一種利用隨機(jī)共振增強(qiáng)腦電信號(hào)的腦機(jī)接口方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程和醫(yī)療儀器領(lǐng)域，設(shè)及一種腦機(jī)接口方法，尤其設(shè)及一 種隨機(jī)共振增強(qiáng)腦機(jī)接口腦電節(jié)律信號(hào)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 腦機(jī)接口技術(shù)是不依賴于外周神經(jīng)和肌肉的信息傳輸通道，而直接通過(guò)獲取腦部 信號(hào)實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境通訊的技術(shù)。在臨床上，常用感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)的腦電節(jié)律信號(hào)作為控 制信號(hào)源，其應(yīng)用可W概括為兩種；一種是幫助殘疾人實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境的通訊，如假肢和輪 椅的運(yùn)動(dòng)控制、使用家居環(huán)境控制器來(lái)操作各種電器等；另一種是為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通路損傷的 人員提供主動(dòng)康復(fù)輔助，該種康復(fù)手段不但可W幫助病人自我輔助按摩和運(yùn)動(dòng)，還可強(qiáng)化 相應(yīng)的神經(jīng)通路的功能，有助于恢復(fù)肢體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)功能。除了該兩種典型應(yīng)用外，基于頭 皮腦電信號(hào)的腦機(jī)接口系統(tǒng)還具有成本低、操作方便、對(duì)大腦無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前腦一機(jī) 接口研究的主要方向之一。
[0003] 由于大腦的復(fù)雜性，使得基于頭皮腦電信號(hào)的腦機(jī)接口信號(hào)源微弱，并且穩(wěn)定性 差。目前，W感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層的自主節(jié)律為基礎(chǔ)的腦機(jī)接口技術(shù)主要是通過(guò)反饋訓(xùn)練、引入 針對(duì)性的信號(hào)處理和模式分類(lèi)方法、改變實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絎及完善設(shè)備匹配等方法來(lái)克服該一問(wèn) 題。盡管該些方法對(duì)系統(tǒng)性能有一定的提高，但仍有一些不足；如受試訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)，甚至無(wú) 效；信號(hào)檢測(cè)受限于腦電節(jié)律信噪比低等缺點(diǎn)。該大大限制了腦機(jī)接口技術(shù)實(shí)用化的進(jìn)程。
[0004] 隨機(jī)共振現(xiàn)象是一種與人們通常認(rèn)識(shí)上相反的、消除隨機(jī)（噪聲）的機(jī)制。它存在 于非線性系統(tǒng)中，典型特征是當(dāng)隨機(jī)擾動(dòng)（噪聲）加入非線性系統(tǒng)時(shí)，可出現(xiàn)系統(tǒng)輸出信噪 比不降反升的現(xiàn)象。神經(jīng)系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，有大量研究證實(shí)了神經(jīng)系統(tǒng)、感知覺(jué)、 認(rèn)知W及腦皮層同步化等都存在隨機(jī)共振的作用情況。受該些研究思路的啟發(fā)，本發(fā)明從 隨機(jī)共振調(diào)節(jié)腦電節(jié)律同步化的現(xiàn)象入手，引入感覺(jué)認(rèn)知過(guò)程中的隨機(jī)共振現(xiàn)象來(lái)增強(qiáng)相 應(yīng)腦區(qū)的腦電節(jié)律的強(qiáng)度，從改善腦電信號(hào)源的方向開(kāi)發(fā)提高W腦電節(jié)律信號(hào)腦機(jī)接口控 制信號(hào)的實(shí)用性的技術(shù)。專(zhuān)利[公布號(hào)，CN 103970273. A]采用了隨機(jī)共振來(lái)增強(qiáng)視覺(jué)誘 發(fā)電位的響應(yīng)強(qiáng)度，達(dá)到提升現(xiàn)有腦機(jī)接口的精度和效率的目的。誘發(fā)電位在腦機(jī)接口技 術(shù)中是一種重要的信號(hào)源，具有抗干擾強(qiáng)，且使用者無(wú)需過(guò)多訓(xùn)練等優(yōu)點(diǎn)。W頭皮腦電自發(fā) 節(jié)律（如皮層慢電位（SCP) W及y或0節(jié)律）為信號(hào)源的腦機(jī)接口技術(shù)不依賴于額外刺 激的輸入，不會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，沒(méi)有適應(yīng)性的問(wèn)題，具有更廣闊和靈活的使用需求。但是 自發(fā)節(jié)律容易受到干擾，往往需要通過(guò)使用者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練來(lái)達(dá)到性能的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)腦電節(jié)律作為信號(hào)源的腦機(jī)接口技術(shù)，利用 人腦感知過(guò)程中已發(fā)現(xiàn)的隨機(jī)共振現(xiàn)象，通過(guò)隨機(jī)共振調(diào)控皮層腦電同步化的方法，嘗試 從源頭上改善腦電信號(hào)的信噪比、減少被試者差異性W及提高信號(hào)源的穩(wěn)定性，利用非線 性系統(tǒng)中隨機(jī)共振原理來(lái)構(gòu)建一種實(shí)用的腦電調(diào)控方法。
[0006] 所述的隨機(jī)共振現(xiàn)象定義為：一種與人們通常認(rèn)識(shí)上相反的消除隨機(jī)（噪聲）的 機(jī)制。它存在于非線性系統(tǒng)中，典型特征是當(dāng)隨機(jī)擾動(dòng)（噪聲）加入某些非線性系統(tǒng)時(shí)，可 出現(xiàn)輸出信噪比不降反升的現(xiàn)象。寬泛的定義為；加入隨機(jī)擾動(dòng)（或是噪聲）有利于系統(tǒng) 信息處理或是強(qiáng)化目標(biāo)特征的現(xiàn)象。本發(fā)明所利用的基本原理為利用外部隨機(jī)噪聲，通過(guò) 調(diào)節(jié)內(nèi)生噪聲源進(jìn)而調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理能力。
[0007] 為達(dá)到此目的，本發(fā)明采用的技術(shù)內(nèi)容如下：
[000引本發(fā)明方法應(yīng)用于W下運(yùn)動(dòng)感覺(jué)皮層區(qū)腦電信號(hào)的腦機(jī)接口系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括腦 電信號(hào)采集模塊、腦電信號(hào)分析模塊、模式識(shí)別模塊、隨機(jī)共振反演模塊、人機(jī)交互模塊、反 饋調(diào)節(jié)模塊；腦電信號(hào)采集模塊的輸出端與腦電信號(hào)分析模塊的輸入端信號(hào)連接；腦電信 號(hào)分析模塊的一個(gè)輸出端與模式識(shí)別模塊的輸入端信號(hào)連接，另一個(gè)輸出端與隨機(jī)共振反 演模塊的輸入端信號(hào)連接；模式識(shí)別模塊的輸出端與人機(jī)交互模塊的輸入端信號(hào)連接；隨 機(jī)共振反演模塊的輸出端與反饋調(diào)節(jié)模塊的輸入端信號(hào)連接；反饋調(diào)節(jié)模塊的輸出刺激信 號(hào)作用于使用者；
[0009] 所述的腦電信號(hào)采集模塊由電極、阻抗匹配和保護(hù)電路、信號(hào)放大器、低通和帶阻 濾波器、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)單元W及控制和通信單元等組成，用于采集腦電信號(hào)。
[0010] 所述的腦電信號(hào)分析模塊是通過(guò)USB接口或串行接口 RS-232接收腦電信號(hào)采集 模塊輸出的數(shù)字腦電信號(hào)，用于分析感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)腦電節(jié)律變化。
[0011] 所述的模式識(shí)別模塊是對(duì)腦電信號(hào)分析模塊輸出的腦電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理、 特征抽取和模式判別。
[0012] 所述的隨機(jī)共振反演模塊是基于隨機(jī)共振原理的智能推理算法模塊，該模塊可W 軟件形式運(yùn)行于腦電信號(hào)分析模塊中，也可W單獨(dú)成為一個(gè)軟硬件一體化的裝置，該模塊 能夠根據(jù)腦電信號(hào)分析模塊輸出的腦電信號(hào)節(jié)律特征反推出是大腦由外部刺激引起隨機(jī) 共振的最優(yōu)模式，反演過(guò)程可由模糊推理、貝葉斯決策等方法實(shí)現(xiàn)。
[0013] 所述的人機(jī)交互模塊由計(jì)算機(jī)顯示屏及其上顯示的內(nèi)容構(gòu)成，它用來(lái)指示使用者 完成左右手現(xiàn)象運(yùn)動(dòng)，并W圖標(biāo)等帶有指示特征的標(biāo)識(shí)來(lái)呈現(xiàn)反饋結(jié)果。
[0014] 所述的反饋調(diào)節(jié)模塊由聲音發(fā)生單元、經(jīng)皮電刺激和振動(dòng)刺激等其中之一的噪聲 能量激勵(lì)源和功率驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，該模塊在接收隨機(jī)共振反演模塊的輸出信息后，把信息轉(zhuǎn) 化為各種輸出信號(hào)進(jìn)而刺激使用者相應(yīng)的感覺(jué)通道。
[0015] 本發(fā)明提出一種基于上述系統(tǒng)的利用隨機(jī)共振增強(qiáng)腦電信號(hào)的腦機(jī)接口方法，該 方法包含W下步驟：
[0016] 步驟（1)、按照10-20腦電電極佩戴方式，選擇使用者左、右腦區(qū)C3、C4作為記錄 區(qū)域；在記錄區(qū)域中安放測(cè)量電極，并在單側(cè)耳垂位置處安放參考電極，在頭部前額處巧Z 處安放地電極，然后將上述電極測(cè)得的腦電信號(hào)送入腦電信號(hào)采集模塊，經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn) 換后送往腦電信號(hào)分析模塊；
[0017] 所述的左、右腦區(qū)C3、C4即為頭皮兩側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)域。
[0018] 步驟（2)、通過(guò)想象左手和想象右手運(yùn)動(dòng)，可在左、右腦區(qū)C3、C4出現(xiàn)去同步化引 起的腦電能量變化；腦電信號(hào)分析模塊分析感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)腦電節(jié)律變化，其中所述的腦 電節(jié)律為Mu節(jié)律和Beta節(jié)律，具體是：
[0019] 2. 1首先設(shè)定一個(gè)滑動(dòng)時(shí)間窗口，腦電信號(hào)分析模塊針對(duì)同一時(shí)間窗口測(cè)量電極 上的腦電信號(hào)進(jìn)行濾波前處理，其中濾波前處理采用具有空間濾波特性的拉氏變換法，具 體是用位于中間位置電極的腦電強(qiáng)度值巧1)減去周?chē)姌O的平均腦電強(qiáng)度值獲得中間位 置電極的腦電強(qiáng)度值E' 1，即馬=與- Ei+E^+E,牛Es+Es+E,，此運(yùn)算可^突出中間位 6 置電極獲得的信號(hào)強(qiáng)度，濾除周?chē)盘?hào)的干擾。
[0020] 2. 2針對(duì)某一測(cè)量電極，對(duì)任務(wù)起點(diǎn)后的腦電節(jié)律信號(hào)能量進(jìn)行量化，具體是取任 務(wù)起點(diǎn)后的第一個(gè)時(shí)間窗口節(jié)律能量作為基準(zhǔn)，然后W固定步長(zhǎng)滑動(dòng)時(shí)間窗口，求取該測(cè) 量電極的各個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)節(jié)律能量與基準(zhǔn)節(jié)律能量的相對(duì)值。
[0021] 步驟（3)、預(yù)先構(gòu)建使用者的隨機(jī)共振參數(shù)模型：
[0022] 所述的隨機(jī)共振參數(shù)模型采用經(jīng)典的Graz-BCI運(yùn)動(dòng)想象實(shí)驗(yàn)范式構(gòu)建，其中在 確定隨機(jī)共振模式（即輸入刺激源）后，通過(guò)多維擬合函數(shù)法，根據(jù)噪聲值與上述步驟