專利名稱：牙齒動作狀態(tài)的腦肌電的實時檢測控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于認知與智能計算領(lǐng)域，特別涉及人機交互領(lǐng)域，具體是指ー種牙齒動作的多種狀態(tài)的腦肌電的實時檢測的方法。
背景技術(shù)：
目前，公知的人機交互領(lǐng)域，人機交互控制手段包括手工(含手腳動作)、語音、意念交互控制方式。手工交互控制方式是主流，應(yīng)用廣泛而且成熟；語音識別交互控制方式，也在不斷發(fā)展完善；意念交互控制方式，還處于實驗研究向?qū)嵱棉D(zhuǎn)變的初級階段。公知的，手工交互控制非常成熟，但在手腳被控制任務(wù)占用或手腳殘疾等情形，就迫切需要補充其他交互控制手段。語音識別控制手段因個體差異、外界噪聲等導(dǎo)致狀態(tài)模糊、識別困難、準確度不高，雖然經(jīng)過多年的研究與推廣，仍無法滿足實際應(yīng)用需求。意念相比語音的控制識別研究，還處于非常初級的研究階段。目前，意念交互控制手段，或者識別動作狀態(tài)單一、準確度不高(比如運動想象)，或者準確度高、識別時間較長(比如P300，即視覺刺激下300毫秒后腦電波信號加強)。在手工交互控制手段外，語音、意念交互控制方式不能實現(xiàn)關(guān)鍵場合的多種狀態(tài)、可靠、實時控制。公知的，對意念控制方式的認識，具體請參閱以下文獻:
Gerwin Schalk (美)、Jurgen.Mellinger (美)著，胡三清譯，《BCI2000 與腦機接ロ》,國防エ業(yè)出版社2011年6月。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供ー種信號特征明顯、實時性強、可靠性高、數(shù)據(jù)處理簡便、低成本、便于廣泛推廣的牙齒動作的多種狀態(tài)實時檢測控制裝置及方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
該牙齒動作狀態(tài)的腦肌電的檢測控制裝置，包括采集模塊(I)和控制模塊(2)，其特點是，所述的裝置中還包括牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的傳感模塊(3)，所述的傳感模塊的輸出端與采集模塊的輸入端連接。該裝置的傳感模塊包括參考電極、C3和C4電極。根據(jù)牙齒動作的信號特征，分別利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和可變窗ロ方法來識別牙齒動作的不同狀態(tài)。牙齒動作可分為牙齒上下運動、水平運動和組合運動。牙齒上下運動，簡稱為咬牙；牙齒水平運動，簡稱為磨牙；牙齒組合運動，簡稱為咬磨牙。根據(jù)牙齒動作的信號特征，產(chǎn)生可識別的直接命令很多(比如咬牙動作12種)，組合命令甚至更多。該對上述的牙齒動作狀態(tài)的腦肌電的實時檢測控制裝置進行檢測控制的方法，其主要特點是，所述的方法包括以下步驟:
步驟(I)采集牙齒動作產(chǎn)生的腦肌電信號。可采用幾個相關(guān)的信號強度明顯的采集電極(比如，根據(jù)國際10-20標準電極分布系統(tǒng)，咬牙采用3個電極:參考電極、C3和C4)的采集設(shè)備，從而降低數(shù)據(jù)處理量，提高數(shù)據(jù)實時處理算法的效率。步驟(2)牙齒動作的信號分析。具體步驟如下:
a.首先對于采集的數(shù)據(jù)進行帶通濾波處理，去除信號基線漂移；
b.定位時序信號中牙齒動作產(chǎn)生信號的位置，并提取該信號；
c.量化提取的信號，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行適當分類，比如，將咬牙動作區(qū)分為左邊咬牙、右邊咬牙、左右兩邊同時咬牙三種狀態(tài)；將磨牙動作區(qū)分為左邊磨牙、右邊磨牙、中間磨牙ニ種狀態(tài)；
d.分析時域信號持續(xù)時間，比如，咬牙動作時，若時長超過I秒，則表示長咬狀態(tài)；若時長不超過I秒，則利用可變窗ロ方法，初始化窗口數(shù)量N計為I，逐漸調(diào)整窗ロ長度，若窗ロ長度大于閾值T，則N自動加I ;遍歷整個咬牙時序信號后，若N是為1，則表示咬I次，若N是2，則表示咬了 2次，若N是3，則表示咬了 3次。磨牙、咬磨牙動作的持續(xù)時間分析步驟與咬牙動作類同。步驟(3)整合上述步驟c和d的分類結(jié)果，可以區(qū)分出不同的牙齒動作狀態(tài)。比如，咬牙動作具體可分為:左咬一次、左咬兩次、左咬三次、左長咬、右咬一次、右咬兩次、右咬三次、右長咬、左右同時咬一次、左右同時咬兩次、左右同時咬三次、左右同時長咬。磨牙、咬磨牙動作的動作狀態(tài)區(qū)分步驟與咬牙動作類同。順序完成步驟(I)、步驟(2)、步驟(3)即可實現(xiàn)對多種狀態(tài)牙齒動作產(chǎn)生的腦肌電信號的實時檢測。采用本發(fā)明的牙齒動作狀態(tài)的腦肌電的實時檢測控制裝置方法，由于其牙齒動作迅速、隱蔽，獲得的控制命令直接、可靠、實時、準確、豐富，可作為手工控制方式之外的有效補充，容易獲得公眾、廠商、用戶、政府、軍事的認可，可廣泛應(yīng)用于エ業(yè)、商業(yè)、通訊、交通、醫(yī)療、教育、軍事、娛樂等領(lǐng)域，具有非常廣闊的實用性和應(yīng)用推廣前景。


圖1牙齒動作(以咬牙為例)信號采集原理圖 圖2牙齒動作(以咬牙為例)信號分析處理流程圖 圖3左咬一次波形圖
圖4左咬兩次波形圖 圖5左咬三次波形圖 圖6左長咬波形圖 圖7右咬一次咬波形圖 圖8右咬兩次波形圖 圖9右咬三次波形圖 圖10右長咬波形圖 圖11左右同時咬一次波形圖 圖12左右同時咬兩次波形圖 圖13左右同時咬三次波形圖 圖14左右同時長咬波形圖
具體實施例方式為了使對本發(fā)明內(nèi)容有進ー步了解，下文中配合相關(guān)實施及附圖作詳細說明:
本發(fā)明牙齒動作信號采集裝置如圖1所示。該裝置的主要信號電極包括:一個參考電極(11)、ー個C3腦電極(12)、ー個C4腦電極(13)以及起到固定作用且大小可調(diào)的支架
(14)。電極C3和電極C4分布在大腦左右兩側(cè)，采集記錄自主產(chǎn)生的大腦信號。參考電極11與人體的左耳相連，從而排除使用者身上的靜電以及エ頻(50HZ)的干擾。支架14主要起到固定電極作用，由于每個人的頭顱大小各異，采用可調(diào)節(jié)方式最大可能地使采集裝置佩戴合理。根據(jù)采集分析結(jié)果，也可以篩選其他信號特征強的電極做主要電極。列舉不同的牙齒動作控制方式，具體(以咬牙為例)如下:
Sll表示左邊咬一次牙，采集的信號如附圖3所示。S12表示左邊咬兩次牙，兩次咬牙間隔不可過長，否則會被檢測為兩個左咬一次，其信號如圖4所示。S13表示左邊咬牙三次，毎次咬牙間隔也不可過長，但總的時間不可超過I秒，其信號如圖5所示。S14表示左邊長咬，長咬要求持續(xù)時間超過I秒，其信號如圖6所示。S15表不左右兩邊同時咬一次，其信號如圖11所不。S16表示左右兩邊同時咬兩次，兩次咬牙間隔不可過長，其信號如圖12所示。S17表示左右兩邊同時咬三次，其信號如圖13所示。S18表不左右兩邊同時長咬,其信號如圖14所不。S19表示右邊咬一次牙，其信號如圖7所示。S20表示右邊咬兩次牙，兩次咬牙之間的間隔不可過長，其信號如附圖8所示。S21表示右邊咬三次牙，總的咬牙時間不超過I秒，其信號如圖9所示。S22表示右邊長咬牙，咬牙持續(xù)時間要求I秒以上，其信號如圖10所示。如圖2所示，為本發(fā)明的信號處理流程圖，其基本流程如下:
步驟(I)利用圖1所示的信號采集裝置，采集一段時序信號。對信號進行預(yù)處理，該過程主要包括:信號濾波，保留感興趣頻段；去除信號漂移。這些方法可以固化到硬件中，從而提高數(shù)據(jù)處理的效率。步驟(2)設(shè)定閾值Tl，并且遍歷時序信號，提取信號幅值大于閾值Tl的信號段。那么該段信號就是咬牙產(chǎn)生的信號，為了確定該信號是屬于哪ー種咬牙信號，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及可變窗ロ長度方法來對信號進行分類。由于這兩者分類算法相對獨立，可以采用并行設(shè)計方法，加快算法處理效率。步驟(3)對提取的信號進行量化，將量化后的信號通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分類。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要先驗知識進行訓(xùn)練，得到一個分類模型。其訓(xùn)練過程如下:
a.構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行初始化。b.采集訓(xùn)練數(shù)據(jù)， 訓(xùn)練數(shù)據(jù)有3類:左邊咬牙、右邊咬牙、左右同時咬牙。c.利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)來動態(tài)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并使誤差低于預(yù)期值，利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)檢測分類結(jié)果的準確率在99%以上。最后，利用訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對咬牙信號進行分類，可以得到:左邊咬牙、右邊咬牙以及左右同時咬牙這些分類結(jié)果。同時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型還具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，從而使分類結(jié)果更加準確。步驟(4)判斷時序信號持續(xù)時間是否超過I秒，如果是，則該信號就是ー個長咬信號。將該判斷結(jié)果與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的分類結(jié)果結(jié)合即可得到相應(yīng)的分類信號。否則利用可變窗ロ方法對信號進行分類，其過程如下:
a.初始化窗ロ，并設(shè)置窗ロ計數(shù)器N為I，設(shè)置窗ロ閾值T。b.遍歷時序窗ロ，并逐漸增大窗ロ的長度，若窗ロ長度大于閾值T，則窗ロ計數(shù)器N加I，否則繼續(xù)遍歷窗ロ，直到遍歷完整個時序窗ロ。c.根據(jù)N的值判斷咬牙的次數(shù)，如果N為1，則表示咬I次牙，若N為2，則表示咬了 2次牙，若N為3，則表示咬了 3次牙。最后，將咬牙結(jié)果與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果結(jié)合，即可得到相應(yīng)的咬牙分類信號。其他牙齒動作的采集分析步驟同上，不再贅述。綜上所述，本發(fā)明提供一種牙齒產(chǎn)生的多種狀態(tài)的腦肌電信號的實時檢測控制裝置及方法，通過個性化設(shè)計的信號采集裝置選取主要電極，降低信號的數(shù)據(jù)處理量，同時牙齒動作信號穩(wěn)定、并滿足實時性，適用于日常生活以及眾多領(lǐng)域中。在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認為是說明性的而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種牙齒動作狀態(tài)的腦肌電的檢測控制裝置，包括采集模塊(I)和控制模塊(2)，其特征在于，所述的裝置中還包括牙齒動作狀態(tài)的腦肌電信號的傳感模塊(3)，所述的傳感模塊的輸出端與采集模塊的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙齒動作狀態(tài)的腦肌電的檢測控制裝置，其特征在于，所述的傳感模塊包括參考電極、C3和C4電極。
3.一種對權(quán)利要求1所述的牙齒動作狀態(tài)的腦肌電的實時檢測控制裝置進行檢測控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步驟: (1)采集牙齒動作狀態(tài)產(chǎn)生的腦肌電信號； (2)將采集信號進行處理轉(zhuǎn)換為控制命令。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對牙齒動作產(chǎn)生的多種狀態(tài)的腦肌電的實時檢測的方法，其特征在于，所述的采集牙齒動作狀態(tài)產(chǎn)生的腦肌電信號，包括以下步驟: (1)牙齒動作狀態(tài)分為牙齒上下運動、水平運動和組合運動；牙齒上下運動，簡稱為咬牙；牙齒水平運動，簡稱為磨牙；牙齒組合運動，簡稱為咬磨牙； (2)咬牙按位置分為左邊、右邊、中間；磨牙按位置分為左邊、右邊、中邊；咬牙、磨牙、咬磨牙的混合使用為組合狀態(tài)； (3)安裝腦肌電信號采集電扱，腦電極的安裝位置采用國際10-20標準電極系統(tǒng)分布圖； (4)根據(jù)信號強度特征，選取相關(guān)采集電極，減少電極數(shù)目，最大程度地對系統(tǒng)進行簡化； (5)咬牙動作狀態(tài)的相關(guān)腦電極為參考電極、C3和C4電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對牙齒動作產(chǎn)生的多種狀態(tài)的腦肌電的實時檢測的方法，其特征在于，所述的將采集信號進行處理轉(zhuǎn)換為控制命令，包括以下步驟: (1)采用帶通濾波保留4(T100Hz頻段的信號，去除基線漂移； (2)分別利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和可變窗ロ方法來識別牙齒動作的不同狀態(tài)及次數(shù)為控制命令。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種牙齒動作產(chǎn)生的多種狀態(tài)的腦肌電的實時檢測控制裝置及方法。本發(fā)明利用信號采集裝置采集牙齒動作狀態(tài)產(chǎn)生的腦肌電信號，將采集信號進行處理轉(zhuǎn)換為多種控制命令。本發(fā)明使用簡化的采集系統(tǒng)，并結(jié)合實時、高效的算法，有效地辨別出牙齒不同的動作狀態(tài)，并依此作為不同的控制命令，具有廣泛的實用性。由于牙齒動作迅速、隱蔽，本發(fā)明檢測控制裝置方法獲得的命令直接、可靠、實時、準確、豐富，本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、通訊、交通、醫(yī)療、教育、軍事、娛樂等領(lǐng)域，具有非常廣闊的實用性和應(yīng)用推廣前景。
文檔編號G06F3/01GK103116405SQ20131007013
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月6日
發(fā)明者胡三清, 池劍峰, 趙化賓 申請人:胡三清, 池劍峰, 趙化賓