CN101391129B - 基于p300信号脑机接口智能化上肢康复训练器及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器及信号处理方法，训练器有：依次相连的P300信号采集电极、前置放大器、A/D转换卡、信号处理装置、D/A转换卡、控制器以及电刺激器，其中，电刺激器的输出端与人的手臂相连，人的手臂还连接接收反馈信号的传感器，传感器的输出连接电刺激器向其传送人手臂的反馈信号，人的头部带有采集P300信号的电极，控制器还通过显示部件给人以提示，人以闭眼产生的α波信号对控制器进行控制选择。信号处理方法，有对P300的触发左手和右手命令的信号进行相干平均处理方法和对α波信号的提取处理方法。本发明使患者可以达到随时随地训练的效果，在不影响使用者其他日常行为活动的前提下，仅需自己便可完成全部过程，方便简单，安全性高。

Description

基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器及信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种上肢康复训练器。特别是涉及一种基于脑-机接口中P300脑电提取技术，与功能性电刺激仪相结合，能够实现人机交互功能，能够准确稳定的提取脑电信号进行对康复训练器的控制的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器及信号处理方法。

背景技术

事件相关电位(Event Related Potential，ERP)是大脑对某种事件进行信息加工时诱发产生的一系列电活动，P300是ERP的一种，最早由Sutton等人使用oddball实验的方法记录到。P300大约出现在新奇事件刺激后的300毫秒内，相关事件发生的概率越小，所引起的P300越显著。美国伊利若斯大学的Farwell和Donchin采用P300诱发电位作为BCI信号输入设置了虚拟打字机并于2000年进行了改进。通过在计算机显示屏上显示一个6×6字母矩阵，使用者要求选择一个特定字母，每行和每列都在闪烁，频率为10Hz，计算对每行和每列闪烁的平均反应，测量P300幅值。对包含特定字母的行和列的反应幅度最大，根据这个特性就可以从P300诱发电位中“找到”特定字母。

α波作为一种自发脑电，与视觉皮层的闲散节律相对应，频率为8～13Hz，波幅约为20～100μV，它是有节律性脑电波中最明显的波。多在清醒闭目时出现；睁眼、思考问题，或接受其它刺激时，α波消失，转而出现快波；如果被测者又安静闭目，则α波又重新出现，这一现象称为α波的阻断现象。α波一般见于全部头皮区域，但以枕、顶区域最为显著。非线性动力学的分析结果认为α波活动是具有特定意义的混沌信号。α波的动态过程与记忆、运动以及感觉活动相关，且常常是平行过程，这种相关的、平行的或可知的过程对理解整体大脑功能的动态学方法具有重要意义，它为发现建立普遍的中枢神经系统功能模块提供了一种显著的模型。另外，10Hz的α节律在细胞水平的测量将有利于减小不同分析水平间的差距，从而增加我们在整体神经学方面的知识。

功能性电刺激疗法(Functional Electrical Stimulation，FES)是一种常用于瘫痪患者的康复疗法，经多年的临床验证表明，该疗法在降低偏瘫患者患侧肌张力、改善患侧肩关节半脱位及肩关节疼痛、扩大关节活动范围、提高运动功能及日常生活动作能力等方面有较好的疗效。临床应用时，可直接利用FES刺激上肢瘫痪患者的患侧肢体体表或与之相对应的周围神经，通过刺激突触前膜对肌梭反射的抑制作用，达到抑制痉挛或提高患侧肌力、防止关节挛缩、增加被动活动范围和诱发主动活动的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种使患者通过脑机接口即可自主控制康复仪器，使患者可以达到随时随地训练的效果，而且仅需自己便可完成全部过程，方便简单，高精确度和安全性，同时又节省了家属和医生很多时间的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器及信号处理方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器及信号处理方法，其中，基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器，包括有：依次相连的P300信号采集电极、前置放大器、A/D转换卡、信号处理装置、D/A转换卡、控制器以及电刺激器，其中，所述的电刺激器的输出端与人的手臂相连，人的手臂还连接接收反馈信号的传感器，所述的传感器的输出连接电刺激器向其传送人手臂的反馈信号，人的头部带有采集P300信号的电极，控制器还通过显示部件给人以提示，人以闭眼产生的α波信号对控制器进行控制选择。

所述的P300信号采集电极采集的P300信号为诱发脑电信号。

所述的信号处理装置采用计算机。

所述的传感器为角度传感器。

所述的控制器包括有三个输入信号通道：P300左手控制信号、P300右手控制信号以及α波控制信号，所述的P300左手控制信号通过左手灯连接第一与门的一输入端，P300右手控制信号通过右手灯连接第二与门的一输入端，所述的α波控制信号与第一与门和第二与门的另一输入端相连，第一与门和第二与门的输出端分别构成左手刺激输出信号和右手刺激输出信号。

所述的电刺激器包括有：依次相连的方波发生电路、555调制电路、功率、幅度放大电路以及与人的手臂相连的刺激电极。

本发明的用于基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器中的信号处理方法，包括有对P300的触发左手和右手命令的信号进行相干平均处理方法和对α波信号的提取处理方法。

所述的对P300的触发左手和右手命令的信号进行相干平均处理方法，包括有如下阶段：

(1)对预处理后的P300信号进行低通滤波；

(2)分45次循环输入每次列和行被点亮时的脑电信号：

所述的分45次循环输入每次列与行被点亮时的脑电信号是，先输入6次行信号，再输入6次列信号，依次循环达到行信号和列信号各输入45次。

(3)循环输入达到45次，则提取行和列的信号进行相干平均；

(4)分别将行和例相干平均的结果与门限电压进行比较；

(5)判断分别比较结果是否超过门限电压，是则分别确定行和例，否则继续比较；

(6)根据行和列确定目标，并判断代码是否与控制代码相符，是则输出相应信号。

第(3)阶段所述的提取行和列的信号进行相干平均、第(4)阶段所述的分别将行和列相干平均的结果与门限电压进行比较、以及第(5)阶段所述的判断分别比较结果是否超过门限电压，并分别确定行和列，这三个阶段是对行信号和列信号同步进行的。

所述的对α波信号的提取处理方法，包括有如下阶段：

(1)对预处理后的α波信号进行低通滤波；

(2)对滤波后的信号采用RMS平滑算法进行计算：

(3)对计算结果再分别采用50ms平均算法进行计算，以及采用400-500ms平均算法进行计算；

(4)对采用400-500ms平均算法的信号，让其与门限电压比较，若没有超过则门限电压，返回第(3)步骤继续进行；若超过门限电压，则判断为产生了α波控制信号；

(5)对经过50ms平均算法处理的信号和经400-500ms平均算法后超过门限电压的信号进行判断，判断其是否产生了α波控制信号，不是则返回第(3)步骤继续进行，是则输出信号通过D/A转换卡连接α波控制信号。

本发明的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器及信号处理方法，基于脑-机接口中P300脑电提取技术，与功能性电刺激仪相结合，设计了用于残疾人上肢康复的训练器，使患者可以达到随时随地训练的效果，而且仅需自己便可完成全部过程，方便简单，安全性高，在不影响使用者其他日常行为活动的前提下，为患者的自主康复上肢提供了一条捷径。可广泛应用于肢体残疾病人的功能性恢复，残肢的锻炼。本发明能够准确稳定的提取脑电信号进行对康复训练器的控制，并获得可观的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的康复训练器整体框图；

图2是前置放大器框图；

图3是本发明的电源电路原理图；

图4是本发明电刺激器的构成框图；

图5是方波发生电路的电路原理图；

图6是555调制电路；

图7是功率、幅度放大电路的电路原理图；

图8是诱发P300的刺激序列图；

图9是本发明控制器的电路原理图；

图10是本发明的对α波信号的提取处理流程图；

图11是本发明对脑电信号的相干平均处理流程图。

其中：

1：P300信号采集电极         2：前置放大器

3：A/D转换卡                4：信号处理装置

5：D/A转换卡                6：电刺激器

7：人                8：传感器

9：控制器            21：前级放大

22：50Hz陷波         23：30Hz低通滤波

24：后级放大         61：方波发生电路

62：555调制电路      63：功率、幅度放大电路

64：刺激电极         91：左手灯

92：右手灯           93：第一与门

94：第二与门

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器及信号处理方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器，包括有：依次相连的P300信号采集电极1、前置放大器2、A/D转换卡3、信号处理装置4、D/A转换卡5、控制器9以及电刺激器6，其中，所述的电刺激器6的输出端与人7的手臂相连，人7的手臂还连接接收反馈信号的传感器8，所述的传感器8的输出连接电刺激器6向其传送人手臂的反馈信号，人7的头部带有采集P300信号1的电极，控制器9还通过显示部件给人7以提示，人7以闭眼产生的α波信号对控制器9进行控制选择。所述的信号处理装置4采用计算机。所述的传感器8为角度传感器。

所述的P300信号采集电极1采集的P300信号为诱发脑电信号，其反映了大脑皮层的高级整合功能，且P300信号的提取准确率高。

受试者由控制面板提示产生含有相关控制信息的P300诱发电位脑电信号，该信号经前置放大器进行放大滤波等一些预处理并进行A/D转换后输入计算机；由计算机进行信号处理，最后将处理后的信号连接到控制接口电路控制电刺激器产生刺激信号。

为了对电刺激器的刺激过程达到有效控制，避免其对受试者产生过强的刺激效果，在受试上肢处安装了一个QMCW型角度传感器，用来对刺激器进行反馈控制。当受试者上肢在受到刺激器的作用而运动超过设定角度时，即可得到由角度传感器转换成的电压信号，将此信号用于对刺激器开关元件的控制，以达到使整个系统成为一个有效的反馈回路，能够让患者自如的对患肢进行康复锻炼。

P300信号采集电极1是采用银-氯化银电极作为传感器拾取头皮脑电信号。脑电信号的采集使用单极导联方式(优点在于每个导联记录的是电极所在头皮电位活动的绝对值，便于后期信号处理)，并以双耳的公共连接作参考电极，同时后者也作为接地端输入放大器。

为了防止干扰和噪声，可将电极引线绞合走线，尽量减小闭合环路面积；或者是采用屏蔽的电极引线，即在双绞线外部加上屏蔽层。

图8是诱发P300的刺激序列图，由计算机屏幕提供。受试者位于计算机前面对屏幕给出的Oddball刺激序列。如图8所示，Oddball刺激序列为6行6列的字符矩阵排列。屏幕显示采用适当的色彩和强度，背景色为黑色，字符以白色显示。刺激的产生是通过随机地加亮字符矩阵的某一行或某一列得到，一次实验循环是6行及6列均加亮一次。实验要求受试者集中注意他要注视的字符，当包括此字符的行或包括此字符的列加亮时，此为靶刺激，要求受试者对此进行反应，予以计数。当不包括该字符的行或列加亮时，为非靶刺激，不予计数。靶刺激出现的概率为16.7％，非靶刺激出现的概率为83.3％。

小概率出现的靶刺激可以诱发P300信号，如果确定P300信号出现时刻对应的靶刺激(属哪一行或哪一列)出现的时刻，便可以确定出受试者所注视的字符，从而达到交流的目的。

以选择“开”命令为例。首先屏幕逐行加亮，当加亮至第三行时，目标项出现在所在行，产生P300信号；继续逐行加亮，当行加亮结束后，逐列加亮，当加亮至第三列时，产生P300信号，则所选择命令就是第三行第三列的“开”命令。

诱发电位与事件相关电位的记录与常规脑电图的记录一样，使用安置在头皮表面的多个电极采集得到电压信号。一次刺激诱发的ERP的波幅约2-10μV，比自发电位小的多，但ERP有两个恒定，一是波形恒定，一是潜伏期恒定。利用这两个恒定就可以通过叠加，从EEG(脑电图)中将ERP提取出来。潜伏期主要反映感觉、运动与中枢神经系统的神经传导功能，波幅主要反映感觉、运动和中枢神经系统的神经元参与同步性放电的数量多少。

如图2所示，前置放大器2包括有前级放大21、50Hz陷波22、30Hz低通滤波23、后级放大24四部分。

前置放大器要具有高增益，高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声，低漂移的特性。脑电信号频率范围为0.5-100Hz，具有不稳定和非线性的特点，根据本装置设计需要，我们采用了一个具有0-30Hz带宽的八通道脑电前置放大器，包括前级放大、滤波和后级放大，具体技术指标如下：增益10000倍(80dB)，共模抑制比60dB，输入阻抗5MΩ，采用交流电源供电变压器转换。放大器首先对信号进行前级放大，再经过50Hz陷波器和30Hz低通滤波器，最后经过后极放大输出，以保证脑电信号的不失真，从而满足后续信号处理的要求。

所述的A/D转换卡3，选用了美国国家仪器(NI)公司生产的6024E数据采集卡进行脑电信号的模数转换。6024E数据采集卡具有16通道模拟输入端口、2个模拟输出端口、8个数字I/O端口(可编程控制输入或是输出)和68引脚的连接器。每个通道的增益可以设定为0.5，1.0，10，或100，其输入范围可随增益的改变而改变。表1列出了与增益相对应的电压输入范围和精度，这里的精度是指AD转换2¹²位中每一位所对应的电压值。

表1采集卡的增益和电压输入范围

经A/D转换的P300信号在计算机中的Labview平台上完成包括滤波去噪、相干平均、与门限电压比较、产生脉冲控制信号等一系列信号处理工作；

经计算机的处理后的信号又经过前文提到的NI公司出品的采集卡进行D/A转换，转换的幅值可以根据需要通过Labview程序设定的模拟脉冲信号。将采集卡的输出端口分别与左手，右手刺激器相连，即用经过计算机处理过的信号控制外围设备——电刺激器。

从D/A转换5进入到控制器的共有三个信号，即P300左手控制信号，P300右手控制信号，α波控制信号。此三个信号在控制设备中的连接电路如下图所示：

如图9所示，所述的控制器9包括有三个输入信号通道，即从D/A转换卡5进入到控制器的三个信号，P300左手控制信号A、P300右手控制信号B以及α波控制信号C，所述的P300左手控制信号A通过左手灯91连接第一与门93的一输入端，P300右手控制信号B通过右手灯92连接第二与门94的一输入端，所述的α波控制信号C与第一与门93和第二与门94的另一输入端相连，第一与门93和第二与门94的输出端分别构成左手刺激输出信号D和右手刺激输出信号E。

如图4所示，所述的电刺激器6包括有：依次相连的方波发生电路61、555调制电路62、功率、幅度放大电路63以及与人7的手臂相连的刺激电极64。

如图5所示，所述的方波发生电路61包括有：第一组由二极管D1的正极与电阻R1串联的线路与第二组由二极管D2的负极与电阻R2串联的线路相并联，两条线路并联后的一端连接在相串联的非门FI、F2之间，两条线路并联后的另一端与非门FI的另一端相连接，还通过电容C5与非门F2的另一端同为输出端a与555调制电路62的输入端相连。

本方波发生器采用CMOS器件CC4069作为反相器，二极管D1、D2选用IN4148型号。

本发明通过改变R2阻值，可以改变刺激脉冲的峰值宽度；通过改变R1阻值，可以改变刺激方波的频率。

如图6所示，所述的555调制电路62包括有：555芯片U1；所述的555芯片U1的脚1接地，脚7通过电解电容C9接地，脚2分别接电源Vcc、通过电解电容C7接地、通过电阻R3接脚8，脚8连接电位器R4的可调端，脚6分别连接电位器R4的一端、通过电解电容C9接地，脚5通过电容C8接地，脚3为输入端与方波发生电路61的输出端a相连，脚7为输出端b与功率、幅度放大电路63的输入端相连。

555调制电路62可以产生一定频率的方波，然后用它来对前面电路产生的组合波进行调制。调制中频电流是一种低频调制的中频电流，其作用特点为：(1)无电解作用，对皮肤刺激小；(2)降低组织电阻，增加作用深度；(3)对机体组织有兴奋作用，但需综合多个刺激的连续作用才能引起一次兴奋，这即所谓中频电刺激的综合效应；(4)低频调制的中频电流，兼有中、低频电流。

如图7所示，所述的功率、幅度放大电路63包括有放大芯片U2和两个升压变压器L1、L2，所述的放大芯片U2的脚1和脚2分别对应连接电位器R7和R8的可调端，脚6通过电解电容C10、电位器R7、电阻R5的串联连接由555调制电路62过来的输入信号b，脚6还通过电解电容C10接地，脚7通过电解电容C11、电位器R8、电阻R6的串联连接由555调制电路62过来的输入信号b，脚7还通过电解电容C11接地，脚5接电源Vcc，脚8接地脚，3通过电解电容C12连接升压变压器L1的输入端，升压变压器L1的输出端连接人体左手电极Z，脚4通过电解电容C13连接升压变压器L2的输入端，升压变压器L2的输出端连接人体右手电极Y。

功率、幅度放大电路63采用集成芯片2822和两个1∶20的升压变压器以及一些电阻电容所组成。集成芯片2822是一块适用于在低电压下工作的双通道音频功率放大电路。电路内部由两个完全对称的功率放大器组成。电路的两个放大器的输入与输出各占用了三个引脚，剩下的两个引脚为电源端和接地端，电路体积小，所用外围元件极少，其主要优点是适应于低电压下工作，当工作电压降至1.8V时仍能正常工作。输入信号从功放块2822的6脚和7脚输入，输入信号通过分压取得，其大小可以从0开始一直到功放的饱和值。本电路使用5V电源，所以经过功放块后，信号峰值要少于5V。从功放块2822出来的信号经过一个电解电容到达升压变压器，然后输出到刺激电极。幅度的调整位于功放块2822之前，通过调节功放块2822的输入信号的大小来实现幅度值的调节。

将左手电极Z和右手电极Y分别放置于人体上肢的曲泽穴、内关穴上，手臂在受到电刺激时振动的幅度最大，效果最明显，即可使康复疗效达到最大。操作时，用绷带将电极固定于曲泽穴、内关穴两穴位即可，可将电极表面涂适当生理盐水或导电膏以使效果达到最佳。

计算机进行信号处理是在Labview平台上进行台下的处理：预处理后的信号经过采集卡差动输入到计算机后，再经过低通滤波保留下P300诱发电位的主要频率带。然后分45次循环输入每次列与行被点亮时的脑电信号。之后将点亮行信号时的信号提取出来进行相干平均，即可得出6行信号分别点亮时脑部所做的反应，将其分别与门限电压进行比较如超过门限电压，即说明此行中包括目标，产生了P300电位，即可确定出目标所在行数。同理，也可得出目标所在列数。于是，我们可以确定出目标所在行与列，判断目标为哪个控制代码相对应，并输出相应信号。

本发明的信号处理方法，包括有对P300的触发左手和右手命令的信号进行相干平均处理方法和对α波信号的提取处理方法。

当信号处理装置4处理之前采集的信得出触发左手或右手的命令信号，并通过D/A转换5转换为模拟信号后，将此信号转入控制设备，控制设备会将结果(左手或右手信号)显示给使用者，由使用者对结果进行判断，如果得到的结果与使用者的原意愿相符，则控制设备允许命令信号接入电刺激器进行相应的控制，如果与原意愿不符，则不允许命令信号接入电刺激器进行相应的控制。

如图11所示，本发明的有对P300的触发左手和右手命令的信号进行相干平均处理方法，包括有如下阶段：

(1)对经过采集卡差动输入的预处理后的P300信号进行低通滤波；

(2)分45次循环输入每次列和行被点亮时的脑电信号：

所述的分45次循环输入每次列与行被点亮时的脑电信号是，先输入6次行信号，再输入6次列信号，依次循环达到行信号和列信号各输入45次。

(3)循环输入达到45次，则提取行和例的信号进行相干平均；

用相干平均法提取P300信号，具体做法是：将多个实测信号样本以时间基准点对齐，再将与同一时间对应的各样本数据求和平均，即可确定诱发响应的估值曲线。

设各记录为

x_i(t)＝s_i(t)+n_i(t)       i＝1，2，…，M                               (5-1)

各次记录的时间起点取为施加刺激瞬间，累加在时间起点对齐后进行，称相干平均。此时

$\stackrel{\‾}{x}\left(t\right)=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\left(t\right)---(5-2)$

称为平均诱发响应。

可以证明，如果响应s_i(t)是各次相同的确定性过程s_i(t)，噪声n_i(t)是非平稳过程，均值E[n_i(t)]＝0且各次独立，因此E[n_i(t)n_j(t)]＝0，当i≠j； $E\left[n_i^2\left(t\right)\right]={\mathrm{\σ}}_n^2\left(t\right).$ 则平均诱发响应x(t)是s(t)的无偏且一致的估计。

当缩短两次刺激的时间间隔以期减少受试者生理因素变化的影响时，各次记录的噪声就可能不独立，假设：

(1)响应s(t)时确定性过程

(2)噪声是零均值的平稳过程E[n_i(t)]＝0，

此时可证明，平均诱发响应x(t)仍是s(t)的无偏且一致的估计。

如果响应与噪声相互独立，各次测试中噪声也相互独立，但都是非平稳过程时，设：

观察x(t)由两个非平稳过程组成：s_i(t)是响应过程，n_i(t)是噪声过程，则

x_i(t)＝s_i(t)+n_i(t)       i＝1，2，…，N              (5-3)

时间起点是各次施加刺激的瞬间。

噪声是零均值的：E[n_i(t)]＝0，且各次独立：

E[n_i(t)n_k(t)]＝0                         i＝k

$E\left[n_i\left(t\right)n_k\left(t\right)\right]={\mathrm{\σ}}_n^2\left(t\right)$ i≠k                                                     (5-4)

响应的均值：

E[s_i(t)]＝m_s(t)                对所有i               (5-5)

响应的方差：

$\mathrm{Var}\left[s_i\left(t\right)\right]=E\left[s_i^2\left(t\right)\right]-m_s^2\left(t\right)={\mathrm{\σ}}_s^2\left(t\right)$ 对所有i                                                  (5-6)

响应和噪声不相关：

E[s_i(t)n_k(t)]＝0             对所有i，k              (5-7)

可以证明，平均诱发响应x(t)仍是s(t)的无偏估计。如果各次响应s_i(t)、s_k(t)相互独立，则x(t)是s(t)的一致估计。

采样后的记录信号为

x_i(n)＝s(n)+n_i(n)      i＝1，2，…，M，n＝1，2，…，N    (5-8)

i表示第i次记录，变量n表示该次记录中第n各采样值，每次记录取N个采样值，记录M次。

经过相干平均，s(n)的估计值为

$\hat{s}\left(n\right)=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\left(n\right)=s\left(n\right)+\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i\left(n\right)---(5-9)$

如果假定n_i(n)为平稳过程，其均值为0，方差为σ_n ²，则M次相干平均后信噪比提高

(4)分别将每行和每列相干平均的结果与门限电压进行比较；

(5)分别判断比较结果是否超过门限电压，是则分别确定行和列，否则继续比较；

六行之中超过门限电压的行即为目标所在行；六列之中超过门限电压的列即为目标所在列，得到目标所在的行与列，就可得出哪个是目标。对应在系统中就是判断出输出左手信号还是输出右手信号。

(6)根据行和列确定目标，并判断代码是否与控制代码相符，是则输出相应信号。

即人看到代表左右手信号的灯，判断是否与自己的初始意愿相同。如果相同则有意闭眼产生α波信号，此信号作为确认信号使刺激器的通路打开，对人体进行刺激；如与自己意愿相悖，则不闭眼，不产生确认信号，刺激器通路不开通，不会产生刺激动作。

在第(3)阶段所述的提取行和列的信号进行相干平均、第(4)阶段所述的分别将行和列相干平均的结果与门限电压进行比较、以及第(5)阶段所述的判断分别比较结果是否超过门限电压，并分别确定行和列，这三个阶段是对行信号和列信号同步进行的。

α波与P300信号是人脑电波中的不同成分，所以α波脑电控制信号的提取过程相同，使用同一个采集电极，前置放大器，A/D转换卡同时采集即可，只是在信号处理装置的软件设计环节，运用不同的程序将α波成分提取出来。

如图10所示，本发明的对α波信号的提取处理方法，包括有如下阶段：

(1)对预处理后的α波信号进行低通滤波；

(2)对滤波后的信号采用RMS平滑算法进行计算：

(3)对计算结果再分别采用50ms平均算法进行计算，以及采用400-500ms平均算法进行计算；

(4)对采用400-500ms平均算法的信号，让其与门限电压比较，若没有超过则门限电压，返回第(3)步骤继续进行；若超过门限电压，则判断是否产生了α波控制信号；

(5)对经过50ms平均算法处理的信号和经400-500ms平均算法后超过门限电压的信号进行判断，判断其是否产生了α波控制信号，不是则返回第(3)步骤继续进行，是则输出信号通过D/A转换卡连接α波控制信号C。

为了验证系统的稳定性与可行性，我们对5名受试者进行了操作实验。每次实验包括四个部分，每部分进行连续选择20次，每部分需时10-15分钟。受试者均未经过先期训练过程，选择任务的顺序在实验中随机给出。从发出控制任务命令开始计时，到控制目标被选中，则计时停止，依次进行20次；如果被点亮的指示灯不是控制任务命令所要选中的选项，则记为一个错误。实验时间记录严格在相同实验条件下由同一实验者负责进行。本实验的目的是通过对受试者目标选择错误与选择时间的数据分析来考察系统的可行性、易操作性及控制速度。

表2至表6显示了5名受试者在四个部分连续20个目标选择过程中的正确选择时间及错误选择次数。表7是5位受试者实验中两类较易出现的选择错误统计，其一是所谓“循环错误”，指受试者因未能及时做出选择而错过本轮循环，只能等到下次循环时(11.2秒后)再选择目标。其二是“临选错误”，指受试者因控制过犹不及而选错了相邻的目标。

其中前5个表是为了验证实验时间而测量的数据；最后一个表是为检验系统的可行性而进行的统计。

表2受试者LSC实验数据

表3受试者WXW实验数据

表4受试者LYW实验数据

表5受试者LXX实验数据

表6受试者GCW实验数据

表7全体受试者实验数据统计

从上述表中数据可以看出在连续实验过程中，正确选择时间逐渐减少，且从第二阶段实验开始正确选择时间一般接近或低于平均值，表明受试者经过第一部分实验以后，熟悉并很快适应了系统的控制操作。从连续实验过程中选择错误次数的明显逐步减少也可以分析得出上述结论。并且从第二部分开始，有三位受试者的错误率已分别下降为15％、10％、5％，表明受试者在第二部分实验时多数受试者已经熟悉系统控制，从而迅速降低了错误水平；其中LYW和GCW两位受试者在首次实验中错误率仅为10％的事实更表明了该BCI系统具有易于理解和操作的特点。

从表4-6中求和分析可以看出，循环错误出现比较少，其主要原因是偶然因素。而在选择错误数中，临选错误占有较大比重，较容易发生。从本质上讲，临选错误主要产生于心理因素，但经过训练可以克服。表中可以看到临选错误在逐次实验过程中明显减少，进一步证明了该系统的易操作性和可靠性。

Claims (8)

1.一种基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器，其特征在于，包括有：依次相连的P300信号采集电极(1)、前置放大器(2)、A/D转换卡(3)、信号处理装置(4)、D/A转换卡(5)、控制器(9)以及电刺激器(6)，其中，所述的电刺激器(6)的输出端与人(7)的手臂相连，人(7)的手臂还连接接收反馈信号的QMCW型角度传感器(8)，所述的传感器(8)的输出连接电刺激器(6)向其传送人手臂的反馈信号，当上肢在受到刺激器的作用而运动超过设定角度时，即可得到由角度传感器转换成的电压信号，将此信号用于对刺激器开关元件的控制，人(7)的头部带有采集P300信号(1)的电极，通过对P300信号进行循环次数为45、行列数目为6的相干平均处理获取触发左手和右手命令，控制器(9)还通过显示部件给人(7)以提示，人(7)融合以闭眼产生的α波信号对控制器(9)进行再次控制选择。

2.根据权利要求1所述的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器，其特征在于，所述的P300信号采集电极(1)采集的P300信号为诱发脑电信号。

3.根据权利要求1所述的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器，其特征在于，所述的信号处理装置(4)采用计算机。

4.根据权利要求1所述的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器，其特征在于，所述的传感器(8)为角度传感器。

5.根据权利要求1所述的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器，其特征在于，所述的控制器(9)包括有三个输入信号通道：P300左手控制信号(A)、P300右手控制信号(B)以及α波控制信号(C)，所述的P300左手控制信号(A)通过左手灯(91)连接第一与门(93)的一输入端，P300右手控制信号(B)通过右手灯(92)连接第二与门(94)的一输入端，所述的α波控制信号(C)与第一与门(93)和第二与门(94)的另一输入端相连，第一与门(93)和第二与门(94)的输出端分别构成左手刺激输出信号(D)和右手刺激输出信号(E)。

6.根据权利要求1所述的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器，其特征在于，所述的电刺激器(6)包括有：依次相连的方波发生电路(61)、555调制电路(62)、功率、幅度放大电路(63)以及与人(7)的手臂相连的刺激电极(64)。

7.一种用于权利要求1的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器中的信号处理方法，其特征在于，包括有对P300的触发左手和右手命令的信号进行相干平均处理方法和对α波信号的提取处理方法，

所述的对P300的触发左手和右手命令的信号进行相干平均处理方法，包括有如下阶段：

(1)对预处理后的P300信号进行低通滤波；

(2)分45次循环输入每次列和行被点亮时的脑电信号：

所述的分45次循环输入每次列与行被点亮时的脑电信号是，先输入6次行信号，再输入6次列信号，依次循环达到行信号和列信号各输入45次。

(3)循环输入达到45次，则提取行和列的信号进行相干平均；

(4)分别将行和列相干平均的结果与门限电压进行比较；

(5)判断分别比较结果是否超过门限电压，是则分别确定行和列，否则继续比较；

(6)根据行和列确定目标，并判断代码是否与控制代码相符，是则输出相应信号。

所述的对α波信号的提取处理方法，包括有如下阶段：

(1)对预处理后的α波信号进行低通滤波；

(2)对滤波后的信号采用RMS平滑算法进行计算：

(3)对计算结果再分别采用50ms平均算法进行计算，以及采用400-500ms平均算法进行计算；

(4)对采用400-500ms平均算法的信号，让其与门限电压比较，若没有超过则门限电压，返回第(3)步骤继续进行；若超过门限电压，则判断为产生了α波控制信号；

(5)对经过50ms平均算法处理的信号和经400-500ms平均算法后超过门限电压的信号进行判断，判断其是否产生了α波控制信号，不是则返回第(3)步骤继续进行，是则输出信号通过D/A转换卡连接α波控制信号(C)。

8.根据权利要求7所述的用于权利要求1的基于P300信号脑机接口智能化上肢康复训练器中的信号处理方法，其特征在于，对P300的触发左手和右手命令的信号进行相干平均处理方法的第(3)阶段所述的提取行和列的信号进行相干平均、第(4)阶段所述的分别将行和列相干平均的结果与门限电压进行比较、以及第(5)阶段所述的判断分别比较结果是否超过门限电压，并分别确定行和列，这三个阶段是对行信号和列信号同步进行的。

Images