專利名稱：前額腦電與血氧信息融合的人機(jī)交互方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及腦-機(jī)接口技術(shù)領(lǐng)域，具體講，涉及前額腦電與血氧信息融合的人機(jī)交互裝置。
背景技術(shù)：
第一次腦-機(jī)接口(Brain-Computer Interface，BCI)國際會(huì)議給出的BCI的定義是“BCI是一種不依賴于大腦外圍神經(jīng)與肌肉正常輸出通道的通訊控制系統(tǒng)。”目前的研究成果中，它主要是通過采集和分析不同狀態(tài)下人的腦電信號(hào)，然后使用一定的工程技術(shù)手段在人腦與計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備之間建立起直接的交流和控制通道，從而實(shí)現(xiàn)一種全新的信息交換與控制技術(shù)，可以為殘疾人特別是那些喪失了基本肢體運(yùn)動(dòng)功能但思維正常的病人提供一種與外界進(jìn)行信息交流與控制的途徑。即可以不需語言或肢體動(dòng)作，直接通過控制腦電來表達(dá)意愿或操縱外界設(shè)備。為此，BCI技術(shù)也越來越受到重視。到目前為止，最常用的BCI系統(tǒng)大都是基于腦電信息的，近年來出現(xiàn)了基于腦血氧信息的BCI系統(tǒng)。其技術(shù)原理是一致的。如圖1所示，含有操作控制意圖的腦電信息(血氧信息)通過電極(探測器)從頭皮或顱內(nèi)獲得，經(jīng)過信號(hào)處理提取反映使用者意圖的腦電信息(血氧信息)特征，并將之轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的操作命令。并且BCI研究的主要應(yīng)用目標(biāo)是幫助肢體嚴(yán)重癱瘓的殘疾人操縱和使用周邊日常生活工具，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的信息交流和設(shè)備控制。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的主旨是提出一種新的將想象動(dòng)作誘發(fā)的前額腦電與腦血氧兩類信息的變化特征相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同動(dòng)作模式的識(shí)別的研究方法，以及設(shè)計(jì)一種新的同步采集這兩類信息變化特征的人_機(jī)交互裝置。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是前額腦電與血氧信息融合的人機(jī)交互方法，其特征是，借助于下列裝置實(shí)現(xiàn)近紅外光光源，用于發(fā)光照射到大腦皮層；光電探測器，用于探測反射回的光強(qiáng)，光強(qiáng)信息發(fā)生的變化間接反映腦血氧的變化；濾波和后級(jí)放大電路，用于對(duì)光電探測器輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，濾波和放大后的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)；腦電電極，用于探測功率譜比率下降ERD信號(hào)；腦電放大器，用于對(duì)腦電電極輸出信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，濾波和放大后的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)；
所述方法包括下列步驟 對(duì)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析_短時(shí)傅里葉變換分析，用于以短時(shí)傅里葉變換方法得到腦電信號(hào)的二維時(shí)頻圖譜；對(duì)不同模式的想象動(dòng)作之間的可分性作Fisher分析，得到Fisher系數(shù)的二維時(shí)頻圖譜，從圖譜上找到Fisher系數(shù)明顯較大的位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間段和頻率段，這樣取得的時(shí)頻窗以及它對(duì)應(yīng)到短時(shí)傅里葉變換得到的二維時(shí)頻圖的時(shí)頻窗后得到功率譜密度值作為提取到的一個(gè)特征；用于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行離散Fourier變換分析，經(jīng)過變換之后，時(shí)域的腦血氧信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，從得到的頻域信號(hào)，也就是頻譜圖上尋找頻率段的特征；將提取到的特征用來訓(xùn)練SVM分類器，訓(xùn)練后得到一個(gè)模型，然后再利用這個(gè)模型來對(duì)未知模式類型的想象動(dòng)作進(jìn)行分類，得到的結(jié)果即為未知模式想象動(dòng)作的模式識(shí)別結(jié)果以及得到識(shí)別正確率。使近紅外光光源發(fā)出的近紅外光波長為760nm和850nm。對(duì)所述濾波和后級(jí)放大電路中的后級(jí)放大電路采用可調(diào)增益的同相比例運(yùn)算電路；采用二階巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行濾波。將腦電電極附著在成人頭部前額葉皮層的背外側(cè)和部分腹外側(cè)腦區(qū)，外側(cè)用特殊遮光材料將表面除光源和探測器之外其余部分都覆蓋，源標(biāo)距設(shè)定為2. 89cm。本發(fā)明特點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)過程在前額上進(jìn)行，方便操作的同時(shí)，也避免了頭發(fā)及頭皮對(duì)信號(hào)采集的影響，也可讓身體癱瘓但頭腦功能正常的殘疾人在使用該裝置時(shí)避免了使用前后洗頭的必要。進(jìn)一步研究可以得到完善的腦-機(jī)接口系統(tǒng)，有望獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。


圖IBCI系統(tǒng)及其控制。圖2本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖3Hb02和Hb在近紅外光譜區(qū)的吸收系數(shù)。圖4蒙特卡洛仿真示意圖。圖5恒流源電路設(shè)計(jì)。圖6前額探測裝置布局。圖7后級(jí)放大濾波電路圖。圖8想象動(dòng)作任務(wù)時(shí)段分布圖。圖9想象動(dòng)作任務(wù)靜息期界面。圖10想象動(dòng)作任務(wù)提示期界面。 圖11想象動(dòng)作任務(wù)想象期界面。圖12實(shí)驗(yàn)采集程序的流程框圖。
具體實(shí)施例方式發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于想象動(dòng)作的腦電與腦血氧同步采集的人-機(jī)交互裝置。正常人在進(jìn)行想象左右手動(dòng)作時(shí)會(huì)在相應(yīng)功能區(qū)產(chǎn)生我們稱之為事件相關(guān)去同步現(xiàn)象(EventRelated Desynchronization, ERD)的腦電特征信號(hào)，而同時(shí)也會(huì)引起腦部血氧信息的變化，這種變化可以通過近紅外光譜技術(shù)(Near-infrared spectroscopy, NIRS)來測得。本裝置就設(shè)計(jì)將想象動(dòng)作引起的這兩類信號(hào)的變化特征結(jié)合起來對(duì)不同模式的想象動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別，以期能夠?qū)崿F(xiàn)兩者的同步與結(jié)合，并得到更高的識(shí)別準(zhǔn)確率。其技術(shù)流程是搭建好一個(gè)能夠在人頭部前額區(qū)域同時(shí)對(duì)腦電和腦血氧變化信息進(jìn)行采集的裝置，然后在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)指導(dǎo)下，采集操作者的在執(zhí)行不同模式想象動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的腦電和腦血氧信號(hào)數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)后再進(jìn)行一定的預(yù)處理、時(shí)頻分析、Fisher可分性分析，最后使用支持向量機(jī)或隱馬爾科夫模型對(duì)不同模式的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，得到更高的正確率。
本發(fā)明選用了腦電信息中的ERD特征和腦血氧信息中的特征變化作為特征控制信號(hào)。當(dāng)人對(duì)肢體動(dòng)作進(jìn)行想象的時(shí)候動(dòng)態(tài)腦電信號(hào)特征頻段功率譜密度就會(huì)發(fā)生改變， 其中功率譜比率下降稱為ERD，通常在10-12HZ最為明顯；同時(shí)腦血流中的含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白的濃度發(fā)生變化，可以提取到濃度變化引起的光譜強(qiáng)度變化特征。由此可以利用大腦在進(jìn)行想象動(dòng)作思維時(shí)所引發(fā)的ERD現(xiàn)象和血氧變化特征現(xiàn)象作為思維活動(dòng)對(duì)刺激事件有效應(yīng)答的標(biāo)志。區(qū)別于傳統(tǒng)腦電裝置，本發(fā)明將想象動(dòng)作誘發(fā)的腦電ERD現(xiàn)象和血氧變化現(xiàn)象兩種不同的特征信息有機(jī)地融合在一起，設(shè)計(jì)了一種新型的復(fù)合型裝置。 通過在受試者前額上與C3、C4相對(duì)的位置放置Ag-Agcl電極來檢測腦電ERD特征，同時(shí)在前額上按一定布局放置近紅外光源和探測器以檢測血氧信息的變化，從而提取受試者想象動(dòng)作時(shí)的腦電與腦血氧信息的變化特征用作識(shí)別不同動(dòng)作模式的分類標(biāo)準(zhǔn)。該裝置的實(shí)驗(yàn)操作過程在前額進(jìn)行，相對(duì)頭部腦電裝置的實(shí)驗(yàn)操作要簡單，只需解決兩類信息同步采集的問題即可。圖2為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該設(shè)計(jì)包括腦電電極和腦電放大器，近紅外光源及探測器和光源恒流驅(qū)動(dòng)，后級(jí)放大、濾波電路，數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等部分。采集腦電和腦血氧信息的實(shí)驗(yàn)程序是在Labview平臺(tái)下設(shè)計(jì)的，使用多通道的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)想象動(dòng)作時(shí)腦部兩類信息的同步采集。受試者由計(jì)算機(jī)屏幕上的實(shí)驗(yàn)例程指示進(jìn)行相應(yīng)的想象動(dòng)作任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)時(shí)腦電和腦血氧信息都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化腦電信號(hào)在大腦皮層產(chǎn)生，由腦電電極探測后經(jīng)過腦電放大器放大、濾波，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)；腦血氧信號(hào)則是在光源發(fā)光照射到大腦皮層后，由探測器探測反射回的光強(qiáng)信息發(fā)生的變化間接反映腦血氧的變化，該信號(hào)經(jīng)過后繼放大、濾波后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)。采集到得腦電和腦血氧信息數(shù)據(jù)再經(jīng)過后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提取其在想象動(dòng)作任務(wù)時(shí)的特征信號(hào)，從而將這些特征應(yīng)用于未知想象動(dòng)作模式時(shí)同類實(shí)驗(yàn)任務(wù)的模式識(shí)別。本發(fā)明要點(diǎn)在于近紅外光譜技術(shù)測量腦部血氧信息變化的原理、想象動(dòng)作誘發(fā)的腦電與腦血氧變化信號(hào)采集裝置的設(shè)計(jì)、同步采集實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征提取及模式識(shí)別等技術(shù)環(huán)節(jié)。1近紅外光譜技術(shù)測量腦部血氧信息變化的原理近紅外光譜技術(shù)Near-Infrared Spectroscopy (NIRS)，是指通過研究物質(zhì)在近紅外光區(qū)的吸收光譜來得知物質(zhì)特性和濃度等的一種技術(shù)。其檢測腦部血流變化的原理是大腦的血流供應(yīng)會(huì)隨著功能活動(dòng)的局部變化而產(chǎn)生局部響應(yīng)。當(dāng)大腦處于激活狀態(tài)時(shí)， 會(huì)引起局部腦血流與氧代謝率改變，從而引起相應(yīng)區(qū)域內(nèi)血氧濃度的變化。人體組織對(duì)近紅外光700-900nm呈現(xiàn)高度前向散射和低吸收特性，使光子能夠穿透幾個(gè)厘米的深度；Hb02和Hb在近紅外光譜區(qū)的吸收系數(shù)有明顯差異。腦血氧信息中的 Hb02和Hb的濃度變化由相應(yīng)波長處光強(qiáng)度的變化來計(jì)算(修正后的雙波長Lambert-Beer 定律)。(1)、最佳波長的選取上述原理中提到的兩個(gè)波長該如何選取，是首先應(yīng)該考慮的問題。成人腦組織中， 水的體積分?jǐn)?shù)很高，因此水的吸收對(duì)近紅外血氧檢測有很大影響。而水的光吸收作用在 700-900nm(“光窗口”區(qū))相對(duì)較低。在該光窗口內(nèi)水可視作固定不變的吸收物質(zhì)，就可以當(dāng)作常數(shù)考慮。實(shí)際臨床中腦脊液的吸收特性與水相當(dāng)，也當(dāng)作常數(shù)。腦組織中的其他成分，如脂肪、黑色素、細(xì)胞色素氧化酶等這些成分 基本不隨供氧狀況而改變，在前期研究階段可看作穩(wěn)定吸收體，因此最佳波長的選取主要依據(jù)Hb和Hb02光譜特性。上述兩類血紅蛋白的近紅外吸收特性見圖3。在光窗口區(qū)，兩者的吸收光譜都存在峰值。從圖上可以看出在760nm波長，Hb吸收達(dá)到峰值；在850nm波長，Hb02達(dá)到吸收峰值。因此，我們選取760nm和850nm這兩個(gè)波長的近紅外光以用于腦血氧信息的檢測。(2)、源標(biāo)距的確定源標(biāo)距是指光源與目標(biāo)測試點(diǎn)之間的水平距離。在本設(shè)計(jì)中，即指近紅外光源與光探測器之間的水平距離。文獻(xiàn)表明，源標(biāo)距對(duì)光束的穿透深度影響很大，因此只有反射式才能達(dá)到頭部組織的測量目的。人體組織對(duì)近紅外光的散射大于吸收，屬于強(qiáng)散射介質(zhì)。單個(gè)光子在組織中的傳播是隨機(jī)的，不存在確定的光子行進(jìn)的路徑長度。但大量光子仍存在概率意義上的平均遷移規(guī)律，這可以通過蒙特卡洛仿真的方法得到，如圖4所示。結(jié)果證明，光子能夠在源標(biāo)距 (圖4中r)設(shè)定為2. 89cm的情況下，穿透至少Icm后的頭皮、頭骨和腦脊液層，探測大腦皮
層的血氧信息。2想象動(dòng)作誘發(fā)的腦電與腦血氧變化信號(hào)采集裝置的設(shè)計(jì)(1)、光源及光源恒流驅(qū)動(dòng)采用EPITEX公司生產(chǎn)的型號(hào)為SMT-L760/805/850的三波長發(fā)光二極管作為光源。芯片內(nèi)部集成了測量所需的760、805、850nm三個(gè)波長的LED，以保證組織血氧變化時(shí) Hb02和Hb對(duì)不同波長光吸收的差動(dòng)效應(yīng)。采用多波長一體化光源不僅可以優(yōu)化探頭體積， 而且能夠充分消除普通的分立型發(fā)光二極管因?yàn)榭臻g位置離散對(duì)測量結(jié)果造成的影響。該型號(hào)的發(fā)光二極管正常工作需要給予穩(wěn)定的電流供電，故需利用電壓基準(zhǔn)設(shè)計(jì)恒流源電路。本設(shè)計(jì)采用穩(wěn)壓管作為電壓基準(zhǔn)，結(jié)合三極管組成恒流源，如圖5所示。電流計(jì)算公式為I = (Vd-Vbe)/Rl0這樣輸出的恒流可以為電源供電，通過選擇Rl來滿足電流要求。其中760nm發(fā)光二極管需75mA電流供電，850nm發(fā)光二極管需要IOOmA電流供電。(2)、探測器采用BURR-BROWN公司生產(chǎn)的0PT101作為光信號(hào)探測單元，該器件內(nèi)部集成了一個(gè)雪崩光電二極管和前置放大器，減少了分立元件的許多常見問題，如漏電流產(chǎn)生的誤差，雜散電容產(chǎn)生的噪聲和增益畸變等。(3)、腦電電極本系統(tǒng)采用Spes Medica公司生產(chǎn)的銀-氯化銀電極作為傳感器拾取前額腦電信號(hào)。腦電信號(hào)采集使用單極導(dǎo)聯(lián)方式(優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)導(dǎo)聯(lián)記錄的是電極所在頭皮電位活動(dòng)的絕對(duì)值，便于后 期信號(hào)處理)，并以雙耳的公共連接作參考電極，同時(shí)后者也作為接地端輸入放大器。(4)、布局設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)覆蓋成人頭部前額葉皮層的背外側(cè)和部分腹外側(cè)腦區(qū)，外側(cè)用特殊遮光材料將表面除光源和探測器之外其余部分都覆蓋，如圖6所示。紅色點(diǎn)和白色點(diǎn)分別表示光源和探測器的位置，根據(jù)之前分析，源標(biāo)距設(shè)定為2. 89cm，從而得到如圖布局；而綠色點(diǎn)則表示腦電電極的位置。遮光材料可達(dá)到排除外界雜散光的干擾、防止近紅外光不經(jīng)過組織衰減而直接耦合到探測器上、避免器件直接接觸皮膚和確保被試者的安全。(5)、后級(jí)放大、濾波電路設(shè)計(jì)人體的各種信號(hào)幅度都是比較小且容易摻雜噪聲的，需要進(jìn)行放大和濾波處理。 腦電電極采集到得腦電信號(hào)直接進(jìn)入腦電放大器(SYMT0P公司生產(chǎn)的9216SM型EEG信號(hào)放大器)，在放大器內(nèi)完成放大和濾波；而血氧信號(hào)由探測器探測到后還需要進(jìn)一步后級(jí)放大和濾波。該設(shè)計(jì)采用可調(diào)增益的同相比例運(yùn)算電路作為后級(jí)放大電路，它可以避免前級(jí)輸出的微弱信號(hào)失真同時(shí)提高共模抑制比；降低輸出電阻，便于和數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端級(jí)聯(lián)。采用二階巴特沃斯低通濾波器增加系統(tǒng)對(duì)高頻噪聲的抑制能力，對(duì)IOKHz以上的噪聲信號(hào)有極大的抑制，因此對(duì)于大多數(shù)空間的電磁干擾能夠很好的排除。具體參看圖 7。經(jīng)過放大和濾波后的腦電和腦血氧信號(hào)都與數(shù)據(jù)采集卡(Ni公司生產(chǎn)的 USB-6251)的模擬輸入端級(jí)聯(lián)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到計(jì)算機(jī)中形成數(shù)據(jù)文件。3同步采集實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)在硬件系統(tǒng)搭建完成后，就要完善硬件系統(tǒng)的軟支持，也就是實(shí)驗(yàn)采集程序、方案。在Labview平臺(tái)下編寫實(shí)驗(yàn)采集程序，實(shí)現(xiàn)使用數(shù)據(jù)采集卡的多輸入通道同步采集腦電和腦血氧信號(hào)。單次實(shí)驗(yàn)的過程如圖8所示，其中每一次想象動(dòng)作任務(wù)用時(shí)28秒，包括四個(gè)連續(xù)的記錄時(shí)段(圖8)第一時(shí)段(0-8秒)為靜息期，此時(shí)段中受試者處于安靜無動(dòng)作狀態(tài)(圖9)；第二時(shí)段(第9-10秒)為提示期，系統(tǒng)于第8秒時(shí)刻處隨機(jī)點(diǎn)亮標(biāo)注為想象左手的燈或想象右手的燈，作為本次實(shí)驗(yàn)的想象方式提示。若提示為想象左手，受試者在第三時(shí)段想象自己左上肢做屈臂運(yùn)動(dòng)；若提示為想象右手，則受試者在第三時(shí)段想象自己右上肢做屈臂運(yùn)動(dòng)(圖10)；第三時(shí)段(第11-20秒)為想象期，在第10秒鐘時(shí)刻標(biāo)注為開始的燈會(huì)點(diǎn)亮，受試者按照提示期所給出的想象方式進(jìn)行想象動(dòng)作(圖11)；第四時(shí)段(第 21-28秒)為靜息期，為想象期之間的間歇期，此時(shí)段與第一時(shí)段一樣所有提示燈會(huì)熄滅。該實(shí)驗(yàn)采集程序的編寫是按照如圖12所示框圖的流程進(jìn)行的，由信號(hào)采集模塊對(duì)輸入采集卡模擬輸入端的腦電和腦血氧信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊后存儲(chǔ)為帶有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)再在后續(xù)的模式識(shí)別模塊中進(jìn)行處理。4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征提取及模式識(shí)別4.1腦電數(shù)據(jù)的特征提取(1)、時(shí)頻分析-短時(shí)傅里葉變換由于想象動(dòng)作引起的腦電ERD現(xiàn)象有著特定的發(fā)生頻段和相對(duì)于誘發(fā)刺激固定的時(shí)間延遲，因此可以采用短時(shí)傅里葉變換結(jié)合疊加平均的方法對(duì)刺激前后的頻譜成分變化以及分布特點(diǎn)進(jìn)行分析。常用的譜分析方法中暗含著對(duì)于處理信號(hào)的平穩(wěn)性假設(shè)，也即是假設(shè)信號(hào)的頻譜成分在整個(gè)時(shí)間軸上是同分布的，而對(duì)于時(shí)間相關(guān)的誘發(fā)動(dòng)態(tài)腦電信號(hào)而言，這一假設(shè)顯然不成立。針對(duì)這種情況，替代方法是使用可以同時(shí)提取時(shí)域與頻域信息的時(shí)頻分析方法，短時(shí)傅里葉分析是目前常用的時(shí)頻分析方法之一，它假設(shè)腦電信號(hào)具有一定程度的短時(shí)平穩(wěn)性，也即是在一個(gè)有限的時(shí)間窗內(nèi)信號(hào)的頻譜分布式不變的。短時(shí)傅里葉變換的方法是首先使用一個(gè)有限寬度的觀察窗W(t)對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行觀察，然后對(duì)加窗后的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換得到的，
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權(quán)利要求
1.一種前額腦電與血氧信息融合的人機(jī)交互方法，其特征是，借助于下列裝置實(shí)現(xiàn)近紅外光光源，用于發(fā)光照射到大腦皮層；光電探測器，用于探測反射回的光強(qiáng)，光強(qiáng)信息發(fā)生的變化間接反映腦血氧的變化；濾波和后級(jí)放大電路，用于對(duì)光電探測器輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，濾波和放大后的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)；腦電電極，用于探測功率譜比率下降ERD信號(hào)；腦電放大器，用于對(duì)腦電電極輸出信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，濾波和放大后的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)；所述方法包括下列步驟對(duì)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析_短時(shí)傅里葉變換分析，用于以短時(shí)傅里葉變換方法得到腦電信號(hào)的二維時(shí)頻圖譜；對(duì)不同模式的想象動(dòng)作之間的可分性作Fisher分析，得到Fisher系數(shù)的二維時(shí)頻圖譜，從圖譜上找到Fisher系數(shù)明顯較大的位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間段和頻率段，這樣取得的時(shí)頻窗以及它對(duì)應(yīng)到短時(shí)傅里葉變換得到的二維時(shí)頻圖的時(shí)頻窗后得到功率譜密度值作為提取到的一個(gè)特征；用于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行離散Fourier變換分析，經(jīng)過變換之后，時(shí)域的腦血氧信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，從得到的頻域信號(hào)，也就是頻譜圖上尋找頻率段的特征；將提取到的特征用來訓(xùn)練SVM分類器，訓(xùn)練后得到一個(gè)模型，然后再利用這個(gè)模型來對(duì)未知模式類型的想象動(dòng)作進(jìn)行分類，得到的結(jié)果即為未知模式想象動(dòng)作的模式識(shí)別結(jié)果以及得到識(shí)別正確率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種前額腦電與血氧信息融合的人機(jī)交互方法，其特征是， 使近紅外光光源發(fā)出的近紅外光波長為760nm和850nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種前額腦電與血氧信息融合的人機(jī)交互方法，其特征是， 對(duì)所述濾波和后級(jí)放大電路中的后級(jí)放大電路采用可調(diào)增益的同相比例運(yùn)算電路；采用二階巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行濾波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種前額腦電與血氧信息融合的人機(jī)交互方法，其特征是， 將腦電電極附著在成人頭部前額葉皮層的背外側(cè)和部分腹外側(cè)腦區(qū)，外側(cè)用特殊遮光材料將表面除光源和探測器之外其余部分都覆蓋，源標(biāo)距設(shè)定為2. 89cm。
全文摘要
本發(fā)明涉及腦-機(jī)接口技術(shù)領(lǐng)域。為提供一種新的將想象動(dòng)作誘發(fā)的前額腦電與腦血氧兩類信息的變化特征相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同動(dòng)作模式的識(shí)別的研究方法，以及設(shè)計(jì)一種新的同步采集這兩類信息變化特征的人-機(jī)交互裝置，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是前額腦電與血氧信息融合的人機(jī)交互方法，包括借助于近紅外光光源、光電探測器、濾波和后級(jí)放大電路、腦電電極、腦電放大器、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)用于信號(hào)變換、處理得到結(jié)果。本發(fā)明主要應(yīng)用于前額腦電與血氧信息融合的人機(jī)交互裝置的設(shè)計(jì)制造。
文檔編號(hào)G06F3/01GK102156541SQ20111008998
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2010年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者萬柏坤, 劉延剛, 明東, 曾紅梅, 綦宏志, 許敏鵬 申請(qǐng)人:天津大學(xué)