一種基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，該控制方法包括：對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加陽極無創(chuàng)腦功能電刺激；采集用戶執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)后的腦電原始信號(hào)，并從腦電原始信號(hào)中提取事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)；對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行量化處理，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)在Lowerμ波段、Upperμ波段及β波段的平均功率；對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值；根據(jù)所述平均功率對(duì)所述特征值進(jìn)行分類得到控制指令；其中，控制指令用于反饋訓(xùn)練范式的控制。
【專利說明】
一種基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及腦機(jī)接口控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]腦機(jī)接口(Brain-Computer Interface,BCI)是一種能夠向大腦以外的世界傳遞信息、提供替代通路的系統(tǒng)，廣泛用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、通訊及娛樂等領(lǐng)域。目前，發(fā)展最為成熟的BCI系統(tǒng)主要是基于腦電(Electroencephalography，EEG)的BCI系統(tǒng)，這種BCI系統(tǒng)通過采集頭皮EEG信號(hào)，并對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行特征提取和分類，提取出能夠反映大腦活動(dòng)意圖的信號(hào)，從而達(dá)到控制、通信的目的。
[0003]基于運(yùn)動(dòng)想象(Motor Imagery，MI)的BCI，是指用戶通過想象某一種運(yùn)動(dòng)過程，自發(fā)的調(diào)節(jié)自身的感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)節(jié)律(Sensorimotor Rhythm, SMR)，具體有兩種表現(xiàn)形式，分別是事件相關(guān)去同步化(Event-Related Desynchronizat1n,ERD)和事件相關(guān)同步化(Event-Related Synchronizat1n,ERS)。在基于運(yùn)動(dòng)想象的BCI系統(tǒng)中，用戶和BCI系統(tǒng)的控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)交互的過程，用戶對(duì)于BCI系統(tǒng)的良好控制，需要BCI系統(tǒng)從ERD/ERS信號(hào)中提取運(yùn)動(dòng)想象的意圖特征并進(jìn)行分類，以此作為判別依據(jù)，下達(dá)控制指令。
[0004]眾所周知，EEG信號(hào)攜帶大量的偽跡和噪聲。為了提高用戶對(duì)BCI系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度，現(xiàn)有的很多方法都聚焦于研發(fā)復(fù)雜的模式識(shí)別和分類算法，企圖從高噪聲的EEG信號(hào)中解碼出可靠的BCI控制信號(hào)。例如，專利公開號(hào)為CN104166548A的專利文獻(xiàn)介紹了一種基于運(yùn)動(dòng)想象腦電數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)的方法，該方法基于深度學(xué)習(xí)(Deep Learning,DL)算法思想分類方案，利用DL可以有效進(jìn)行特征提取的優(yōu)勢，分類特征的提取準(zhǔn)確度有了保證。另一項(xiàng)公開號(hào)為CN104814734A的專利文獻(xiàn)中介紹了一種基于CSP和互相關(guān)的運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)分類方法，通過共空間模式提取訓(xùn)練集的共空間特征，同時(shí)通過互相關(guān)函數(shù)提取訓(xùn)練集的互相關(guān)特征，然后由這兩個(gè)特征組合成訓(xùn)練集的訓(xùn)練特征向量，主要解決現(xiàn)有技術(shù)對(duì)個(gè)體適應(yīng)性較差，分類準(zhǔn)確度差異大的問題。
[0005]上述的為提高用戶對(duì)BCI系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度的技術(shù)，在離線分析處理環(huán)境中，由于硬件資源相對(duì)豐富，對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求也不會(huì)太高，在一定程度上的確提高了分類的準(zhǔn)確率，改善了用戶對(duì)于BCI系統(tǒng)的控制效果。但是在實(shí)際的使用中，這些現(xiàn)有的技術(shù)存在著以下缺占.V.
[0006]第一，上述的EEG信號(hào)分類算法之所以能夠提高分類準(zhǔn)確度，是以提高算法的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度為代價(jià)的。在絕大多數(shù)情況下，BCI系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)的提取用戶的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部任務(wù)的控制。而且隨著穿戴式設(shè)備越來越流行，體積小、重量輕、功耗低成為硬件設(shè)備發(fā)展的必然趨勢，在這些設(shè)備上運(yùn)行復(fù)雜的算法是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，因此，上述的方法在實(shí)際應(yīng)用中效果并不明顯。
[0007]第二，從用戶角度來說，用戶對(duì)于運(yùn)動(dòng)想象BCI系統(tǒng)的適應(yīng)需要進(jìn)行多次重復(fù)的反饋訓(xùn)練，這雖然是普遍想象，但的確給用戶造成了負(fù)擔(dān)，并且會(huì)使用戶感到疲勞和不適。因?yàn)闊o論分類算法多么精準(zhǔn)，都不能提高用戶自發(fā)調(diào)節(jié)SMR的技巧。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，該控制方法包括:
[0009 ]對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加陽極無創(chuàng)腦功能電刺激；
[0010]采集用戶執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)后的腦電原始信號(hào)，并從所述腦電原始信號(hào)中提取事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)；
[0011]對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行量化處理，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)在Loweni波段、Uppeni波段及β波段的平均功率；
[0012]對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值；
[0013]根據(jù)所述平均功率對(duì)所述特征值進(jìn)行分類得到控制指令;其中，所述控制指令用于反饋訓(xùn)練范式的控制。
[0014]在一實(shí)施例中，對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加陽極無創(chuàng)腦功能電刺激，包括:
[0015]將刺激電極的陽極電極置于用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的一側(cè)，并將刺激電極的陰極電極置于用戶初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層另一側(cè)對(duì)應(yīng)的眼眶上方；
[0016]通過所述陽極電極對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加不超過預(yù)設(shè)刺激強(qiáng)度的直流電進(jìn)行無創(chuàng)腦功能電刺激。
[0017]在一實(shí)施例中，采用逐漸增強(qiáng)的模式對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加電刺激。
[0018]在一實(shí)施例中，所述預(yù)設(shè)刺激強(qiáng)度為1mA。
[0019]在一實(shí)施例中，所述控制方法還包括:
[0020]對(duì)所述采集的腦電原始信號(hào)進(jìn)行放大，并對(duì)所述腦電原始信號(hào)進(jìn)行偽跡處理，去除用戶眨眼和身體移動(dòng)造成的偽跡。
[0021]在一實(shí)施例中，所述控制方法還包括:對(duì)所述腦電原始信號(hào)進(jìn)行7-30Hz帶通濾波，保留感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)節(jié)律。
[0022]在一實(shí)施例中，對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值，包括:
[0023]利用兩通道自回歸算法計(jì)算所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的兩通道自回歸功率譜，作為所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值。
[0024]在一實(shí)施例中，對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值，包括:
[0025]利用共空間模式算法對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值。
[0026]在一實(shí)施例中，根據(jù)所述平均功率對(duì)所述特征值進(jìn)行分類得到控制指令，包括:
[0027]根據(jù)所述平均功率，利用基于馬氏距離的線性分類器對(duì)所述特征值進(jìn)行分類，得到所述控制指令。
[0028]在一實(shí)施例中，根據(jù)所述平均功率對(duì)所述特征值進(jìn)行分類得到控制指令，包括:
[0029]根據(jù)所述平均功率，利用線性支持向量機(jī)對(duì)所述特征值進(jìn)行分類，得到所述控制指令。
[0030]基于現(xiàn)有方法的缺點(diǎn)和科學(xué)理論的發(fā)展表明，用戶對(duì)于控制BCI技巧的學(xué)習(xí)與用戶對(duì)于常規(guī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)過程是一樣的，無創(chuàng)的腦刺激技術(shù)，例如重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(repetitive Transcranial Magnetic St imulat i on，rTMS)和經(jīng)煩直流電刺激(transcranial Direct Current Stimulat1n，tDCS)等，被認(rèn)為能夠調(diào)節(jié)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的學(xué)習(xí)和鞏固。通過施加微弱的直流電，能夠方便有效的導(dǎo)致特定腦區(qū)極性的改變，調(diào)節(jié)皮層的興奮性，并且不會(huì)造成神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏陌l(fā)放。無創(chuàng)腦功能電刺激的作用效應(yīng)不僅僅局限于刺激期間，還可以持續(xù)到刺激后的幾個(gè)小時(shí)里。
[0031]本發(fā)明通過陽極無創(chuàng)腦功能電刺激刺激初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(Primary Motor Cortex,Ml)，增強(qiáng)Ml的興奮性，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)想象中的SMR的ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)，從而鞏固用戶對(duì)BCI控制技巧的學(xué)習(xí)能力，能夠使用戶在更少的訓(xùn)練次數(shù)里掌握對(duì)基于運(yùn)動(dòng)想象BCI的控制技巧，減輕學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。利用本發(fā)明還可以使用戶在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)時(shí)，產(chǎn)生被電刺激改善的EEG活動(dòng)模式特征，提高BCI系統(tǒng)的分類性能，即使采用普通的分類算法也能提高分類的準(zhǔn)確度。并且，本發(fā)明提供的控制方法實(shí)時(shí)性高，對(duì)硬件資源要求低。
【附圖說明】
[0032]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0033]圖1為本發(fā)明實(shí)施例基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法流程示意圖；
[0034]圖2為本發(fā)明實(shí)施例刺激電極的設(shè)置方式；
[0035]圖3為本發(fā)明實(shí)施例無創(chuàng)腦功能電刺激作用的時(shí)間與刺激強(qiáng)度的關(guān)系；
[0036]圖4為本發(fā)明實(shí)施例獲取事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)流程示意圖；
[0037]圖5為本發(fā)明實(shí)施例基于視覺的左右手運(yùn)動(dòng)想象反饋任務(wù)示意圖；
[0038]圖6為本發(fā)明實(shí)施例運(yùn)動(dòng)想象反饋訓(xùn)練范式流程圖；
[0039]圖7為本發(fā)明實(shí)施例刺激前后執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的命中率對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0041]圖1為本發(fā)明實(shí)施例基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法的流程示意圖。如圖1所示，上述的控制方法主要包括以下步驟:
[0042 ]步驟S1、對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加陽極無創(chuàng)腦功能電刺激。
[0043]具體實(shí)施時(shí)，需預(yù)先調(diào)節(jié)刺激參數(shù)，將刺激電極的陽極電極置于用戶大腦的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層，施加一定時(shí)間的微弱直流電刺激。并且，為用戶佩戴上EEG信號(hào)采集電極帽，啟動(dòng)BCI硬件軟件系統(tǒng)，為執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)做好準(zhǔn)備。
[0044]步驟S2、采集用戶執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)后的腦電原始信號(hào)，并從采集到的腦電原始信號(hào)中提取事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)。
[0045]執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)指用戶通過想象一種運(yùn)動(dòng)形式來調(diào)節(jié)自發(fā)感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)節(jié)律的活動(dòng)模式。通常地，用戶需根據(jù)電腦上的提示或者指導(dǎo)下執(zhí)行特定的運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)。
[0046]步驟S3、對(duì)步驟S2中提取出的事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行量化處理，得到上述的事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)在Lowenx波段、Uppenx波段及β波段的平均功率。
[0047]步驟S4、繼續(xù)從上述的腦電信號(hào)中提取事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)，并對(duì)該事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到上述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值。
[0048]步驟S5、根據(jù)步驟S3得到的平均功率對(duì)上述特征值進(jìn)行分類得到控制指令。其中，該控制指令用于反饋訓(xùn)練范式的控制。
[0049]運(yùn)動(dòng)想象的反饋訓(xùn)練范式為一種需要用戶進(jìn)行交互的系統(tǒng)，可以是計(jì)算機(jī)軟件、機(jī)械系統(tǒng)、電子電路系統(tǒng)中的一種或兩種或其結(jié)合。
[°°50] 本發(fā)明通過陽極無創(chuàng)腦功能電刺激刺激初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(Primary Motor Cortex,Ml)，增強(qiáng)Ml的興奮性，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)想象中的SMR的ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)，從而鞏固用戶對(duì)BCI控制技巧的學(xué)習(xí)能力，能夠使用戶在更少的訓(xùn)練次數(shù)里掌握對(duì)基于運(yùn)動(dòng)想象BCI的控制技巧，減輕學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。利用本發(fā)明還可以使用戶在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)時(shí)，產(chǎn)生被電刺激改善的EEG活動(dòng)模式特征，提高BCI系統(tǒng)的分類性能，即使采用普通的分類算法也能提高分類的準(zhǔn)確度。并且，本發(fā)明提供的控制方法實(shí)時(shí)性高，對(duì)硬件資源要求低。
[0051 ]在本發(fā)明實(shí)施例中，EEG原始信號(hào)的采集及預(yù)處理可以借助于NeuroScan公司的SynAmps2放大器和NeuroScan軟件系統(tǒng)?？蛇x地，任何能夠達(dá)到相同結(jié)果EEG信號(hào)采集設(shè)備和軟件系統(tǒng)都可以用于EEG原始信號(hào)的采集與預(yù)處理。
[0052]在對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加陽極無創(chuàng)腦功能電刺激時(shí)，通常將刺激電極的陽極電極置于用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的一側(cè)，并將刺激電極的陰極電極置于用戶初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層另一側(cè)對(duì)應(yīng)的眼眶上方。
[0053]圖2示出了一種刺激電極的設(shè)置方式。在圖2中，刺激的位置是用戶大腦右側(cè)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層，即將刺激電極的陽極電極I放置于對(duì)應(yīng)的右側(cè)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的頭皮位置，并將刺激電極的陰極電極2置于用戶初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層另一側(cè)對(duì)應(yīng)的眼眶上方。陽極電極I和陰極電極2通常為兩通道的刺激電極。通過陽極電極I對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加不超過預(yù)設(shè)刺激強(qiáng)度的直流電進(jìn)行無創(chuàng)腦功能電刺激，并通過設(shè)置在用戶頭皮上的多個(gè)電極3采集用戶的EEG原始信號(hào)。
[0054]上述刺激電極的設(shè)置方式僅作為示例，并非用于對(duì)本發(fā)明的限制，陽極電極I的具體放置位置可以根據(jù)實(shí)際情況確定。
[0055]在對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加陽極無創(chuàng)腦功能電刺激時(shí)，可以采用逐漸增強(qiáng)的模式對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加電刺激，該電刺激的強(qiáng)度不超過預(yù)設(shè)刺激強(qiáng)度，在一般情況下，預(yù)設(shè)刺激強(qiáng)度為1mA。圖3示出了逐漸增強(qiáng)模式下無創(chuàng)腦功能電刺激作用的時(shí)間與刺激強(qiáng)度的關(guān)系，其中預(yù)設(shè)刺激強(qiáng)度為1mA，用逐漸增強(qiáng)的模式在1s內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)刺激強(qiáng)度;刺激強(qiáng)度達(dá)到ImA后，持續(xù)對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層進(jìn)行電刺激;在刺激即將結(jié)束時(shí)，利用逐漸減弱的模式在1s內(nèi)逐漸減弱刺激強(qiáng)度，整個(gè)刺激時(shí)間持續(xù)15分鐘。
[0056]在對(duì)用戶施加電刺激后，可以按照?qǐng)D4所示的步驟從用戶的EEG原始信號(hào)中提取出ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào):
[0057]步驟S21、采集用戶執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)后的腦電原始信號(hào)。
[0058]步驟S22、對(duì)步驟S21采集的腦電原始信號(hào)進(jìn)行放大，并對(duì)該腦電原始信號(hào)進(jìn)行偽跡處理，去除用戶眨眼和身體移動(dòng)造成的偽跡。
[0059]步驟S23、對(duì)腦電原始信號(hào)進(jìn)行7-30HZ帶通濾波，保留感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)節(jié)律成分。
[0060]步驟S24、從經(jīng)過處理的EEG原始信號(hào)中提取出ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)。
[0061 ] 在從EEG原始信號(hào)中提取出ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)后，利用BCI2000系統(tǒng)對(duì)提取出來的ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)進(jìn)行量化處理，得到ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)在Lowery波段、Upperμ波段及β波段的平均功率。
[0062]在步驟S4中，在對(duì)ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)進(jìn)行特征提取，獲取ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)的特征值時(shí)，可以采用兩通道自回歸(Two channels’Autoregressive)算法計(jì)算ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)的兩通道自回歸功率譜，作為ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)的特征值。
[0063]在另一實(shí)施例中，也可以采用共空間模式(Common Spatial Pattern，CSR)算法對(duì)上述ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)的特征值。
[0064]不論是采用共空間模式算法對(duì)ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)進(jìn)行特征提取，還是采用兩通道自回歸算法計(jì)算ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)的兩通道自回歸功率譜(即特征提取)，在提取出特征值后，結(jié)合步驟S3得到的平均功率，可以采用基于馬氏距離的線性分類器(Mahalanobis Distance-Based Linear Classifier，MDBLC)對(duì)特征值進(jìn)行分類，或者也可以采用線性支持向量機(jī)(Linear Support Vector Machine，LSVM)對(duì)特征值進(jìn)行分類，得到控制指令，用于反饋訓(xùn)練范式的控制。
[0065]S卩，對(duì)ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)進(jìn)行特征提取和分類時(shí)，所用的算法不局限于本方法采用的 AR+MDBLC算法，可選地，還可以采用CSP+MDBLC、CSP+LSVM、FBCSP (Fi I ter Bank CSP，共空間模式濾波器組)+LSVM算法中的一種。
[0066]用戶在學(xué)習(xí)基于運(yùn)動(dòng)想象的BCI控制技巧時(shí)，需要配合一些感官的反饋來執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)，否則很難調(diào)節(jié)自身的SMR。這些感官上的反饋可也是視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感覺中的一種或兩種以上。
[0067]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于視覺的左右手運(yùn)動(dòng)想象反饋任務(wù)示意圖，任務(wù)分為左手任務(wù)和右手任務(wù)。當(dāng)一個(gè)白色的小矩形呈現(xiàn)在用戶面前的顯示器上，作為提示預(yù)示著任務(wù)的開始，緊接著，一個(gè)白色的小球出現(xiàn)并勻速向右運(yùn)動(dòng)。用戶按照矩形出現(xiàn)的位置執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)，矩形出現(xiàn)在右上角對(duì)應(yīng)執(zhí)行右手任務(wù)，矩形出現(xiàn)在右下角對(duì)應(yīng)執(zhí)行左手任務(wù)。小球到達(dá)最右端，若與小矩形接觸則表示“命中”。執(zhí)行右手任務(wù)時(shí)，用戶想象著握緊右拳;執(zhí)行左手任務(wù)時(shí)，用戶想象握緊左拳。為了抑制眼電和肌電偽跡，用戶在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)過程中不應(yīng)眨眼和移動(dòng)身體。
[0068]采集用戶執(zhí)行特定運(yùn)動(dòng)想象反饋任務(wù)時(shí)的EEG信號(hào)，對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行放大并進(jìn)行偽跡處理以去除眼動(dòng)和身體移動(dòng)造成的偽跡，對(duì)去除偽跡后的EEG信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，然后將濾波后的數(shù)據(jù)接入BCI2000系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，計(jì)算ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)在Lowenx波段、Uppery波段及β波段的平均功率，并對(duì)繼續(xù)從EEG信號(hào)中提取出ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)進(jìn)行特征提取，獲取ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)的自回歸(Autoregressive ,AR)功率譜。利用AR+MDBLC分類法，將AR功率譜作為特征值，用于基于馬氏距離的線性分類器對(duì)其進(jìn)行分類，得到三種控制指令:在反饋訓(xùn)練開始后的0.5-1.5s內(nèi)的信號(hào)被標(biāo)記為“Left/Right”類，在提示出現(xiàn)前和反饋后的0.5-ls出現(xiàn)的信號(hào)標(biāo)記為“Rest”類。其中，此處的Left、Right及Rest即為腦機(jī)接口的控制指，用于運(yùn)動(dòng)想象的反饋訓(xùn)練范式(例如訓(xùn)練游戲、打字等)的控制。
[0069]圖6為運(yùn)動(dòng)想象反饋訓(xùn)練范式流程圖，其基本流程為首先向反饋任務(wù)系統(tǒng)輸入分類后的控制指令，即“Left “、”Right”、“Rest”，然后反饋任務(wù)系統(tǒng)對(duì)輸入的控制指令進(jìn)行判斷，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。如果輸入的控制指令為“Rest”，則執(zhí)行“小球保持勻速向右”動(dòng)作;如果輸入的控制指令為“Left”，則執(zhí)行“小球向右下方移動(dòng)”動(dòng)作;若輸入指令為“Right”，則執(zhí)行“小球向右上方移動(dòng)”動(dòng)作。每一項(xiàng)動(dòng)作執(zhí)行完畢后，繼續(xù)查詢所輸入的控制指令，如果控制指令不是上述的任何一種，則表明沒有反饋任務(wù)，此時(shí)運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)執(zhí)行完畢。
[0070]在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，運(yùn)動(dòng)想象反饋訓(xùn)練范式不僅限于本發(fā)明實(shí)施例提供的反饋訓(xùn)練范式，還可以為控制三維游戲任務(wù)、虛擬現(xiàn)實(shí)控制、打字操作等，只要將控制指令接入相應(yīng)的任務(wù)接口中即可實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)的反饋訓(xùn)練范式的控制。
[0071]利用本發(fā)明提供的控制方法，對(duì)左右手任務(wù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，8個(gè)被試者中有7人的右手任務(wù)的命中率提尚，左右手任務(wù)命中率分別提尚了 3.75 ± 4.38和4.64±8.96(均值土標(biāo)準(zhǔn)差)，證明本發(fā)明提供的控制方法是可行的，即利用本發(fā)明，能夠在短時(shí)間內(nèi)改善使用者對(duì)于腦機(jī)接口控制的準(zhǔn)確度，鞏固使用者對(duì)于腦機(jī)接口控制的學(xué)習(xí)，減輕使用者的學(xué)習(xí)訓(xùn)練負(fù)擔(dān)。
[0072]由于用戶在想象執(zhí)行某一種運(yùn)動(dòng)和實(shí)際執(zhí)行這種運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有相似的大腦皮層激活區(qū)域，多次重復(fù)的對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行激活，能夠?qū)Υ竽X神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生可塑性的影響。因此，可以將本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)用戶施加的無創(chuàng)腦功能電刺激改為無創(chuàng)腦功能磁刺激、無創(chuàng)腦功能超聲刺激、以及其他無創(chuàng)腦功能刺激中的一種或多種，只要能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的興奮性，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)想象中的SMR的ERD信號(hào)和/或ERS信號(hào)，都可以用于提高基于運(yùn)動(dòng)想象BCI控制的準(zhǔn)確度，減輕用戶對(duì)于BCI控制的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。
[0073]本發(fā)明提供的控制方法應(yīng)用范圍廣發(fā)，可以應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練、輔助控制及娛樂等領(lǐng)域中。例如，對(duì)具有大腦運(yùn)動(dòng)功能障礙的用戶來說，可以利用此本發(fā)明提供的控制方法對(duì)其進(jìn)行輔助假肢控制的訓(xùn)練;對(duì)于某些運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練項(xiàng)目，在受場地、器材限制的情況下，可以利用本發(fā)明進(jìn)行動(dòng)作糾正、敏捷性、速度等訓(xùn)練，如訓(xùn)練網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員對(duì)于接球的反應(yīng)訓(xùn)練。對(duì)四肢不健全的用戶來說，利用本發(fā)明提供的控制方法控制運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口，可以輔助用戶對(duì)計(jì)算機(jī)、電器、機(jī)械等設(shè)備的操控，例如:打字、瀏覽網(wǎng)頁、操控家用電器、操控機(jī)械開關(guān)。越來越多的人利用運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口去玩游戲，在無創(chuàng)陽極電流刺激下，增強(qiáng)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的活性，加強(qiáng)EEG信號(hào)活動(dòng)的特征模式，會(huì)用戶對(duì)于運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口的控制更加精準(zhǔn)，增強(qiáng)游戲娛樂的用戶體驗(yàn)。利用本發(fā)明可以讓用戶對(duì)上述設(shè)備操控的學(xué)習(xí)變得更容易，控制更精準(zhǔn)。
[0074]本發(fā)明利用無創(chuàng)腦功能電刺激增強(qiáng)用戶初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的興奮性，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)想象中的感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)節(jié)律的ERD信號(hào)及ERS信號(hào)，從源頭上增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)想象特征信號(hào)的活動(dòng)，即使采用普通的分類算法也能提高分類的準(zhǔn)確度。因此，本發(fā)明提供的控制方法的實(shí)時(shí)性高，并且對(duì)硬件資源要求更低。利用本發(fā)明提供的控制方法能夠鞏固初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的ERD信號(hào)及ERS信號(hào)的活動(dòng)模式，從而鞏固和強(qiáng)化用戶對(duì)于運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的學(xué)習(xí)，這能夠使用戶在更少的訓(xùn)練次數(shù)里掌握對(duì)基于運(yùn)動(dòng)想象BCI的控制技巧，減輕學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。
[0075]本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲(chǔ)器、CD-ROM、光學(xué)存儲(chǔ)器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。
[0076]本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器，使得通過計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的裝置。
[0077]這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲(chǔ)在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，使得存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能。
[0078]這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的步驟。
[0079]本發(fā)明中應(yīng)用了具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，其特征在于，所述控制方法包括: 對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加陽極無創(chuàng)腦功能電刺激； 采集用戶執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)后的腦電原始信號(hào)，并從所述腦電原始信號(hào)中提取事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)； 對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行量化處理，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)在Loweni波段、Uppeni波段及β波段的平均功率； 對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值； 根據(jù)所述平均功率對(duì)所述特征值進(jìn)行分類得到控制指令;其中，所述控制指令用于反饋訓(xùn)練范式的控制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，其特征在于，對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加陽極無創(chuàng)腦功能電刺激，包括: 將刺激電極的陽極電極置于用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的一側(cè)，并將刺激電極的陰極電極置于用戶初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層另一側(cè)對(duì)應(yīng)的眼眶上方； 通過所述陽極電極對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加不超過預(yù)設(shè)刺激強(qiáng)度的直流電進(jìn)行無創(chuàng)腦功能電刺激。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，其特征在于，采用逐漸增強(qiáng)的模式對(duì)用戶的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層施加電刺激。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)刺激強(qiáng)度為1mA。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，其特征在于，所述控制方法還包括: 對(duì)所述采集的腦電原始信號(hào)進(jìn)行放大，并對(duì)所述腦電原始信號(hào)進(jìn)行偽跡處理，去除用戶眨眼和身體移動(dòng)造成的偽跡。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，其特征在于，所述控制方法還包括:對(duì)所述腦電原始信號(hào)進(jìn)行7-30HZ帶通濾波，保留感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)節(jié)律。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，其特征在于，對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值，包括: 利用兩通道自回歸算法計(jì)算所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的兩通道自回歸功率譜，作為所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，其特征在于，對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值，包括: 利用共空間模式算法對(duì)所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)進(jìn)行特征提取，得到所述事件相關(guān)去同步化信號(hào)和/或事件相關(guān)同步化信號(hào)的特征值。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，其特征在于，根據(jù)所述平均功率對(duì)所述特征值進(jìn)行分類得到控制指令，包括: 根據(jù)所述平均功率，利用基于馬氏距離的線性分類器對(duì)所述特征值進(jìn)行分類，得到所述控制指令。10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的基于無創(chuàng)電刺激的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口控制方法，其特征在于，根據(jù)所述平均功率對(duì)所述特征值進(jìn)行分類得到控制指令，包括: 根據(jù)所述平均功率，利用線性支持向量機(jī)對(duì)所述特征值進(jìn)行分類，得到所述控制指令。
【文檔編號(hào)】G06K9/62GK106095086SQ201610393441
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日 公開號(hào)201610393441.1, CN 106095086 A, CN 106095086A, CN 201610393441, CN-A-106095086, CN106095086 A, CN106095086A, CN201610393441, CN201610393441.1
【發(fā)明人】蔚鵬飛, 黃康, 王立平
【申請(qǐng)人】深圳先進(jìn)技術(shù)研究院