CN106406510A - 一种实时监控视频诱导的运动想象bci系统 - Google Patents

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Abstract

一种实时监控视频诱导的运动想象BCI系统，设计了一套通过实时监控视频诱导的运动想象实验范式，实现简单，操作容易，当肢体运动障碍者应用本系统进行想象运动康复训练时，可以方便实时看到自己运动障碍肢体的康复状况，会大大提高被试参与康复训练的积极性和主动性，有助于加快恢复原来损伤的神经通路；附加了实时监控视频的诱导，增强了被试的视觉运动想象效果，增加了被试的实验沉浸度，减轻了被试的疲劳感，能诱发信源质量较好的运动想象脑电信号；引入了对照组实验，即在没有实时视频监控诱导下的纯视觉运动想象脑电实验，通过对比新的范式实验和对照组实验所采集的运动想象脑电信号的ERD特性，印证了结论的正确性。

Description

一种实时监控视频诱导的运动想象BCI系统
技术领域
本发明设计了一种基于实时监控视频诱导的运动想象实验范式，属于脑机接口(Brain-Computer Interface，BCI)技术领域。其技术流程是：设计新范式实验和对比实验，搭建好实验所需的脑电信号采集装置，然后在实验系统的指导下，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，然后再将新范式实验的实验数据和对照组的实验数据的脑电特征进行对比，分析其差异性和显著性。
背景技术
目前基于脑电信号的BCI主要有稳态视觉诱发电位(SSVEP)BCI、事件相关P300诱发电位BCI、想象动作BCI、慢皮层电位BCI四种。基于运动想象的BCI因其不需要任何外界刺激，操作方便，只要求受试者能进行正常的大脑思维活动，适用人群更广，且运动想象BCI能真正实现纯意念控制而无需肢体运动，故基于运动想象的BCI成为了当前研究的热门领域之一。
运动想象(Motor lmagery，MI)是一个认知处理过程，想象者想象自己执行一个动作，但是没有肢体的活动，甚至没有肌肉的收缩。运动想象，是一种想象的运动，大脑根据指示，在大脑中想象指挥相应肢体进行运动，而不实际产生运动的一种思维过程。在进行运动时，大脑会发出相应的脑电信号影响运动中的肌肉组织，而当大脑有意识的反复模拟训练某一动作，但肢体并不活动时，大脑的响应运动皮层区仍然保持活跃状态，通过特殊设备采集运动想象的脑电波，就能分析响应的运动想象。在脑机接口领域中，人类试图通过识别不同的MI，实现大脑与外界的通讯。
一般将运动想象分为动觉运动想象(Kinesthetic Motor lmagery，MIK)和视觉运动想象(Visual Motor lmagery，MIV)两类。MIK是指在大脑中模拟与运动相关的动作的感觉，以感知自身本体感觉为主，想象者感觉到自己实际完成了整个动作，又称为第一方想象或内在想象。MIV是指想象者好像在一定距离处看到了自己或者他人完成了整个动作，作为自身肢体动作或外部运动图像的旁观者，MIV以视觉感官意向为主且与空间的环境密切相关，又称为第三方想象或外在想象。两种运动想象类别最重要的差异在于，在MIK中，受试者必须想象自我执行动作，而在MIV中，要事先想象一个执行动作的任务，在控制条件方面，需监测“真实的运动”，尤其是动作执行(Motor Execution，ME)和肢体运动的观察。
运动想象BCI虽优点多，但是传统的运动想象BCI也存在诸多不足，例如可识别的任务种类数少，能输出的有效指令种类少，信息提取效率低；运动想象脑电信号不易产生，其幅值非常微弱，且随机性强，不稳定，信源质量差，在运动想象BCI中难以采集到优质的运动想象脑电信号，且信号的特征提取困难；大部分使用者需要较长时间训练，才能达到理想的执行效果，无训练用户的操作的执行正确率较低，且个体之间执行的效果差异大，存在一部分不适用人群。执行效果容易受到受试者主观因素(情绪、疲劳、注意力等)和客观因素(身体条件、神经类型等)影响，而且有大约15％-30％的人属于Ml-BCI文肓，即该人群不易产生出足够的特征脑电信号来执行有效操作。所有以上种种缺点，都成为了制约运动想象BCI发展和应用的瓶颈。
发明内容
本发明引入实时视频监控技术设计了一套通过实时监控视频诱导的运动想象实验范式。在本实验范式中，提出了一种全新的运动想象模式，被试在想象自己抬腿的同时，还可以看到实时监控视频呈现给自己的含有自己真实腿部状态的画面。在本实验范式中，实时视频刺激系统是在肢体运动障碍者(被试)前方的电脑显示器上实现，其中实时监控视频画面直接呈现给被试，被试在进行运动想象的时候只需直视前方，便可看到自己的真实肢体。本发明装置既可用于运动想象BCI控制系统的训练，用以取得较为优质的EEG运动想象信号，又可应用于运动康复领域，帮助患者取得良好的康复效果。
本发明的技术路线图如图1所示，脑电采集系统分别采集被试在有实时监控视频平台诱导下的抬腿运动想象信号和被试在没有实时监控视频诱导下，只进行单纯地抬腿运动想象下的脑电信号，并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.建立了一种全新的实验范式，被试在想象抬腿的同时，还可以看到实时监控视频呈现给自身的含有自己真实腿部状态的画面，即被试受在进行运动想象的同时，还受实时监控视频的诱导。
2.为印证新的实验范式，即实时监控视频诱导的运动想象实验范式，所诱发的脑电信号ERD现象是否更为显著，设计了对照组实验，即没有实时监控视频诱导的相同任务模式的运动想象实验，被试单纯地想象抬腿的实验范式，对采集到的这两种实验范式下的脑电信号进行信号处理，比较这两种实验范式下脑电信号的差异。
3.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。
4.在进行信号处理过中，先进行时频图谱分析，可以直观地观察出两种实验模式诱发的脑电的ERD现象的显著度，并通过ERD特征明显的频率段内的单位频率内ERD变化率来比较两种脑电的ERD特征明显度。
相对于单纯的视觉运动想象，本发明装置多了一个实时监控视频的诱导，有利于降低被试进行运动想象的疲劳感，而相对于单一的文字，语音，图片类刺激或者其他不含自己真实肢体运动情况的视频刺激的视觉运动想象而言，患者在使用本装置进行康复训练的时候，可以通过实时视频能及时方便，且又直观地看到自己运动障碍肢体的康复情况(如被试在不停地进行想象运动训练的时候，若受损伤的肢体发生了轻微挪动，则患者可以通过实时视频及时看到)，提高了被试参与实验的热情和积极性，加快了受损的神经通路的康复效果。因此，可将本发明应用于运动康复领域，帮助患者取得良好的康复效果。本实验范式提供的含有自己的真实肢体画面场景的视频，可以增加被试参与实验的沉浸性，而已有的研究表明，在想象运动BCI实验过程中，受试者的沉浸度越高，其产生的EEG信源质量越好。另外，实时监控视频增强了被试的视觉运动想象效果，相比单一的纯视觉运动想象，本实验范式能诱发信源质量较好的运动想象脑电信号。因此本发明提出的实验范式，可以显著赠强运动想象脑电信号的ERD/ERS特征信息，提高运动想象脑电信号的信源质量。可将本发明应用于运动想象BCI控制系统的训练，用以取得较为优质的EEG运动想象信号。
本发明用到的实时监控视频技术和脑电信号处理技术主要如下：
实时监控视频诱导的实现
采用大恒图像公司生产的DH-HV3151UC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Directshow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Directshow 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APl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：对采集到的两类信号进行降采样，滤波，截取有效数据等处理工作，方使今后进行特征提取。
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 TimeFourier Transform，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
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：
本发明提出了一种全新的实时监控视频诱导的运动想象实验范式，被试在实时监控视频诱导下可产生ERD特征更为明显的运动想象脑电信号，可将本发明用于运动想象BCl控制系统的训练，用以取得较为优质的EEG运动想象信号。同时，实时监控视频能提供给肢体运动障碍者良好的沉浸性以及正向反馈激励性，故可将本发明应用于康复医学领域，结合功能电刺激FES或者护理机器人一起使用，增强使用者的主动性以及加快受损神经系统的恢复，有利于使用者的大脑重塑。
附图说明
图1本发明的总体技术线路图
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
该设计包括脑电采集帽和脑电放大器等脑电采集设备，实时监控视频诱导平台和计算机离线数据处理模块等部分。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电脑显示器约1m的靠椅上，实验分为两大类实验进行，即无视频刺激对照组和有视频刺激实验组。两类实验环境和实验步骤均相同，唯一不同的是，有视频诱导实验组，被试一边看着视频一边进行运动想象，而无视频诱导对照组则是被试只进行纯粹的抬腿运动想象。两者的差异对比如图3(a)和图3(b)所示。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。而第二组实验则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，一个trial包含10s，在实验开始的时候，通过声音提示”开始”提示被试该实验试次即将开始，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。被试在进行思维任务作业时，一边看着实时视频，一边进行想象，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。
两种实验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)为无视频诱导时脑电的时频图谱，图5(b)为有监控视频诱导时脑电的时频图谱，由对比可知，有监控视频诱导时ERD现象涉及的频段更广，更为普遍，证明其诱发的ERD现象更为显著。
两种实验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。其中虚线表示没有视频诱导，被试单一地想象抬腿的能量频率图，实线表示有视频诱导时，被试想象抬腿的能量-频率图.通过对比发现，在足部运动有关的12-14Hz和21-23Hz频段内，两种信号均出现了ERD现象，且实线下滑坡度比虚线下滑坡度大，若将ERD变化率定义为单位频率内ERD值的变化量，则说明实线所代表的有实时监控视频诱导下的抬腿运动想象脑电信号ERD变化率比较大，ERD特征信息更加明显。
经过结果分析表明，本发明所提出的实时监控视频诱导的运动想象实验范式其诱发的运动想象脑电信号效果明显，既可用于运动想象BCI控制系统的训练，用以取得较为优质的EEG运动想象信号。也可用于康复医学领域，结合功能电刺激FES或者护理机器人一起使用，用于肢体运动障碍者，如中风患者、脊椎损伤患者、帕金森病患者、顽固性疼痛患者等的康复治疗。

Claims (5)

1.根据权利要求1所述的一种实时监控视频诱导的运动想象BCI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，并对采集到的信号进行离线处理。
2.一种实时监控视频诱导的运动想象BCI系统。其特征在于：通过该系统可以实现一种全新的实验模式，在训练以及实际实施想象任务过程中，被试在实际或想象抬腿的同时，还可以看到实时监控视频呈现给自身的含有自己真实腿部状态的画面，即被试受在进行运动想象的同时，还受实时监控视频的诱导。在运动想象过程中，受试者真正看到了自己自己真实腿部状态和整个动作完成过程，被试在进行视觉运动想象(visual motorimagery，MIV)的同时，实时监控视频使其视觉运动想象更真实，具体，提高了被试的沉浸度。
3.根据权利要求1所述的一种实时监控视频诱导的运动想象BCI系统，其特征在于：为印证新的实验范式，即实时监控视频诱导的运动想象实验范式，所诱发的脑电信号ERD现象是否更为显著，设计了对照组实验，即没有实时监控视频诱导的相同任务模式的运动想象实验，被试单纯地想象抬腿的实验范式，对采集到的这两种实验范式下的脑电信号进行信号处理，比较这两种实验范式下脑电信号的差异。
4.根据权利要求1所述的一种实时监控视频诱导的运动想象BCI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所述的一种实时监控视频诱导的运动想象BCI系统，其特征在于：在进行信号处理过中，先进行时频图谱分析，可以直观地观察出两种实验模式诱发的脑电的ERD现象的显著度，并通过ERD特征明显的频率段内的单位频率内ERD变化率来比较两种脑电的ERD特征明显度。
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