專利名稱：一種基于腦-機(jī)接口的醫(yī)患交互方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)信號處理的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于腦-機(jī)接口的醫(yī)患交互方法。
背景技術(shù)：
漸凍人癥是運(yùn)動神經(jīng)元疾病的一種，患者的運(yùn)動能力逐漸喪失，直至呼吸衰竭。不過，這一切都在他們神志清醒、思維清晰的情況下發(fā)生，他們清晰地逼視著自己逐漸死亡的全過程。依據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)幫助這些病人刻不容緩。采用基于腦-機(jī)接口(Brain-Computer Interface,BCI)技術(shù)設(shè)計的醫(yī)患交互系統(tǒng),可以幫助“漸凍人”群體有效 解決生活上的溝通問題，提高他們的生活質(zhì)量、減少意外發(fā)生的可能性。另一方面中國I⑶建設(shè)與管理指南中指出“我國三級和有條件的二級醫(yī)院均應(yīng)設(shè)立重癥醫(yī)學(xué)科，重癥醫(yī)學(xué)科屬于臨床獨(dú)立學(xué)科，直屬醫(yī)院職能部門直接領(lǐng)導(dǎo)。ICU是重癥醫(yī)學(xué)學(xué)科的臨床基地。傳統(tǒng)上，醫(yī)護(hù)人員總是將所有精力放在患者生命的搶救和病情的監(jiān)測上，忽視了患者的需求。同時，各大醫(yī)院中很難能做到重癥監(jiān)護(hù)病房的人員配備的比例(2.5-3 I)。所以針對人員配備不足的問題，在病人需要幫助的情況下，尤其是夜間，很難能及時的得到幫助，但是即使在白天，人員配備還充足的情況下，病人有需求，醫(yī)護(hù)人員也不能及時的了解病人的想法，有時還可能會得到相反的結(jié)果。目前重癥監(jiān)護(hù)中心主要是一些急救設(shè)備和檢測生命信息指數(shù)的儀器，將醫(yī)患交互系統(tǒng)應(yīng)用到具有ICU重癥監(jiān)護(hù)中心的大型醫(yī)院中，可以很好地解決肢體癱瘓或運(yùn)動不變、說話不便(如使用呼吸機(jī))的非腦癱類重癥病人與醫(yī)生、護(hù)士、家庭護(hù)理人員間的溝通問題。腦電是來自大腦神經(jīng)組織的電活動。臨床上在頭皮用雙極或單極記錄法來觀察皮層的電位變化，記錄到的腦電波稱為腦電圖。腦電包含有自發(fā)腦電信號和誘發(fā)腦電信號。自發(fā)腦電信號是大腦皮層持續(xù)的節(jié)律性電位改變；誘發(fā)腦電信號，也稱為誘發(fā)電位(EvokedPotential, EP)，是神經(jīng)系統(tǒng)(包括外周或中樞、感覺或運(yùn)動系統(tǒng))接受內(nèi)、外界“刺激”所產(chǎn)生的特定電活動。誘發(fā)電位可分為兩大類，一類是外源性刺激相關(guān)誘發(fā)電位，包括視覺誘發(fā)電位、聽覺誘發(fā)電位、軀體感覺誘發(fā)電位和運(yùn)動誘發(fā)電位等；另一類是內(nèi)源性事件相關(guān)誘發(fā)電位，與大腦的認(rèn)知功能有關(guān)。誘發(fā)電位可以應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)病損的研究，有重要的臨床診斷價值，此外，誘發(fā)電位的研究有助于認(rèn)識人類自身的高級神經(jīng)活動本質(zhì)。與自發(fā)腦電相比，誘發(fā)電位的波幅較低，通常淹沒于自發(fā)腦電和其它各種偽跡中。誘發(fā)電位有一定的空間、時間和相位特征，誘發(fā)電位須在特定的部位才能檢測出來。再者，誘發(fā)電位的潛伏期與刺激之間有較嚴(yán)格的鎖時關(guān)系，而且是在給予刺激時，幾乎可立即或在一定時間內(nèi)瞬時出現(xiàn)。自發(fā)腦電和誘發(fā)電位都能從不同方面反映大腦的不同狀態(tài)，可應(yīng)用于腦-機(jī)接口。事實(shí)上并不是任意一種腦電信號都可用于腦-機(jī)接口。然而，在特定的情況下，通過訓(xùn)練，人們有可能產(chǎn)生某種穩(wěn)定的腦電信號，或者對特定的刺激產(chǎn)生一種可靠的反應(yīng)。只有這些容易被解釋的腦電信號可以應(yīng)用于腦-機(jī)接口。當(dāng)人接受到一個視覺刺激時，在視皮層就會產(chǎn)生相應(yīng)的電活動，這種信號被稱為視覺誘發(fā)電位(Visual Evoked Potentials, VEP)。視覺誘發(fā)電位是人眼經(jīng)過“集中注視”活動誘發(fā)大腦視覺皮層神經(jīng)的特定電活動在頭皮電位的反映。基于VEP的BCI系統(tǒng)依賴于使用者控制眼睛注視方向的能力。當(dāng)受到頻率恒定的外界刺激時，大腦將會產(chǎn)生一個和外界刺激頻率或其諧波同頻率的響應(yīng)，該響應(yīng)的強(qiáng)弱可以由頭皮或皮層上測量得到的電壓信號表征，即穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位(Steady-State Evoked Potential, SSEP),在對視覺進(jìn)行重復(fù)刺激的實(shí)驗(yàn)中，都能觀察到穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的出現(xiàn)。這種明顯的被刺激頻率所調(diào)制的腦電信號被稱為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(Steady State Visual Evoked Potentials, SSVEP)。對于許多嚴(yán)重癱瘓患者，其視覺功能常常是健全的，因此視覺誘發(fā)電位是一種比較適合于腦-機(jī)接 口的腦電信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種基于腦-機(jī)接口的醫(yī)患交互方法，通過不同頻率的視覺刺激，誘發(fā)大腦產(chǎn)生相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位，通過電極加以采集，利用腦電放大器對采集到的微弱的腦電信號進(jìn)行放大，并通過腦電放大器與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸線將數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)進(jìn)行分析、處理與識別，最終將識別結(jié)果通過計算機(jī)顯示輸出。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的基于腦-機(jī)接口的醫(yī)患交互方法所采用的硬件系統(tǒng)，包括腦電采集模塊和腦電分析及醫(yī)患交互模塊。所述腦電采集模塊包括電極和腦電放大器，電極安置在受試者頭皮表面，通過電極帽固定；腦電放大器采用現(xiàn)有器件，包括前置放大電路和后級放大電路，電極接至前置放大電路輸入端，IU直放大電路輸出端連接后級放大電路輸入端，后級放大電路輸出端連接計算機(jī)。該模塊采集由視覺刺激誘發(fā)的腦電信號，獲得分析需要的數(shù)據(jù)。所述腦電分析及醫(yī)患交互模塊，包括計算機(jī)、顯示器和揚(yáng)聲器，該模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的腦電信號處理功能和醫(yī)患交互功能，腦電信號處理包括腦電信號的預(yù)處理、特征提取和識別分類，將刺激模塊誘發(fā)的腦電信號識別出來，以控制相應(yīng)的命令，實(shí)現(xiàn)醫(yī)患交互的功能，顯示器用來顯示視覺刺激信號和系統(tǒng)識別結(jié)果，預(yù)先錄制所設(shè)定的患者需求相應(yīng)的語音文件，根據(jù)識別結(jié)果選擇相應(yīng)的語音文件通過揚(yáng)聲器播報，完成病人和醫(yī)護(hù)人員的有效溝通。本發(fā)明的基于腦-機(jī)接口的醫(yī)患交互方法，具體步驟如下步驟I :設(shè)定不同頻率的視覺刺激信號并顯示在顯示器上，視覺刺激信號包括報警、確定、刪除和兩個基本命令信號0和1，由0和I的兩位編碼組成4種不同醫(yī)患交互命令；多個不同頻率的閃光刺激會同時出現(xiàn)在受試者的視野中，而每個閃光都可能誘發(fā)相應(yīng)頻率的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)。如果受試者選擇某個頻率閃光所對應(yīng)的按鍵，可以通過集中注視該按鍵，從而使該頻率誘發(fā)的SSVEP最顯著，這個過程可以稱為頻率編碼。通過分析SSVEP的頻譜，可以找出誘發(fā)最為明顯的頻率,從而完成對按鍵的識別,這一步叫做頻率解碼。步驟2 :電極實(shí)時采集受試者腦電信號，經(jīng)放大后送至計算機(jī)；步驟3 :進(jìn)行腦電信號分析處理，包括信號預(yù)處理、特征提取和識別分類。步驟3. I :信號預(yù)處理；
對采集到的實(shí)時腦電信號進(jìn)行累加平均的預(yù)處理，提取出誘發(fā)腦電信號。假設(shè)提取的腦電信號滿足兩個條件(I)每次刺激所獲得的誘發(fā)電位波形基本不變。(2)誘發(fā)電位和噪聲是相互獨(dú)立的，且噪聲的均值為零。
定義視覺誘發(fā)電位信號的模型為Xi (t) = Si(t)+ni(t) (i = I, 2, . . . , N) (I)其中Xi⑴為第i次刺激后觀察的信號，Si⑴為第i次待提取的視覺誘發(fā)電位信號，Iii⑴為第i次記錄到的噪聲信號。N次累加平均后的信號為Avg(t) = Z SiO)+ ZniO)(2)
^ V ^=I i=l J假設(shè)噪聲信號的方差為O n，N次累加平均之后，噪聲信號N次累加平均后的均值和方差分別為式(3)、式(4)= 0(3)
^=I J
(I wA 2 /Var :!>(/) = -L(4)
Vv ^=I JN次累加平均后，視覺誘發(fā)電位信號的功率信噪比(即信號功率與噪聲功率之比)為SNRavg = <Sf/)'>=^<Si(f > =N-SNRmi(5)
INCJn其中，SNRini為原始功率信噪比，O n2/N為N次累加平均之后的方差，Si (t)為待提取的視覺誘發(fā)電位信號。經(jīng)過N次疊加平均后，視覺誘發(fā)電位與N成正比，有很好的鎖時關(guān)系，而噪聲疊加后由于各次記錄有正有負(fù)而部分抵消，平均響應(yīng)的功率信噪比為單次響應(yīng)功率信噪比的N倍，幅度信噪比改善了#倍。但是實(shí)際中并不能達(dá)到這樣理想的情況，信噪比的提高值低于理論計算值。這樣很容易將疊加后的誘發(fā)電位提取出來，最后再除以疊加的次數(shù)就能得到原來的視覺誘發(fā)電位，即公式(2)給出的N次累加平均后的信號。步驟3. 2 :對預(yù)處理后的腦電信號進(jìn)行特征提取，具體步驟如下步驟3. 2. I :利用小波變換將腦電信號進(jìn)行小波分解，提取小波分解系數(shù)作為初始特征參數(shù)；步驟3. 2. 2 :對小波變換后提取的小波分解系數(shù)進(jìn)行AR功率譜估計，提取腦電信號功率特征參數(shù)，用X表示腦電信號功率特征參數(shù)矩陣，X = (x1； X2, , xn) ' ,Xt= (xlt,x2t, . . . , xpt) ' , t = 1,2, . . . , n, n 是腦電的樣本個數(shù)；步驟3. 2. 3 :利用主成分分析方法(Principle Component Analysis, PCA)進(jìn)行主要特征選擇；主成分分析(Principle Component Analysis, PCA)是線性模型參數(shù)估計的一種常用方法，利用正交原理將原來的相關(guān)自變量變換為另一組相互獨(dú)立的變量，即所謂的“主成分”，然后選擇其中一部分重要成分作為自變量(此時丟棄了一部分不重要的自變量)，最后利用最小二乘方法對選取主成分后的模型參數(shù)進(jìn)行估計。PCA是將輸入數(shù)據(jù)從樣本空間變換到坐標(biāo)不相關(guān)的新坐標(biāo)系的一種線性變換，且樣本空間的最大方差只集中到新坐標(biāo)系的少數(shù)幾個坐標(biāo)軸上，也是可作為數(shù)據(jù)壓縮和去除噪聲的工具，同時也是提取信號特征的一種途徑。利用主成分分析方法進(jìn)行主要特征選擇，具體步驟如下步驟3. 2. 3. I :求訓(xùn)練樣本(即腦電信號功率特征參數(shù))AR參數(shù)估計之后的向量的協(xié)方差矩陣E；E=(Sij)pxp其中
權(quán)利要求
1.一種基于腦-機(jī)接口的醫(yī)患交互方法，該方法所采用的基于腦-機(jī)接口的醫(yī)患交互系統(tǒng)包括腦電采集模塊和腦電分析及醫(yī)患交互模塊； 所述腦電采集模塊包括電極和腦電放大器，電極安置在受試者頭皮表面，通過電極帽固定；腦電放大器采用現(xiàn)有器件，腦電放大器連接計算機(jī)，該模塊采集視覺刺激誘發(fā)的腦電信號，獲得分析需要的數(shù)據(jù)； 所述腦電分析及醫(yī)患交互模塊，包括計算機(jī)、顯示器和揚(yáng)聲器，該模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的腦電信號處理功能和醫(yī)患交互功能； 其特征在于，包括以下步驟 步驟I:設(shè)定不同頻率的視覺刺激信號并顯示在顯示器上，視覺刺激信號包括報警、確定、刪除和兩個基本命令信號O和1，由O和I的兩位編碼組成4種不同醫(yī)患交互命令； 步驟2 :電極實(shí)時采集受試者腦電信號，經(jīng)放大后送至計算機(jī)； 步驟3 :進(jìn)行腦電信號分析處理，包括信號預(yù)處理、特征提取和識別分類； 步驟4 :將步驟3的識別結(jié)果對應(yīng)的語音提示通過揚(yáng)聲器播報，并將結(jié)果顯示在顯示器上，醫(yī)護(hù)人員根據(jù)顯示和語音進(jìn)行相應(yīng)救護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于腦-機(jī)接口的醫(yī)患交互方法，其特征在于步驟3所述的進(jìn)行腦電信號分析處理，步驟如下 步驟3. I :信號預(yù)處理； 對采集到的實(shí)時腦電信號進(jìn)行累加平均的預(yù)處理，提取出誘發(fā)腦電信號； 步驟3. 2 :對預(yù)處理后的腦電信號進(jìn)行特征提??； 步驟3. 3 :利用K-近鄰分類算法對選取的主要特征的特征向量進(jìn)行識別分類。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于腦-機(jī)接口的醫(yī)患交互方法，其特征在于步驟3.2所述的對預(yù)處理后的腦電信號進(jìn)行特征提取，步驟如下 步驟3. 2. I :利用小波變換將腦電信號進(jìn)行小波分解，提取小波分解系數(shù)作為初始特征參數(shù)； 步驟3. 2. 2 :對小波變換后提取的小波分解系數(shù)進(jìn)行AR功率譜估計，提取腦電信號功率特征參數(shù)； 步驟3. 2. 3 :利用主成分分析方法進(jìn)行主要特征選擇。
全文摘要
一種基于腦-機(jī)接口的醫(yī)患交互方法，采用的基于腦-機(jī)接口的醫(yī)患交互系統(tǒng)包括腦電采集模塊和腦電分析及醫(yī)患交互模塊；該方法包括以下步驟設(shè)定不同頻率的視覺刺激信號并顯示在顯示器上，通過0與1的不同組合編碼(00，01，10，11)映射成四個命令的控制；電極實(shí)時采集受試者腦電信號，經(jīng)放大后送至計算機(jī)；進(jìn)行腦電信號分析處理；識別結(jié)果對應(yīng)的語音提示通過揚(yáng)聲器播報，并將結(jié)果顯示在顯示器上，醫(yī)護(hù)人員根據(jù)顯示和語音進(jìn)行相應(yīng)救護(hù)。腦-機(jī)接口技術(shù)能夠識別大腦狀態(tài)進(jìn)而及時準(zhǔn)確地驅(qū)動外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)通信與控制。不同頻率的視覺刺激能有效地激發(fā)大腦產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位，通過計算機(jī)的信號計算與處理功能，實(shí)現(xiàn)不同頻率刺激下腦電信號的準(zhǔn)確識別，并通過結(jié)果顯示與語音提示方式實(shí)現(xiàn)真正意義上的醫(yī)患交互。
文檔編號G06F19/00GK102708288SQ201210131869
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者劉紀(jì)紅, 孫宇舸, 許靜 申請人:東北大學(xué)