基于體感電刺激誘發(fā)p300的腦機(jī)接口系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于體感電刺激誘發(fā)P300的腦 機(jī)接口系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[000引 腦機(jī)接口炬rainComputerInte計ace,BCI)區(qū)別于一般的神經(jīng)傳導(dǎo)輸出通路，不 必通過正常的外圍神經(jīng)與肌肉系統(tǒng)即可建立大腦與外界的直接信息交互通道。研究BCI系 統(tǒng)的最初目的是為患有神經(jīng)和運動系統(tǒng)疾病的患者提供一種與外界交流的方式，可W讓患 者用自己的思維意識控制外部設(shè)備，進(jìn)一步提高患者的生活品質(zhì)。隨著對該種技術(shù)的研究 逐步加深，腦機(jī)接口將會在神經(jīng)醫(yī)學(xué)和人工智能等眾多領(lǐng)域發(fā)揮出更大的應(yīng)用價值。
[0003] BCI系統(tǒng)是通過辨別大腦神經(jīng)活動的模式，對思維進(jìn)行解碼，并通過控制系統(tǒng)實 現(xiàn)與外界環(huán)境的交流，完成從大腦的活動中解讀出人的意圖該一過程的。由于腦電信號 (Electroencephalogram,EEG)的時間分辨率具有很大優(yōu)勢，且頭皮腦電采集方式為無創(chuàng)， 所W腦機(jī)接口主要使用腦電作為輸入信號。
[0004] 目前很多腦機(jī)接口系統(tǒng)提取的腦電信號是基于誘發(fā)電位的，其中最常用的是事件 相關(guān)電位巧vent-relatedpotentials,ERP)中的P300,它是大腦認(rèn)知過程中的一種誘發(fā) 電位，是在刺激后經(jīng)過大約300ms的潛伏期之后，產(chǎn)生的一個正向波峰。腦機(jī)接口系統(tǒng)按刺 激的模式來分的話，可分為聽覺、視覺和感覺單一感覺通道或跨感覺通道的腦機(jī)接口系統(tǒng)。
[0005] 現(xiàn)有的腦機(jī)接口系統(tǒng)主要依賴使用者對來自視覺和/或聽覺的刺激加W關(guān)注，存 在的主要缺點包括；（1)腦機(jī)接口系統(tǒng)操作過程對使用者正常的視覺和/或聽覺過程產(chǎn)生 干擾，同時也對腦機(jī)接口系統(tǒng)的正確率造成負(fù)面影響；(2)不適用于視覺和/或聽覺功能受 損的人群；（3)沒有對體感信息W及刺激位置信息加W利用，限制了腦機(jī)接口的應(yīng)用場景 和實驗范式的組合數(shù)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種利用人體體感神經(jīng)功能的、不影響正常視聽功能、適 合于多通道輸入設(shè)計的基于體感電刺激誘發(fā)P300的腦機(jī)接口系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。該方法 有利于制作便于攜帶的腦機(jī)接口系統(tǒng)，設(shè)計合理、容易使用、精度高且適用范圍廣泛。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取W下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[000引一種基于體感電刺激誘發(fā)P300的腦機(jī)接口系統(tǒng)，包括體感電刺激編碼器、陣列式 電刺激電極、腦誘發(fā)電位檢測電路、腦誘發(fā)信號處理和分類模塊；所述體感電刺激編碼器用 于編碼并產(chǎn)生電刺激序列輸出到陣列式電刺激電極的輸入端；所述陣列式電刺激電極將電 刺激信號傳遞到人體的不同部位；腦誘發(fā)電位檢測電路采集對應(yīng)不同位置電刺激信號的人 體頭皮腦電信號并輸出至腦誘發(fā)電位處理和分類模塊；所述腦誘發(fā)電位處理和分類模塊對 腦誘發(fā)電位檢測電路采集到的信號進(jìn)行特征提取和分類并識別和解碼使用者對不同位置 電刺激的注意選擇。
[0009] 而且，所述的陣列式電刺激電極有多個，并與人體不同部位相連接。
[0010] 而且，所述陣列式電刺激電極的刺激位置為人體的體表，包括人體的手部、腳部、 上肢、下肢，W及身體軀干的其他部位。
[0011] 而且，所述腦誘發(fā)電位檢測電路是通過體表電極作為傳感器拾取頭皮腦電信號 的，頭皮腦電信號的采集使用單極導(dǎo)聯(lián)方式。
[0012] 而且，所述腦誘發(fā)電位處理和分類模塊由數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、濾波模塊、波形分析模 塊、特征提取模塊W及判別分類模塊構(gòu)成。
[0013] 一種基于體感電刺激誘發(fā)P300的腦機(jī)接口系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括W下步驟：
[0014] (1)體感電刺激編碼器編碼電刺激序列并輸出與編碼電刺激序列相對應(yīng)的電刺 激；
[0015] (2)電刺激經(jīng)由陣列式電刺激電極傳遞到人的不同部化使用者注意到特定位置 的刺激后，其腦電波形中可出現(xiàn)由此刺激所誘發(fā)的P300信號；
[0016] (3)腦誘發(fā)電位檢測電路采集到腦電P300信號；
[0017] (4)腦誘發(fā)信號處理和分類模塊對腦電信號開展預(yù)處理工作，并針對腦電中特異 性的P300信號進(jìn)行特征提取，得到特征向量；
[0018] (5)腦誘發(fā)信號處理和分類模塊通過判別分類模塊對特征向量進(jìn)行分類并對比刺 激編碼的時序，解碼出使用者所注意的特定電極及其位置。
[0019] 而且，所述步驟（4)的具體實現(xiàn)步驟為：
[0020] (1)對腦電信號進(jìn)行預(yù)處理；
[0021] (2)對預(yù)處理后的信號進(jìn)行基于頻域的濾波；
[0022] (3)根據(jù)信號噪聲情況，若出現(xiàn)基線偏移情形，則開展基線校正；
[0023] (4)對數(shù)據(jù)合理降采樣并分段后，通過疊加平均方法或單次提取方法，獲取到腦電 響應(yīng)信號的波形；
[0024](5)根據(jù)刺激發(fā)生前后的腦電信號進(jìn)行對比分析，獲取腦電信號響應(yīng)的特征向量。
[0025] 而且，所述步驟（2)的具體實現(xiàn)方法為；體感電刺激編碼器接受腦誘發(fā)信號處理 和分類模塊發(fā)送的控制指令，根據(jù)刺激在人體表面的不同位置進(jìn)行編碼，生成電刺激序列， 并依照電刺激序列對陣列式電刺激電極控制輸出電刺激，電刺激經(jīng)由陣列式電刺激電極傳 遞到人體上的不同位置，其刺激強(qiáng)度處于人體安全電壓范圍內(nèi)。
[0026] 而且，人體的不同部位包括人體的手部、腳部、上肢、下肢W及身體的其他部位。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：
[002引 1、本發(fā)明使用體感刺激模式誘發(fā)P300,W人腦對身體不同位置電刺激的注意作為 一種新的腦機(jī)接口新模態(tài)，并W對與身體不同位置注意相關(guān)的P300腦電波特征作為腦機(jī) 接口的輸入信號，為腦機(jī)接口系統(tǒng)提供一種新的輸入模式。該種新穎的方案不影響也不依 賴于使用者的視聽感覺通道，對于視覺和/或聽覺能力受損的人群也可適用，該種新的腦 機(jī)接口模式擴(kuò)展了腦機(jī)接口的應(yīng)用范圍，適用人群更廣泛。
[0029] 2、本發(fā)明與基于視覺和/或聽覺的腦機(jī)接口系統(tǒng)相比，由于電刺激在實驗中更不 易受正常視覺和/或聽覺信息的干擾，檢測效果更準(zhǔn)確，其通過受試者注意不同部位的電 刺激誘發(fā)P300,而不需要設(shè)定大概率的非注意刺激，因而提高了刺激效率。
[0030] 3、本發(fā)明與基于聽覺、視覺和感覺通道的腦機(jī)接口系統(tǒng)不同，基于體感電刺激誘 發(fā)P300的腦機(jī)接口更加容易實現(xiàn)，可W適用于更廣泛的感覺刺激位置，生成大量的刺激模 式和腦機(jī)接口組合，同時可W刺激周圍神經(jīng)系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)連接示意圖；
[0032] 圖2是體感刺激電極分布示意圖；
[0033] 圖3是刺激編碼序列不意圖；
[0034] 圖4是刺激選擇與非選擇所誘發(fā)的P300波形圖。
【具體實施方式】
[0035]W下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進(jìn)一步詳述：
[0036] 首先參考圖1，框圖依照本發(fā)明的一個實施例示出了一個基于身體不同位置體感 電刺激誘發(fā)腦電P300信號的腦機(jī)接口系統(tǒng)。系統(tǒng)100包括但不限于腦誘發(fā)電位檢測電路 101、腦誘發(fā)信號處理和分類模塊102、體感電刺激編碼器103、陣列式電刺激電極104。在一 個實施例中，系統(tǒng)100是由一個或多個組件（如；腦誘發(fā)電位檢測電路101、腦誘發(fā)信號處 理和分類模塊102、體感電刺激編碼器103、陣列式電刺激電極104)構(gòu)成的硬件系統(tǒng)。在另 一實施例中，系統(tǒng)100是由包括本發(fā)明的實施例的一個或多個應(yīng)用和/或軟件系統(tǒng)和腦電 硬件系統(tǒng)構(gòu)成的集成軟硬件應(yīng)用系統(tǒng)，如；體感電刺激腦機(jī)接口操縱系統(tǒng)。
[0037] 圖1中，所述體感電刺激編碼器103用于編碼電刺激序列并輸出與編碼刺激序列 相對應(yīng)的電刺激，體感電刺激編碼器103的輸出端與陣列式電刺激電極104的輸入端相連； 所述陣列式電刺激電極104可W產(chǎn)生電刺激信號并傳遞到人體的不同部位，陣列式刺激電 極104可處于身體不同位置，例如可W在手指、或上下肢、或任何可區(qū)別身體不同部位的位 置，在本實施例中，陣列式電刺激電極有4個，并可W與人體的2或3或4個不同部位相連。 腦誘發(fā)電位檢測電路101用于采集人體的頭皮腦電信號，在一個優(yōu)選的實施例中，其采集 P300信號可作為誘發(fā)腦電信號。腦誘發(fā)電位檢測電路101的輸出端連接到腦誘發(fā)電位處理 和分類模塊102。在一個優(yōu)選的實施例中，所述腦誘發(fā)電位處理和分類模塊102可包括數(shù)據(jù) 預(yù)處理模塊、濾波模塊、波形分析模塊、特征提取模塊W及判別分類模塊，所述腦誘發(fā)電位 處理和分類模塊102可對腦誘發(fā)電位檢測電路采集到的P300信號進(jìn)行特征提取和分類并 組成特征向量，用W識別和解碼使用者所關(guān)注的特定身體位置。
[003引一種基于身體不同位置體感電刺激誘發(fā)腦電P300信號的腦機(jī)接口系統(tǒng)的實現(xiàn)方 法：
[0039] (1)體感電刺激編碼器103編碼電刺激序列并輸出與編碼電刺激序列相對應(yīng)的電 刺激；
[0040] (2)電刺激經(jīng)由陣列式電刺激電極104傳遞到人的不同部化使用者注意到特定 位置的刺激后，其腦電波形中可出現(xiàn)由此刺激所誘發(fā)的P300信號；
[0041] (3)腦誘發(fā)電位檢測電路101采集到腦電P300信號；
[0042] (4)腦誘發(fā)信號處理和分類模塊102對腦電信號開展預(yù)處理工作，并針對腦電中 特異性的P300信號進(jìn)行特征提取，得到特征向量，具體方法為：
[0043] (i)對腦電信號進(jìn)行預(yù)處理；
[0044] (ii)對預(yù)處理后的信號進(jìn)行基于頻域的濾波；
[0045] (iii)根據(jù)信號噪聲情況，若出現(xiàn)基線偏移情形，則開展基線校正；
[0046] (iv)對數(shù)據(jù)合理降采樣并分段后，通過疊加平均方法或單次提取方法，獲取到腦 電響應(yīng)信號的波形；
[0047] (V)根據(jù)刺激發(fā)生前后的腦電信號進(jìn)行對比分析，獲取腦電信號響應(yīng)