CN104978035A

CN104978035A - 基于体感电刺激诱发p300的脑机接口系统及其实现方法

Info

Publication number: CN104978035A
Application number: CN201510447832.2A
Authority: CN
Inventors: 胡勇; 李佳宁; 蒲江波
Original assignee: Institute of Biomedical Engineering of CAMS and PUMC
Current assignee: Institute of Biomedical Engineering of CAMS and PUMC
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2035-07-27
Also published as: CN104978035B

Abstract

本发明涉及一种基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统及其实现方法，其技术特点是：脑机接口系统包括体感电刺激编码器、阵列式电刺激电极、脑诱发电位检测电路、脑诱发信号处理和分类模块；体感电刺激编码器可产生电刺激信号与阵列式电刺激电极的输入端相连接；阵列式电刺激电极将电刺激信号传递到人体的不同部位；脑诱发电位检测电路拾取人脑对不同刺激部位的反应信号，并输出到脑诱发电位处理和分类模块；脑诱发电位处理和分类模块进行特征提取和分类并识别和解码人脑对不同位置的注意选择。本发明可以在不影响使用者视、听感觉的情况下，无创地获取操纵脑机接口的必要信息，这种新颖的脑机接口模式可扩展脑机接口的应用范围。

Description

基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统及其实现方法

技术领域

本发明属于生物医学信息技术领域，尤其是一种基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统及其实现方法。

背景技术

脑机接口(Brain Computer Interface,BCI)区别于一般的神经传导输出通路，不必通过正常的外围神经与肌肉系统即可建立大脑与外界的直接信息交互通道。研究BCI系统的最初目的是为患有神经和运动系统疾病的患者提供一种与外界交流的方式，可以让患者用自己的思维意识控制外部设备，进一步提高患者的生活品质。随着对这种技术的研究逐步加深，脑机接口将会在神经医学和人工智能等众多领域发挥出更大的应用价值。

BCI系统是通过辨别大脑神经活动的模式，对思维进行解码，并通过控制系统实现与外界环境的交流，完成从大脑的活动中解读出人的意图这一过程的。由于脑电信号(Electroencephalogram,EEG)的时间分辨率具有很大优势，且头皮脑电采集方式为无创，所以脑机接口主要使用脑电作为输入信号。

目前很多脑机接口系统提取的脑电信号是基于诱发电位的，其中最常用的是事件相关电位(Event-related potentials,ERP)中的P300，它是大脑认知过程中的一种诱发电位，是在刺激后经过大约300ms的潜伏期之后，产生的一个正向波峰。脑机接口系统按刺激的模式来分的话，可分为听觉、视觉和感觉单一感觉通道或跨感觉通道的脑机接口系统。

现有的脑机接口系统主要依赖使用者对来自视觉和/或听觉的刺激加以关注，存在的主要缺点包括：(1)脑机接口系统操作过程对使用者正常的视觉和/或听觉过程产生干扰，同时也对脑机接口系统的正确率造成负面影响；(2)不适用于视觉和/或听觉功能受损的人群；(3)没有对体感信息以及刺激位置信息加以利用，限制了脑机接口的应用场景和实验范式的组合数量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用人体体感神经功能的、不影响正常视听功能、适合于多通道输入设计的基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统及其实现方法。该方法有利于制作便于携带的脑机接口系统，设计合理、容易使用、精度高且适用范围广泛。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统，包括体感电刺激编码器、阵列式电刺激电极、脑诱发电位检测电路、脑诱发信号处理和分类模块；所述体感电刺激编码器用于编码并产生电刺激序列输出到阵列式电刺激电极的输入端；所述阵列式电刺激电极将电刺激信号传递到人体的不同部位；脑诱发电位检测电路采集对应不同位置电刺激信号的人体头皮脑电信号并输出至脑诱发电位处理和分类模块；所述脑诱发电位处理和分类模块对脑诱发电位检测电路采集到的信号进行特征提取和分类并识别和解码使用者对不同位置电刺激的注意选择。

而且，所述的阵列式电刺激电极有多个，并与人体不同部位相连接。

而且，所述阵列式电刺激电极的刺激位置为人体的体表，包括人体的手部、脚部、上肢、下肢，以及身体躯干的其他部位。

而且，所述脑诱发电位检测电路是通过体表电极作为传感器拾取头皮脑电信号的，头皮脑电信号的采集使用单极导联方式。

而且，所述脑诱发电位处理和分类模块由数据预处理模块、滤波模块、波形分析模块、特征提取模块以及判别分类模块构成。

一种基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统的实现方法，包括以下步骤：

(1)体感电刺激编码器编码电刺激序列并输出与编码电刺激序列相对应的电刺激；

(2)电刺激经由阵列式电刺激电极传递到人的不同部位，使用者注意到特定位置的刺激后，其脑电波形中可出现由此刺激所诱发的P300信号；

(3)脑诱发电位检测电路采集到脑电P300信号；

(4)脑诱发信号处理和分类模块对脑电信号开展预处理工作，并针对脑电中特异性的P300信号进行特征提取，得到特征向量；

(5)脑诱发信号处理和分类模块通过判别分类模块对特征向量进行分类并对比刺激编码的时序，解码出使用者所注意的特定电极及其位置。

而且，所述步骤(4)的具体实现步骤为：

(1)对脑电信号进行预处理；

(2)对预处理后的信号进行基于频域的滤波；

(3)根据信号噪声情况，若出现基线偏移情形，则开展基线校正；

(4)对数据合理降采样并分段后，通过叠加平均方法或单次提取方法，获取到脑电响应信号的波形；

(5)根据刺激发生前后的脑电信号进行对比分析，获取脑电信号响应的特征向量。

而且，所述步骤(2)的具体实现方法为：体感电刺激编码器接受脑诱发信号处理和分类模块发送的控制指令，根据刺激在人体表面的不同位置进行编码，生成电刺激序列，并依照电刺激序列对阵列式电刺激电极控制输出电刺激，电刺激经由阵列式电刺激电极传递到人体上的不同位置，其刺激强度处于人体安全电压范围内。

而且，人体的不同部位包括人体的手部、脚部、上肢、下肢以及身体的其他部位。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明使用体感刺激模式诱发P300，以人脑对身体不同位置电刺激的注意作为一种新的脑机接口新模态，并以对与身体不同位置注意相关的P300脑电波特征作为脑机接口的输入信号，为脑机接口系统提供一种新的输入模式。这种新颖的方案不影响也不依赖于使用者的视听感觉通道，对于视觉和/或听觉能力受损的人群也可适用，这种新的脑机接口模式扩展了脑机接口的应用范围，适用人群更广泛。

2、本发明与基于视觉和/或听觉的脑机接口系统相比，由于电刺激在实验中更不易受正常视觉和/或听觉信息的干扰，检测效果更准确，其通过受试者注意不同部位的电刺激诱发P300，而不需要设定大概率的非注意刺激，因而提高了刺激效率。

3、本发明与基于听觉、视觉和感觉通道的脑机接口系统不同，基于体感电刺激诱发P300的脑机接口更加容易实现，可以适用于更广泛的感觉刺激位置，生成大量的刺激模式和脑机接口组合，同时可以刺激周围神经系统。

附图说明

图1是本发明的系统连接示意图；

图2是体感刺激电极分布示意图；

图3是刺激编码序列示意图；

图4是刺激选择与非选择所诱发的P300波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

首先参考图1，框图依照本发明的一个实施例示出了一个基于身体不同位置体感电刺激诱发脑电P300信号的脑机接口系统。系统100包括但不限于脑诱发电位检测电路101、脑诱发信号处理和分类模块102、体感电刺激编码器103、阵列式电刺激电极104。在一个实施例中，系统100是由一个或多个组件(如：脑诱发电位检测电路101、脑诱发信号处理和分类模块102、体感电刺激编码器103、阵列式电刺激电极104)构成的硬件系统。在另一实施例中，系统100是由包括本发明的实施例的一个或多个应用和/或软件系统和脑电硬件系统构成的集成软硬件应用系统，如：体感电刺激脑机接口操纵系统。

图1中，所述体感电刺激编码器103用于编码电刺激序列并输出与编码刺激序列相对应的电刺激，体感电刺激编码器103的输出端与阵列式电刺激电极104的输入端相连；所述阵列式电刺激电极104可以产生电刺激信号并传递到人体的不同部位，阵列式刺激电极104可处于身体不同位置，例如可以在手指、或上下肢、或任何可区别身体不同部位的位置，在本实施例中，阵列式电刺激电极有4个，并可以与人体的2或3或4个不同部位相连。脑诱发电位检测电路101用于采集人体的头皮脑电信号，在一个优选的实施例中，其采集P300信号可作为诱发脑电信号。脑诱发电位检测电路101的输出端连接到脑诱发电位处理和分类模块102。在一个优选的实施例中，所述脑诱发电位处理和分类模块102可包括数据预处理模块、滤波模块、波形分析模块、特征提取模块以及判别分类模块，所述脑诱发电位处理和分类模块102可对脑诱发电位检测电路采集到的P300信号进行特征提取和分类并组成特征向量，用以识别和解码使用者所关注的特定身体位置。

一种基于身体不同位置体感电刺激诱发脑电P300信号的脑机接口系统的实现方法：

(1)体感电刺激编码器103编码电刺激序列并输出与编码电刺激序列相对应的电刺激；

(2)电刺激经由阵列式电刺激电极104传递到人的不同部位，使用者注意到特定位置的刺激后，其脑电波形中可出现由此刺激所诱发的P300信号；

(3)脑诱发电位检测电路101采集到脑电P300信号；

(4)脑诱发信号处理和分类模块102对脑电信号开展预处理工作，并针对脑电中特异性的P300信号进行特征提取，得到特征向量，具体方法为：

(i)对脑电信号进行预处理；

(ii)对预处理后的信号进行基于频域的滤波；

(iii)根据信号噪声情况，若出现基线偏移情形，则开展基线校正；

(iv)对数据合理降采样并分段后，通过叠加平均方法或单次提取方法，获取到脑电响应信号的波形；

(v)根据刺激发生前后的脑电信号进行对比分析，获取脑电信号响应的特征向量。

(5)脑诱发信号处理和分类模块102通过判别分类模块对特征向量进行分类并对比刺激编码的时序，解码出使用者所注意的特定电极及其位置。

结合图2和图3和一个具体的实施例，操作过程中，阵列式电刺激电极104可放置在人体的不同部位，本具体的实施例中分别为左右手的食指和小指。需要注意的是，在另一个实施例中，刺激位置并不只局限于左右手的手指，其可以是人体任意数量和任意位置。在这一具体的实施例中，定义有四种不同的刺激类型：A、B、C、D，对应在电刺激编码器中的编码分别为2、4、8、16。电刺激强度为1.4±0.1mA，持续时间为1ms。刺激编码序列有4个，每个序列包括6轮，每轮中有4个试次，刺激间隔为800ms，刺激先后顺序为随机，刺激开始之前使用者按要求注意靶刺激，如A，则使用者注意传递到左手小指的电刺激，忽略其他三个手指的刺激。A、B、C、D四种类型各充当一次靶刺激。需要注意的是，刺激类型、编码、电刺激强度、持续时间、刺激序列并不只局限于本实施例所枚举的情形。本领域的一般技术人员可以意识到，对刺激类型、编码、电刺激强度、持续时间、刺激序列的调整，是合理和不冲突的，示例中提供的参数并不旨在对本发明的使用范围或功能提出任何局限。此外，本具体的实施例中所提供的参数不应当本解释为对示例性操作环境中所示组件的任一个或其组合具有任何依赖性或要求。适用于本发明的公知的信号采集系统、电生理系统、脑电系统的示例包括但不限于，脑机接口系统、脑电采集系统、电生理刺激系统、包括任一上述系统或设备的计算环境等等。

在一个具体的实施例中，本系统中体感电刺激诱发电位的检测是通过体表电极作为传感器拾取头皮脑电信号的，头皮脑电信号的采集使用的是单极导联方式。需要注意的是，电极类型、导联方式并不只局限于本实施例所列举的情形。本领域的一般技术人员可以意识到，所有可提供脑电信号采样的电极均可以适用于本发明所描述的系统及其实现方法。示例中所提供的电极类型和导联方式并不旨在对本发明的使用范围或功能提出任何局限。

结合图4和一个具体的实施例中，使用者注意到的电刺激表示被选择，此时的脑电信号经过处理后为图4中的实线，未注意到的刺激表示是非选择，脑电信号经过处理后为图4中的虚线，对比波形发现，刺激选择时可诱发出P300，而非选择时没有，二者在时域上线性可分。在本具体的实施例中，本系统中脑诱发信号处理和分类模块102中采用了逐步线性判别分析分类方法，此方法的优点是相对简单，运算时间少，满足BCI系统实时性的要求。将经过脑诱发电位处理后的数据输入脑诱发电位分类模块，利用6折交叉验证的SWLDA对其进行分类，分类正确率最高达75％，信息传输速率最高达11.8bit/min。

分类正确率和信息传输速率如表1所示：

表1分类正确率和信息传输速率

subject	accuracy	ITR(bit/min)
			#1	75％	11.8
#2	75％	11.8
			#3	58％	5.2
#4	70％	9.6

表中信息传输速率用来表示系统的工作效率，其表达式如下：

I T R = \frac{60 ({Plog}_{2} P + (1 - P) \log_{2} (\frac{1 - P}{N - 1}) + \log_{2} N)}{T}

式中：P为选择识别正确率，N为待选择刺激，T为选择时间。

需要注意的是，脑诱发信号处理和分类模块102中中所使用的判别分析分类方法并不只局限于本实施例所枚举的情形。本领域的一般技术人员可以意识到，在脑电信号不同条件下，灵活的选用本领域其他公知的判别分析分类方法，是合理和不冲突的，示例中提供的参数和方法并不旨在对本发明的使用范围或功能提出任何局限。此外，本具体的实施例中所提供的参数不应当本解释为对示例性操作环境中所示组件的任一个或其组合具有任何依赖性或要求。适用于本发明的公知的信号采集系统、电生理系统、脑电系统的示例包括但不限于，脑机接口系统、脑电采集系统、电生理刺激系统、包括任一上述系统或设备的计算环境等等。

鉴于以上内容，可以看到，实现了本发明的若干目标并获得了其他有利结果。

本脑机接口系统使用电刺激诱发P300，让使用者对刺激进行注意选择，利用头皮无创地获取脑机接口的信息，得到注意不同身体部位时的P300信号，这一过程完全不影响使用者的视觉和/或听觉感知，而且电刺激编码序列可以根据实际需要自行编码，选择人的不同部位进行刺激，方便易操作，这种新的脑机接口模式扩展了脑机接口的应用范围。

此处所示且描述的方法的执行或实现顺序不是必要的，除非另外指定。即，方法的元素可以用任何顺序来执行，除非另外指定，且方法可包括比此处所揭示的更多或更少的元素。可以认为，在另一元素之前、与其同时或之后执行或实现特定元素是在本发明的范围之内。

当介绍本发明或其实施例的元素时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”是指存在一个或多个元素。“包括”、“包含”、“具有”旨在包含性的，且意味着除所列出的元素之外还可以有其他元素。

由于可在不脱离本发明的范围的情况下在上述产品和方法中做出各种改变，因此包含在上述说明书并在附图中示出的所有内容都应当被解释为说明性而非限制性的。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统，其特征在于：包括体感电刺激编码器、阵列式电刺激电极、脑诱发电位检测电路、脑诱发信号处理和分类模块；所述体感电刺激编码器用于编码并产生电刺激序列输出到阵列式电刺激电极的输入端；所述阵列式电刺激电极将电刺激信号传递到人体的不同部位；脑诱发电位检测电路采集对应不同位置电刺激信号的人体头皮脑电信号并输出至脑诱发电位处理和分类模块；所述脑诱发电位处理和分类模块对脑诱发电位检测电路采集到的信号进行特征提取和分类并识别和解码使用者对不同位置电刺激的注意选择。

2.根据权利要求1所述的基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统，其特征在于：所述的阵列式电刺激电极有多个，并与人体不同部位相连接。

3.根据权利要求2所述的基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统，其特征在于：所述阵列式电刺激电极的刺激位置为人体的体表，包括人体的手部、脚部、上肢、下肢，以及身体躯干的其他部位。

4.根据权利要求1所述的基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统，其特征在于：所述脑诱发电位检测电路是通过体表电极作为传感器拾取头皮脑电信号的，头皮脑电信号的采集使用单极导联方式。

5.根据权利要求1所述的基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统，其特征在于：所述脑诱发电位处理和分类模块由数据预处理模块、滤波模块、波形分析模块、特征提取模块以及判别分类模块构成。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

(3)脑诱发电位检测电路采集到脑电P300信号；

7.根据权利要求6所述的基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统的实现方法，其特征在于：所述步骤(4)的具体实现步骤为：

(1)对脑电信号进行预处理；

(2)对预处理后的信号进行基于频域的滤波；

8.根据权利要求6所述的基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统的实现方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体实现方法为：体感电刺激编码器接受脑诱发信号处理和分类模块发送的控制指令，根据刺激在人体表面的不同位置进行编码，生成电刺激序列，并依照电刺激序列对阵列式电刺激电极控制输出电刺激，电刺激经由阵列式电刺激电极传递到人体上的不同位置，其刺激强度处于人体安全电压范围内。

9.根据权利要求6所述的基于体感电刺激诱发P300的脑机接口系统的实现方法，其特征在于：人体的不同部位包括人体的手部、脚部、上肢、下肢以及身体的其他部位。