CN106020472A - 一种基于下肢不同抬起幅度运动想象的脑机接口系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于下肢不同抬起幅度运动想象的脑机接口系统，是基于腿部的不同抬起幅度的运动想象，分别想象单只小腿轻微抬起和大幅度抬起，并将采集到的不同幅度想象脑电信号进行处理，提取其特征，比较它们的特征差异以及是否具有可分性。其具体实验过程为由位于肢体运动障碍者(被试)前方的电脑显示器和直接采集受试者视频的摄像头实现的实时监控视频系统提供实时监控画面给被试，被试在进行运动想象时候只需直视前方，便可看到自己的真实肢体及其运动场景，经过脑电帽采集的运动想象脑电信号经过脑电放大器放大和采集电脑采集并存储后，可以对其进行离线处理，并对比两种实验结果。

Description

一种基于下肢不同抬起幅度运动想象的脑机接口系统
技术领域
本发明介绍了一种基于不同幅度的下肢运动想象脑机接口(Brain-Computer Interface，BCI)实验范式，属于脑机接口技术领域，可应用于神经工程与康复领域。特别是提出了两种全新的思维任务模式，在这两种思维任务模式下，可以使被试集中注意力，更好地参与到运动想象脑机接口实验中来，而在运动想象BCI中，受试者的注意度越高，其产生的EEG信源质量越好，因此，本实验范式有利于采集到优质的，含有ERD/ERS特征更为明显的运动想象EEG信号。另外，本实验范式将肢体想象运动具体化，是一种全新的运动想象思维模式，其有望增加想象动作模式，扩充运动想象BCI的思维任务指令集。
其技术流程是：设计好实验的单次实验范式，搭建好实验所需的脑电信号采集平台，然后在实验系统指导下，被试按照实验者的要求和系统提示进行运动想象任务思维作业，实验人员采集被试的脑电信号数据，将其存储后再进行一定的预处理、特征提取，然后再将采集到的这两种思维任务脑电信号的脑电特征进行对比，分析其差异性和显著性。
背景技术
第一次BCI国际会议给出的BCI的定义是：“BCI是一种不依赖于大脑外围神经与肌肉正常输出通道的通讯和控制系统。”它通过采集和分析人脑生物电信号，将大脑发出的信息直接转换成能够驱动外部设备的命令，代替人的肢体或语言器官实现人与外界的交流以及对外部环境物体的控制。
实现脑机接口控制的一个重要途径是思维作业，运动想象是最常用的一种思维作业方式，基于运动想象脑电信号BCI技术可以为思维正常而运动功能高度残疾的人提供一种与外界环境交流和控制的途径。对于肢体高度残疾的患者(如脊椎损伤、中风、偏瘫等病人)，他们的活动能力相对更弱，但是这类患者的思维与正常人一样，因此，在设计医疗用途的脑机接口控制系统时，利用肢体行动障碍者思维正常这一特点，通过他们脑电信号控制外部辅助设备，给他们的日常生活提供便利，这一应用具有十分有广阔的应用前景。
自Jasper等人发现了想象动作电位现象以来，基于运动想象的脑-机接口系统经历了数十年的发展。如今，关于运动想象BCI研究的机构和文献众多，但是绝大多数都是关于运动想象BCI中信号处理算法的研究，如信号的识别和特征提取，如何提高信号的分类正确率等，关于运动想象脑电信号的识别处理算法方面已日趋成熟，今后在运动想象BCI研究中人们将会更加注重关于实验任务模式以及控制应用方面的创新。目前所见有关运动想象的文献报道多见左右手产生的想象动作电位，少有涉及脚与舌头动作想象.而对于BCI控制信号而言，想象动作模式越多，其可能组合的控制功能越复杂，BCI系统的实用性也越好。即使涉及有舌动或者是脚动的运动想象BCI研究，也大部分是简单的单一肢体想象动作研究或者复合肢体(如手加脚配合)想象动作研究，且仅仅是单纯笼统地去想象手动、脚动以及舌动，并没有将某一肢体想象动作具体、细化。本发明提出了一种全新的实验任务模式，首次对下肢即腿部运动想象动作加以具体化，要求被试分别想象单只小腿轻微抬起和大幅度抬起，并对这两种思维任务状态下采集到的两类思维任务信号进行处理、对比。
发明内容
本发明的宗旨是克服现有运动想象脑电特征不明显，可识别的任务种类少等缺点，提出了一种关于下肢运动想象具体化的实验范式。在进行思维任务想象的时候，分为两类任务模式，分别是想象小腿轻微抬起和想象小腿尽可能地抬起一个较大的幅度。在整个实验的脑电信号采集过程中，在被试进行思维任务想象时，系统附加有实时监控视频诱导，被试一边看着视频画面一边进行训练或者想象。这样，被试在进行运动想象或者训练的时候，可以实时且直观地看到自己的小腿的实时视频画面，可以降低运动想象时候的枯燥性和乏味性，提高了被试参与实验的积极性和实验时候的注意力，有利于减少被试在进行思维作业时产生的疲劳感。同时，对在肢体想象动作任务明确化，具体化的情况下，受试者更能集中注意力，更能提高被试参与实验的沉浸性和注意度。因此，本发明不仅为实现高质量的EEG信号的采集提供了新思路、新技术，而且有望扩充运动想象思维任务种类所对应的控制指令集。
本发明技术路线图如图1所示，脑电采集系统分别采集被试在两种不同的思维任务模式下(想象小腿轻微抬起和想象小腿尽可能地抬起一个较大的幅度)的运动想象脑电信号，对采集到的信号进行离线处理，比较和分析两种实验方式下的脑电信号差异。
本发明提到的技术方案如下：
1.建立了一种全新的思维任务模式，采取特定的想象任务范式，对肢体运动想象任务加以具体化，产生两类不同幅度的想象抬腿任务，该两类不同幅度的想象抬腿任务分别为被试想象小腿轻微抬起时和想象腿尽可能地抬起一个较大的幅度。
2.对于这两类不同幅度的想象信号，在被试进行运动想象时，想象的这个抬腿的幅度，其值为两个极端的定性值，即一个为轻微抬起，为较小幅度；另一个则尽可能抬起一个较大幅度，两者皆为笼统的定性值，而非精准的定量值。
3.在被试进行思维任务想象时，系统附加有实时监控视频，这样，被试在进行运动想象或者训练的时候，可以实时且直观地看到自己的小腿，特别是在被试进行两类任务实际动作训练的时候，可以方便地把握好单只腿抬起的幅度的这个“度”。
4.实时监控视频诱导平台由基于Direct show的VMR技术实现，实验中的单次实验时序，均是由E-prime软件编程的程序语音来实现，语音“准备”提示被试做好实验准备，语音“嘀”提示被试开始进行运动想象，语音“嗒”提示被试可以停止想象，进行休息
5.整个系统分为实时监控视频诱导平台，脑电采集系统，脑电信号离线处理三个部分。被试一边看着实时监控视频诱导平台所呈现的含有自身真实肢体的视频画面一边进行不同幅度的抬腿运动想象，通过脑电采集系统采集被试的运动想象脑电信号，并对采集到的这两种不同思维任务模式下的信号进行离线处理，比较它们之间的信号差异。
6.在被试进行实际抬腿训练或者进行抬腿想象时，分析给被试靠近膝盖的大腿侧部，膝盖以及靠近膝盖下方小腿的侧部各贴上一个不同颜色的标签，方便被试在进行训练或者想象时，把握以及区分抬腿的幅度
本发明涉及主要的技术问题包括实时视频刺激的实现以及脑电信号的离线处理两大部分，现在详细介绍如下：
实时监控视频诱导的实现
采用大恒图像公司生产的DHHV3151UC摄像头实现实时视频的采集，将该摄像头固定在一个支架上，并通过USB接连线连接一台笔记本电脑，在该电脑上编程实现视频的实时采集与显示，并将显示直观地呈现给被试。视频实时采集的编程实现主要采用了基于Direetshow的VMR(Video Mixer Render视频混合渲染)技术。VMR在清晰、流畅显示视频的同时，可以灵活地捕获图像帧。VMR有两个版本VMR-7和VMR-9。VMR-9是Direetshow SDK9.0中的视频渲染技术，采用Direct3D技术。VMR-9对操作系统要求更高，但其功能更强，效果更好，它使用了最新的图像APT函数提供了最好的显示性能。视频显示根据有无窗口可分为有窗口模式和无窗口模式，Video Renderer只支持窗口模式VMR支持有窗口和无窗口模式默认支持有窗口模式。在无窗口模式中，可把视频和应用程序主界面的窗口捆绑。
视频捕获系统的整体框架如图2所示。Directshow的基本原理是多媒体数据在过滤器图表中流动，通过过滤器图表中各过滤器实现其功能，最终实现多媒体数据在渲染过滤器中的显示与回放。
本实验范式中，视频诱导显示界面能完整地呈现被试的下肢场景，具有良好的视觉呈现舒适性和广阔性，且视频显示程序具有广泛的硬件视频采集设备的适用性，适用于任何摄像头设备，增加了系统的适用性和广泛性。呈现实时视频画面的显示器位于被试正前方1米左右处。实验用到的实时录制被试腿部视频信息的设备则固定在摄像头三脚支架上，位于被试在想象抬腿时候，所用到的那条腿的那一侧，与被试的双腿保持平行，摄像头通过USB连接线与显示器所在的电脑相连接，实验时根据视频显示界面显示的被试腿部情况，实时调整摄像头三脚支架与被试之间的位置，确保最后的视频显示界面能完整的显示被试要发出想象动作的那一条腿。
脑电信号的离线处理：
1.预处理：对脑电信号进行降采样，滤波，截取有效数据等，得到我们想要进行处理的有效数据。
2.脑电信号的特征提取：
时频图谱分析法
想象动作诱发的脑电信号，是非平稳的随机信号，且ERD/ERS特征是与特定时间段的特定频段相关的。在这种情况下，采用同时提取时域与频域信息的时频分析方法分析其特征变化，能够比较直观地分析想象动作诱发的脑电信号特征。短时傅里叶变换(Short Time FourierTransform，STFT)是时频分析的一种，其假设脑电信号在一定的时间范围内是平稳的。短时傅里叶变换的方法是首先使用一个有限宽度的观察窗W(t)对信号x(t)进行观察，然后对加窗后的信号进行傅立叶变换得到的，
式中：ω是角频率；W*(τ-t)是W(τ-t)的复共轭函数。观察窗W(τ-t)随时间t平移，对信号x(t)进行截取，然后用傅立叶变换对截取到的信号进行处理，得到局部信号的频谱。通过时频图谱，可以找到ERD/ERS特征比较明显的频率段和时间段。
能量-频率图分析法
运动想象BCI的主要研究机理为运动想象能改变大脑皮层内的功能连通性，以产生事件相关去同步(ERD)和事件相关同步(ERS)现象，这两种现象涉及的脑电频带范围在8-14Hz之间的罗兰迪氏μ节律和14-30Hz的beta节律，其中，ERS对应于相关想象动作模式下，特定频带范围内脑电节律能量的上升过程，ERD则表现为能量的衰减过程。目前学术界普遍采用学者Pfurtscheller的ERD/ERS强度系数理论来研究ERD和ERS，其ERD/ERS强度系数定义为其中A为进行想象动作时，特征频段内的脑电能量，R是进行想象动作前该频段在参考时间段内的能量均值。在本发明专利中，参考时间段取为2s，通过脑电的时频图谱，对各个频率的脑电节律在0-5s内的实际想象动作时间内，对其ERD能量求平均，并求其相对于2s时间的基线期ERD强度系数，即可得到两类脑电的能量-频率图。
本发明的有益效果包括：
提供了一种全新的思维任务方式，不仅能提高运动想象脑电信号的信源质量，而且扩展了运动想象思维任务种类数，针对运动想象BCI可输出的控制指令少的缺点，本发明增加了运动想象BCI控制指令集，增强了运动想象BCI的实用性。
附图说明
图1本发明的总体技术路线图
图2视频捕获系统的整体框架图
图3两类实验差异对比图
图4实验时序图
图5两类脑电的时频图对比图
图6两类脑电的能量-频率对比图
具体实施方式
本发明设计了一种基于不同幅度的下肢运动想象脑机接口系统。该设计包括脑电采集帽和脑电放大器等脑电采集系统，实时监控视频诱导和计算机离线数据处理等部分。实验中使用Neuroscan公司生产的64导脑电采集系统采集脑电，在进行想象动作实验时候，要求被试安静地坐于距显示视频的笔记本电脑约1m的靠椅上，实验分为两类思维任务模式进行，即想象小腿轻微抬起和想象小腿抬起较大的幅度。两类实验的实验时序和实验环境均相同，唯一不同的是，两类实验的思维任务模式不同，两类实验任务的差异对比如图3(a)和图3(b)所示。为方便直观的进行实验任务的差异对比，在进行训练的时候，人为地每个被试的腿上贴上了不同颜色的纸质标签，方便区分出不同的抬腿的幅度，即角度。在每一类实验中被试在进行运动想象时，均只需进行想象抬腿，而无需进行想象左右手的运动。在每一类实验里面均含有含有2组实验，每一组实验里面包含30个试验次数(trial)，其中第一组实验被试仅需进行抬腿训练，发出抬腿这一实际动作，而无需进行抬腿想象。而第二组要求被试进行抬腿想象，而无需发出抬腿这一实际动作。
每一个trial里面的实验时序如图(4)所示，E-Prime软件通过声音提示被试完成实验，个trial包含10s，在实验开始的时候，E-Prime通过声音提示”开始”提示被试该实验试次即将开始，被试需调整呼吸均匀以及自己的身体和精神状态，做好想象动作实验的准备，在第2s钟的时候，通过声音提示“嘀”表示想象动作实验开始，被试开始进行抬腿想象，想象动作期为5s，在这5s的时间内，要求被试连续地想象抬腿两次，在第7s钟的时候，系统发出声音提示“嗒”，表示想象动作期结束，被试可以停止进行想象，开始进行休息，休息时间为2s，待这2s时间结束后，又开始进行下一个实验循环。实验结束后，对采集到的这两种实验模式所诱发的脑电先进行预处理，然后再进行时频图谱分析和能量-频率图分析。
两种思维任务模式所诱发的脑电的时频图谱如图5(a)和图5(b)所示，图5(a)为想象腿轻微抬起时信号的时频图，图5(a)为想象腿轻微抬起时信号的时频图，图5(b)为想象小腿尽可能地抬起一个较大的幅度时所产生的脑电信号的时频图，由图可见，想象腿轻微抬起时，与腿部运动想象相关的Cz导联的信号的ERD现象出现运动想象开始后在15-20Hz频段处，而想象小腿尽可能地抬起一个较大的幅度时，Cz导联的信号发生ERD现象主要出现在20-25Hz处，两类信号ERD现象发生的主要频段不一样，具有可分性。且想象小腿尽可能地抬起一个较大的幅度时所弓发的ERD频段和时段范围更大，ERD现象更为显著。
两种思维任务模式所诱发的脑电的能量-频率图如图6所示，横坐标对应各脑电频率，单位为Hz，纵坐标对应各脑电频率在5s想象任务时期内的平均能量相对于2s的基线期的变化值，单位为dB，其中虚线表示被试想象抬腿腿轻微抬起时信号的能量-频率图，实线表示被试想象小腿尽可能地抬起一个较大的幅度时的能量-频率图.通过对比发现，在u节律和beta节律频段，两种信号均出现了ERD现象，但实线ERD强度系数值下滑坡度更大，说明两者区分度较大。
经过结果分析表明，本发明所提出的基于下肢不同抬起幅度运动想象实验范式其诱发的两种运动想象脑电信号具有可分性，可扩充运动想象思维任务种类所对应的控制指令集。故本发明可用于BCI控制系统中，用以产生更多的控制指令集，增强了BCI控制系统的实用性。

Claims (6)

1.一种基于下肢不同抬起幅度运动想象的脑机接口系统，其特征在于：建立了一种全新的思维任务模式，采取特定的想象任务范式，对肢体运动想象任务加以具体化，产生两类不同幅度的想象抬腿任务，该两类不同幅度的想象抬腿任务分别为被试想象小腿轻微抬起时和想象小腿尽可能地抬起一个较大的幅度。
2.根据权利要求1所述的一种基于下肢不同抬起幅度运动想象的脑机接口系统，其特征在于：所规定的两类不同幅度的想象信号，在被试进行运动想象时，想象的这个抬腿的幅度，其值为两个极端的定性值，即一个为轻微抬起，为较小幅度；另一个则尽可能抬起一个较大幅度，两者皆为笼统的定性值，而非精准的定量值。
3.根据权利要求1所述的一种基于下肢不同抬起幅度运动想象的脑机接口系统，其特征在于：在被试进行思维任务想象时，系统附加有实时监控视频，这样，被试在进行运动想象或者训练的时候，可以实时且直观地看到自己的小腿，特别是在被试进行两类任务实际动作训练的时候，可以方便地把握好单只腿抬起的幅度的这个“度”。
4.根据权利要求1所述的一种基于下肢不同抬起幅度运动想象的脑机接口系统，其特征在于：实时监控视频诱导平台由基于Direct show的VMR技术实现，实验中的单次实验时序，均是由E-prime软件编程的程序语音来实现，语音“准备”提示被试做好实验准备，语音“嘀”提示被试开始进行运动想象，语音“嗒”提示被试可以停止想象，进行休息。
5.根据权利要求1所述的一种基于下肢不同抬起幅度运动想象的脑机接口系统，其特征在于：整个系统分为实时监控视频诱导平台，脑电采集系统，脑电信号离线处理三个部分。被试一边看着实时监控视频诱导平台所呈现的含有自身真实肢体的视频画面一边进行不同幅度的抬腿运动想象，通过脑电采集系统采集被试的运动想象脑电信号，并对采集到的这两种不同思维任务模式下的信号进行离线处理，比较它们之间的信号差异。
6.根据权利要求1所述的一种基于下肢不同抬起幅度运动想象的脑机接口系统，其特征在于：在被试进行实际抬腿训练或者进行抬腿想象时，分析给被试靠近膝盖的大腿侧部，膝盖以及靠近膝盖下方小腿的侧部各贴上一个不同颜色的标签，方便被试在进行训练或者想象时，把握以及区分抬腿的幅度。
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