CN109284009B - 一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高听觉稳态响应脑‑机接口性能的系统及方法，该系统包括脑‑机接口系统和经颅电刺激系统；脑‑机接口系统包括计算机、听觉刺激器和脑电信号采集模块，计算机与听觉刺激器、脑电信号采集模块相连，被试者通过扣在双耳的气导耳机接受听觉刺激器发出的刺激声，脑电信号采集模块通过脑电帽电极和被试者大脑皮层相连，听觉刺激器产生三种不同频率的刺激声经气导耳机施于被试者，经颅电刺激系统将特定电流的经颅电刺激施加于被试者靶区，脑电信号采集模块通过脑电帽电极采集脑电信号并传送给计算机处理。本发明将经颅电刺激系统结合到脑‑机接口系统中，提高了听觉稳态响应脑‑机接口中听觉稳态响应信噪比，给实际应用带来了便捷。

Description

一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统及方法
技术领域
本发明属于脑-机接口技术领域，尤其是一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统及方法。
背景技术
脑-机接口(brain-computer interface，BCI)为用户提供了不依赖于大脑的正常输出的通信和控制通道，将大脑活动的脑信号直接转换为对计算机等外部设备的控制命令。其通常应用在通信媒介或运输辅助设备上，用于患有严重神经肌肉障碍以及严重运动障碍患者。
目前，脑-机接口已成为研究热点。患有闭锁综合征的患者眼球运动会受到一定程度的影响，进而影响视觉诱发电位脑-机接口的应用。基于听觉诱发电位的脑-机接口系统可在一定程度上弥补视觉诱发电位脑-机接口的局限。大多数先前研究重点关注于开发复杂的模式识别和分类算法，从嘈杂的大脑活动的信号解码可靠的脑-机接口控制信号，但它的复杂性对该算法的适用性有了新的挑战。对用户而言，尽管训练后的反馈适应脑-机接口系统很常见，但重复训练会增加疲劳，并不适用于所有用户。
近年来，经颅电刺激作为一种新型的非侵入式神经调控技术得到广泛的应用。通过电极将特定的、低强度电流作用于特定脑区，引起脑兴奋性改变，达到调节大脑皮层神经活动而产生后效应的目的。这项技术包括多种刺激方式，根据电流方式不同分为：经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)、经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation，tACS)、经颅随机噪声刺激(transcranial random noise stimulation，tRNS)。将经颅电刺激设备的阴极和阳极电极片分别放置于头颅表皮特定靶区，并导入微弱电流，电流由阳极流向阴极。电流部分经过头皮，部分经过大脑。通过刺激大脑皮层，改变大脑表面神经元膜电位的去极化或超极化方向，影响自发神经活动的皮质兴奋性改变。阳极下方脑区被激活，神经元兴奋性增加；阴极下方脑区被抑制，神经元的兴奋性降低。在施加一定时长的经颅电刺激刺激后，仍有一定的后效应，现有动物及分子生物学研究表示与突触的可调性调节作用有关。最初，经颅电刺激技术用于临床脑损伤病人，如脑卒中、癫痫、慢性抑郁和脊髓损伤等；目前，经颅电刺激可用于健康成年人，提高多种任务下的认知能力，如增强语言和数学能力、注意力、记忆力、协调能力和解决问题的能力等。
当前经颅直流电刺激对大脑的影响具有较多的研究。经对现有文献查阅可知，中国专利文献：提高脑机接口中运动想象能力的经颅电刺激装置和方法(申请号为20160959742.6)，提出使用运动想象脑-机接口之前，将特定频率的经颅电刺激施加于人脑的初级运动皮层，来调节运动想象期间的事件相关去同步化，事件相关同步化幅值及分布。中国专利文献高聚焦能力的多通道经颅直流电刺激装置及其控制方法(申请号为20120118753.3)，可根据用户指定的刺激位置和类型完成通道刺激参数的自动优化，最终产生满足用户要求的刺激，具有覆盖整个头部，高聚焦能力和多通道等的优点，并且在刺激位置准确，可定复杂的刺激。中国专利文献：一种戒烟便携式经颅直流电刺激系统的方法(申请号为201410957221.1)，恒定电流发生器输出的电流强度在若干时间内从0上升至目标电流值，且维持输出所述目标电流值一段时间；定位帽的前后两端各有一个橡胶定位轴，前段凸起对应与鼻根，后端凸起对应于枕骨隆突；此系统便于吸烟者日常使用，可以有效地帮助戒烟者抵御渴求，降低复吸的概率。但是上述方法均未涉及经颅直流电刺激对听觉稳态响应的调控。
发明内容
本发明的目的是提出一种设计合理、能够提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统及方法，能够有效提高听觉稳态响脑-机接口中听觉稳态响应信噪比，使用方便快捷。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统，包括脑-机接口系统和经颅电刺激系统；所述脑-机接口系统包括计算机、听觉刺激器和脑电信号采集模块，计算机与听觉刺激器、脑电信号采集模块相连，被试者通过扣在双耳的耳机接受听觉刺激器发出的刺激声，脑电信号采集模块通过脑电帽电极和被试者大脑皮层相连，听觉刺激器产生三种不同频率的刺激声从计算机输出经气导耳机施于被试者，所述经颅电刺激系统将特定电流的经颅电刺激施加于被试者靶区，所述脑电信号采集模块通过脑电帽电极采集脑电信号并传送给计算机处理。
所述脑电信号采集模块采用Synamps2放大器；所述脑电帽电极为64通道的脑电帽电极空间分布,电极分布符合国际10-20系统，接地电极位于左乳突，参考电极为右乳突，所有电极阻抗低于10KΩ。
所述听觉刺激器为RME Fireface 802声卡，该声卡安装在计算机内，该声卡通过ER-3C型气导插入式耳机给被试者。
所述经颅电刺激系统采用DC-SDIMULATOR PLUS经颅电刺激器，其刺激类型为经颅直流电刺激，刺激靶区选择大脑皮层额中央区，阳极为FCz，阴极为Oz。
一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统实现方法，包括以下步骤：
步骤1、将脑电帽电极戴于被试者，电极分布符合国际10-20系统，接地电极位于左乳突，参考电极为右乳突；
步骤2、将三种不同频率的刺激声分别通过听觉刺激器从计算机输出，再通过气导插入式耳机给被试者；
步骤3、将经颅直流电刺激施加与被试者大脑皮层，经颅直流电的刺激靶区选择大脑皮层额中央区，阳极为FCz，阴极为Oz；
步骤4、脑电信号采集模块采集脑电信号，然后重复步骤2，直至三种不同频率的刺激声均施加给被试者；
步骤5、对实验过程采集的脑电信号进行处理，通过采集的脑电信号精确预测被试者所听到的刺激声的频率。
所述步骤2产生的三种不同频率的刺激声分别为38Hz、40Hz和42Hz，38Hz施加于左耳，40Hz施加于右耳，42Hz同时施加于左右耳。
所述步骤3所述经颅直流电的电流大小为2mA，刺激时间为20min。
所述步骤4脑电信号采集模块的采样率为1000Hz并进行在线50Hz陷波。
所述步骤5中的实现方法步骤如下：
步骤5.1、将脑-机接口系统所采集到的脑电信号经过250Hz的降采样处理；
步骤5.2、将脑电信号采集过程中的生理伪迹用带通滤波器滤除，并用50Hz的陷波处理；
步骤5.3、选择典型相关分析方法检测听觉稳态响应，计算各频带信号与刺激频率对应的正余弦参考信号典型相关系数；
步骤5.4、将具有最大典型相关系数的正余弦参考信号的频率作为识别的听觉稳态响应频率。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明将经颅电刺激系统结合到脑-机接口系统中，通过一定微弱直流电的经颅电刺激施于大脑皮层额中央区，从而提高听觉稳态响脑-机接口中听觉稳态响应信噪比，为听觉稳态响应脑-机接口的使用提供有益的技术支持，也给实际应用带来了便捷。
2、本发明构建的听觉稳态响应脑-机接口简单直观，被试者易理解目标任务，在实验之前不需要对被试者进行训练；同时，本发明在整个实验过程中没有使用任何视觉信息，其适用范围更加广泛。
附图说明
图1为本发明的系统连接示意图。
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。
一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统，如图1所示，包括脑-机接口系统和经颅电刺激系统。其中，脑-机接口系统是将三种不同频率的刺激声通过听觉刺激器从计算机输出经气导耳机施于被试者，通过听觉稳态诱发电位产生的脑电信号进行采集，从而实现一个三目标的听觉稳态响应脑-机接口。经颅电刺激系统是将特定电流的经颅电刺激施加于靶区，从而对大脑皮层的活性调节而产生后效应，以提高听觉稳态响应的信噪比。
脑-机接口系统包括计算机、听觉刺激器和脑电信号采集模块三个部分，所述听觉刺激器安装在计算机内，计算机和脑电信号采集模块相连，计算机实现脑电信号处理、用户界面反馈及控制听觉刺激器产生刺激声；被试者通过扣在双耳的耳机接受听觉刺激器发出的刺激声，脑电信号采集模块通过电极和被试者大脑皮层相连。该系统用到64通道的脑电帽电极空间分布，电极分布符合国际10-20系统，接地电极位于左乳突，参考电极为右乳突，所有电极阻抗低于10KΩ。
脑电信号采集模块采用Neuroscan公司的Synamps2放大器，采样率为1000Hz，并进行在线50Hz陷波。听觉刺激器通过声卡产生刺激声从计算机输出经气导耳机给被试者。该听觉刺激器为德国RME Fireface 802声卡，三种不同频率的刺激声通过基于Matlab的Psychtoolbox工具包来实现，再通过声卡从计算机输出，经tymotic公司的ER-3C型气导插入式耳机给被试者，其中三种不同刺激频率声分别为38Hz、40Hz和42Hz，38Hz施加于左耳，40Hz施加于右耳，42Hz同时施加于左右耳。
经颅电刺激系统是将特定电流的经颅电刺激施加于靶区，从而对大脑皮层的活性调节而产生后效应，以提高听觉稳态响应的信噪比。经颅电刺激系统所用电刺激器为德国Neuroconn公司的经颅电刺激器DC-SDIMULATOR PLUS，刺激类型为经颅直流电刺激，刺激靶区选择大脑皮层额中央区，电流大小选择为2mA，刺激时间为20min。
基于上述能够提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤1、在脑-机接口系统中，将脑电测量的64通道的脑电帽电极戴于被试者，电极分布符合国际10-20系统，接地电极位于左乳突，参考电极为右乳突，所有电极阻抗低于10KΩ。
步骤2、被试者调整舒适的坐姿，保持放松，戴ER-3C型上气导插入式耳机，三种不同频率的刺激声通过RMEFireface 802声卡从计算机输出，通过气导插入式耳机给被试者。其中，三种不同刺激频率声分别为38Hz、40Hz和42Hz，38Hz施加于左耳，40Hz施加于右耳，42Hz同时施加于左右耳；
步骤3、使用电刺激器进行经颅直流电刺激。其中，经颅直流电刺激的电极被置于脑电帽下，位于大脑皮层额中央区，阳极为FCz，阴极为Oz，电流大小选择为2mA，刺激时间为20min。
步骤4、脑电信号采集模块采集脑电信号，重复步骤2，直至三种不同频率的刺激声均施加给被试者。
步骤5、对实验过程采集的脑电信号进行处理，通过采集的脑电信号精确预测被试者所听到的刺激声的频率。具体实现方法如下：
步骤5.1、将脑-机接口系统所采集到的脑电信号经过250Hz的降采样处理；
步骤5.2、将脑电信号采集过程中的大部分生理伪迹用带通滤波器滤除，并用50Hz的陷波处理；
步骤5.3、选择典型相关分析方法检测听觉稳态响应，计算各频带信号与刺激频率对应的正余弦参考信号典型相关系数，可精确地预测被试者区别出三种不同的刺激声。
典型相关分析是一种度量两组信号之间线性相关性的多变量的统计方法，设两个信号线性组合WX和WY，其中X为多导EEG信号，Y为与X具有相同数据长度的正余弦参考信号，设此正余弦参考信号为Yf，可得到最大的相关系数ρ：
Figure BDA0001881063970000041
x＝XTWX，
y＝YTWY，
Figure BDA0001881063970000042
其中f为刺激频率，Nh为谐波次数，fs为采样率；
步骤5.4、将具有最大典型相关系数的正余弦参考信号的频率为识别的听觉稳态响应频率。
通过上述方法能够简单便捷地提高听觉稳态响应脑-机接口性能，为听觉稳态响应脑-机接口的使用提供有益的技术支持，给实际应用带来了便捷。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统，其特征在于：包括脑-机接口系统和经颅电刺激系统；所述脑-机接口系统包括计算机、听觉刺激器和脑电信号采集模块，计算机与听觉刺激器、脑电信号采集模块相连，被试者通过扣在双耳的耳机接受听觉刺激器发出的刺激声，脑电信号采集模块通过脑电帽电极和被试者大脑皮层相连，听觉刺激器产生三种不同频率的刺激声从计算机输出经气导耳机施于被试者，所述经颅电刺激系统将特定电流的经颅电刺激施加于被试者靶区，所述脑电信号采集模块通过脑电帽电极采集脑电信号并传送给计算机；计算机对实验过程采集的脑电信号进行处理，通过采集的脑电信号精确预测被试者所听到的刺激声的频率，从而提高听觉稳态响应脑-机接口性能；
所述脑电信号采集模块采用Synamps2放大器；所述脑电帽电极为64通道的脑电帽电极空间分布,电极分布符合国际10-20系统，接地电极位于左乳突，参考电极为右乳突，所有电极阻抗低于10 KΩ；
所述三种不同频率的刺激声分别为38Hz、40Hz和42Hz，38Hz施加于左耳，40Hz施加于右耳，42Hz同时施加于左右耳；
所述经颅电刺激系统的刺激类型为经颅直流电刺激，刺激靶区选择大脑皮层额中央区，阳极为FCz，阴极为Oz。
2.根据权利要求1所述的一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统，其特征在于：所述听觉刺激器为RME Fireface 802声卡，该声卡安装在计算机内，该声卡通过ER-3C型气导插入式耳机给被试者。
3.根据权利要求1所述的一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统，其特征在于：所述经颅电刺激系统采用 DC-SDIMULATOR PLUS经颅电刺激器。
4.根据权利要求1至3任一项所述一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统的实现方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、将脑电帽电极戴于被试者，电极分布符合国际10-20系统，接地电极位于左乳突，参考电极为右乳突；
步骤2、将三种不同频率的刺激声分别通过听觉刺激器从计算机输出，再通过气导插入式耳机给被试者；
步骤3、将经颅直流电刺激施加与被试者大脑皮层，经颅直流电的刺激靶区选择大脑皮层额中央区，阳极为FCz，阴极为Oz；
步骤4、脑电信号采集模块采集脑电信号，然后重复步骤2，直至三种不同频率的刺激声均施加给被试者；
步骤5、对实验过程采集的脑电信号进行处理，通过采集的脑电信号精确预测被试者所听到的刺激声的频率；
所述步骤2产生的三种不同频率的刺激声分别为38Hz、40Hz和42Hz，38Hz施加于左耳，40Hz施加于右耳，42Hz同时施加于左右耳；
所述步骤5中的实现方法步骤如下：
步骤5.1、将脑-机接口系统所采集到的脑电信号经过250Hz的降采样处理；
步骤5.2、将脑电信号采集过程中的生理伪迹用带通滤波器滤除，并用50Hz的陷波处理；
步骤5.3、选择典型相关分析方法检测听觉稳态响应，计算各频带信号与刺激频率对应的正余弦参考信号典型相关系数；
步骤5.4、将具有最大典型相关系数的正余弦参考信号的频率作为识别的听觉稳态响应频率。
5.根据权利要求4所述一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统的实现方法，其特征是：所述步骤3所述经颅直流电的电流大小为2mA，刺激时间为20min。
6.根据权利要求4所述一种提高听觉稳态响应脑-机接口性能的系统的实现方法，其特征是：所述步骤4脑电信号采集模块的采样率为1000 Hz并进行在线50 Hz陷波。
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