǎo)航功能，提高了被試者生活的智能化水平。
【【附圖說明】】
[0032]圖1為本發(fā)明的工作流程圖；
[0033]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]其中，I為天花板;2為視覺刺激驅(qū)動系統(tǒng);3為連接棒;4為側(cè)面發(fā)光塊;5為LED視覺刺激顯示器;6為底面發(fā)光塊。
【【具體實(shí)施方式】】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0036]本發(fā)明設(shè)計(jì)智能空間用來彌補(bǔ)傳統(tǒng)家居環(huán)境進(jìn)行視覺刺激時(shí)的不足，智能空間具體是指具有攝像頭、控制主機(jī)這種嵌入了計(jì)算裝置和多模態(tài)的傳感器的空間。如圖2所示，視覺刺激器包括LED視覺刺激顯示器5，LED視覺刺激顯示器5通過連接棒3安裝在天花板I上，LED視覺刺激顯示器5通過視覺刺激驅(qū)動系統(tǒng)2與控制主機(jī)相交互;LED視覺刺激顯示器5為由四個(gè)側(cè)面發(fā)光塊4、一個(gè)底面發(fā)光塊6和頂部擋板圍成的長方體，四個(gè)側(cè)面發(fā)光塊4和底面發(fā)光塊6所顯示的內(nèi)容相同。側(cè)面發(fā)光塊4的長寬高尺寸為1.3m、Im和1.5m，可以保證被試者在智能空間的任意位置從任意方向進(jìn)行視覺誘發(fā)，而且LED視覺刺激顯示器刷新頻率可達(dá)到10Hz甚至更高，高于傳統(tǒng)屏幕刷新頻率，消除視覺刺激器對被試者的頻率限制。連接棒3的頂部通過螺栓固定在天花板I上，底部焊接在LED視覺刺激顯示器5的頂部擋板上。視覺刺激驅(qū)動系統(tǒng)2包括用于控制LED視覺刺激顯示器5中所有LED發(fā)光塊顯示相同的內(nèi)容的單片機(jī)和用于驅(qū)動所有LED發(fā)光塊發(fā)光的三極管。LED發(fā)光塊顯示的內(nèi)容包括文字、箭頭或者牛頓環(huán)指令。
[0037]本發(fā)明利用視覺刺激器，設(shè)計(jì)了一種智能空間下基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦一機(jī)接口系統(tǒng)，包括:視覺刺激器5，用于顯示刺激指令;控制主機(jī)，為被試者提供導(dǎo)航功能和控制下肢外骨骼協(xié)助被試者運(yùn)動至預(yù)定目標(biāo);控制主機(jī)根據(jù)被試者的運(yùn)動意圖和位置環(huán)境信息計(jì)算最短路徑，并將最短路徑轉(zhuǎn)換為控制指令發(fā)送給下肢外骨骼;攝像頭，用于實(shí)時(shí)獲取被試者的位置信息和周圍的環(huán)境信息;EEG采集與處理裝置，用于采集被試者在觀察視覺刺激器5后，大腦皮層產(chǎn)生的EEG信號，再將EEG信號處理后發(fā)送給控制主機(jī);下肢外骨骼，穿戴在被試者下肢上，用于接收控制主機(jī)的動作指令，根據(jù)動作指令協(xié)助被試者按照最短路徑運(yùn)動至目標(biāo)點(diǎn)。
[0038]本發(fā)明還公開了一種智能空間下基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦一機(jī)接口方法，包括以下步驟:
[0039]I)被試者觀看視覺刺激器上的目標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的刺激指令，大腦皮層產(chǎn)生的視覺誘發(fā)電位經(jīng)處理后輸入到控制主機(jī)，控制主機(jī)通過腦電信號識別被試者的運(yùn)動意圖；對視覺誘發(fā)電位的處理包括信號的預(yù)處理、特征提取以及識別分類，其中預(yù)處理包括去直流分量、信號濾波、去掉眼電及肌電偽跡、人工去除不合適數(shù)據(jù)和ICA去除干擾成分，特征提取采用小波分析方法，識別分類采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。
[0040]2)攝像頭獲取被試者的位置信息和周圍的環(huán)境信息；
[0041 ] 3)控制主機(jī)對位置環(huán)境信息進(jìn)行計(jì)算處理，將被試者和目標(biāo)點(diǎn)根據(jù)其所在位置視為一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，將障礙物根據(jù)其所在位置視為一個(gè)多邊形，控制主機(jī)再結(jié)合腦電信號，為被試者提供包括預(yù)估運(yùn)動時(shí)間和規(guī)劃運(yùn)動路徑的導(dǎo)航