CN109992112A - 基于ssvep的重症患者意图表达系统及方法 - Google Patents

基于ssvep的重症患者意图表达系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于SSVEP的重症患者意图表达系统及方法，本系统包括电脑（1），电极帽（2）、信号放大器（3）、路由器（4）和触发盒（5）。本方法是：首先医护人员帮助患者佩戴好电极帽（2）后，打开电脑（1）端的意图表达界面（6），患者根据自己的需求，注视意图表达界面（6）上的相应区块，电极帽（2）采集此时患者的脑电信号，经信号放大器（3）放大后，通过路由器（4）无线传输至SSVEP解码单元（7），当触发盒（5）检测电脑屏幕的刷新频率为60Hz时，使能SSVEP解码单元（7）对脑电信号进行解码，解码成功后，将患者意图转化为相应的控制指令，实现视听觉的反馈，从而表达患者意图。

Description

基于SSVEP的重症患者意图表达系统及方法
技术领域
本文针对重症患者设计了一个基于SSVEP的重症患者意图表达系统及方法，该系统包括电脑、电极帽、信号放大器、路由器、触发盒、意图表达界面、SSVEP解码单元，以实现重症患者的意图表达。具有用户主动参与意图表达和视听觉反馈的特点，可以为重症患者提供更加方便快捷地监护、诊疗等。
背景技术
脑-机接口是人脑和计算机或其它电子设备之间建立的一种直接的信息交流和控制通道，是不依赖于常规大脑的输出通道(外周神经和肌肉组织)的一个全新的信息交流系统。SSVEP是稳态诱发电位的一种，其具有高信息传输率、无需训练及无损坏等优点，使得SSVEP成为一种有应用价值的BCI输入信号。如何基于SSVEP原理开发出实用化的应用系统是脑机接口的重要发展方向之一。
本技术针对的重症患者特点：由于疾病、治疗或者遭遇意外的原因，导致了不同程度的语言沟通障碍和肢体活动能力的丧失，不能用语言来表达疼痛及心理感受。对这类特殊的重症患者，护理人员为了解患者的意图，现有方法主要通过为病人提供写字板提示卡，使患者通过文字标识，表达自己的感受和意图。这些重症患者的生理需求包括饮食饮水、体位活动、疼痛、休息等。这种通过写字板提示卡表达患者意图的传统方法费时费力，患者家属和医护人员可能通过多次询问，不能快速准确的掌握患者此刻的需求，从而也无法快速的解决患者遇到的问题，甚至有可能造成患者的不满和反抗情绪，给后续的诊疗和康复带来不利影响。
为了解决以上存在的问题，本发明设计了一套切实可行的方案，具体描述如下：
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于SSVEP的重症患者意图表达系统及方法，其基本原理是患者根据自己的需求注视意图表达界面上闪烁的图片区块，电极帽采集患者此时的脑电信号，经信号放大器放大后经路由器无线传输至SSVEP解码单元对其进行滤波，特征提取，分类识别后，转化为视听觉反馈的指令，具体为当系统识别出患者注视的区块后，患者可以看到意图表达界面上的相应图片区块会加上边框，意图表达界面上方文本框会有文字提示，并伴有语音提醒；通过视听觉反馈，使患者可以了解到自己意图表达的正确性，并快速地将患者的意图传达给患者家属及医护人员，以便更及时地给患者提供护理和治疗。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于SSVEP的重症患者意图表达系统，包括电脑，电极帽、信号放大器、路由器和触发盒。所述电脑端包含有意图表达界面和SSVEP解码单元，所述电极帽使用其中与视觉有关的大脑枕区的十个通道，所述信号当放大器通过路由器与电脑进行数据的无线传输，所述触发盒检测电脑屏幕的刷新频率是否为60Hz,如是，则使能SSVEP解码单元，所述SSVEP解码单元对采集的脑电信号进行预处理、特征提取、分类识别后，转化为视听觉反馈的控制指令。一种基于SSVEP的重症患者意图表达方法，采用上述系统进行操作，其特征在于操作步骤如下：
(1)医护人员帮助患者佩戴好电极帽，并打开意图表达界面，然后患者根据自己的需求，注视意图表达界面的相应区块；
(2)电极帽采集此时患者的脑电信号，经信号放大器放大后，经路由器(4)无线传输至SSVEP解码单元；
(3)触发盒检测电脑的刷新频率是否为60Hz,如是，则使能SSVEP解码单元。SSVEP解码单元对接收的脑电信号首先进行预处理，然后使用CCA算法对预处理过的脑电信号进行特征提取，分类识别后，解码出患者意图。
(4)解码患者意图成功后，转化为相应的控制指令，使表达患者意图的区块加上边框，意图表达界面上方文本框显示文字提示，同时播放语音提醒，实行视听觉反馈。
所述步骤(1)中的意图表达界面的设计步骤如下：
(1-1)一级界面为生活需求界面，包括洗澡、吃饭、喝水、大便、小便、睡觉、坐起来、散步、按摩、聊天、看电视，以及进入二级疼痛部位界面；
(1-2)二级界面为疼痛部位界面，包括头疼、胳膊疼、脖子疼、膝盖疼、胸口疼、腰疼、后背疼、牙疼、腿疼、脚踝疼、手疼，以及返回一级生活需求界面；
(1-3)意图表达界面的上方添加一个文本框用于识别后的视觉反馈；
(1-4)应用SSVEP的原理，每级界面的十二个区块分别以不同的频率进行闪烁，以实现诱发患者的脑电变化。其中SSVEP的介绍如下：
(1-4-1)定义：SSVEP是大脑皮质枕叶区对固定频率的视觉刺激下产生的电反应，是代表视网膜接受刺激，经视路传导至枕叶皮层而引发的电位变化。
(1-4-2)原理：当受到一个固定频率的视觉刺激的时候，人的大脑视觉皮层会产生一个连续的与刺激频率有关(刺激频率的基频或倍频段)的响应。
所述步骤(2)中的电极帽、信号放大器和路由器组成的脑电信号采集，放大传输部分设计步骤如下：
(2-1)使用32导电极帽采集患者与视觉相关的位于枕叶区的10个通道脑电信号；
(2-2)使用信号放大器放大电极帽采集的脑电信号；
(2-3)将放大后的脑电信号通过路由器的局域网无线传输至SSVEP解码单元，通信协议使用TCP/IP。
所述步骤(3)中的SSVEP解码单元实现步骤如下：
(3-1)触发盒检测电脑屏幕的刷新频率是否为60Hz，如是，则使能SSVEP解码单元对采集的脑电信号进行解码；
(3-1)预处理：对采集的原始脑电信号进行带通滤波处理；
(3-2)特征提取：选择典型关联分析CCA算法提取特征向量；
其中CCA算法的介绍如下：
(3-2-1)定义：利用综合变量对之间的相关关系来反映两组指标之间的整体相关性的多元统计分析方法。
(3-2-2)原理：为了从总体上把握两组指标之间的相关关系，分别在两组变量中提取有代表性的两个综合变量Wx和Wy(分别为两个变量组中各变量的线性组合)，利用这两个综合变量之间的相关关系来反映两组指标之间的整体相关性。
(3-2-3)CCA提取SSVEP响应频率时，两组多变量分别定义为X、Y，其中X是EEG(Electroencephalography，脑电图)的多通道信号，Y是与刺激频率f相关的参考信号。CCA为两组多维变量X和Y寻找一对向量Wx和Wy,通过Wx和Wy来最大化相关变量x＝XTWx和y＝YTWy之间的相关性
式(1)得出X和Y之间的相关系数ρ的最大值，选取不同的f，计算ρ，根据每个患者的区别，给十二个区块设置不同的权重w，比较各个区块wρ的大小，则最大的wρ所对应的频率f即为识别出的患者所注视的区块的闪烁频率，从而识别出患者意图。
(3-3)为了更快的识别出患者的意图，减缓患者的视觉疲劳，本发明根据每个患者个性化设置相关系数的阈值ρmax，当某个区块求出的wρ大于ρmax，则该区块即为患者所表达的意图。当所有的区块求出的wρ都未大于ρmax，则此次未成功识别患者意图。
(3-4)分类识别，将识别出的患者意图转化为相应视听觉反馈的控制指令所述步骤(4)中的视听觉反馈设计步骤如下：
(4-1)表达患者意图的图片区块会出现边框；
(4-2)意图表达界面上方的文本框会显示相应文字提示；
(4-3)电脑会播放相应语音提醒。
本发明与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著的优点：具有更加人性化的界面，能更快速地表达重症患者的意图，方便后续的护理和治疗。系统的界面使用了易于识别的图片，识别成功后有视听觉反馈，具有良好的人机交互功能。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图。
图2是本发明的实物框图。
图3是本发明的触发盒实物图。
图4是本发明的整体实验流程图。
图5是本发明的电脑端程序流程图。
图6是本发明的意图表达界面的一级界面的初始画面。
图7是本发明的意图表达界面的一级界面的反馈画面。
图8是本发明的意图表达界面的二级界面的初始画面。
图9是本发明的意图表达界面的二级界面的反馈画面。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图1，本基于SSVEP的重症患者意图表达系统，包括电脑、电极帽、信号放大器、路由器和触发盒，其特征在于：所述电脑包含有意图表达界面和SSVEP解码单元，触发盒通过USB线与电脑有线连接，电极帽通过导线与信号放大器有线相连，信号放大器通过路由器与电脑无线连接；首先医护人员给患者佩戴好电极帽，并指示患者注视意图表达界面,此时电极帽采集患者的脑电信号，经信号放大器放大后通过路由器无线传输至SSVEP解码单元，当触发盒检测到电脑屏幕的刷新频率为60Hz时，使能SSVEP解码单元对患者脑电信号进行解码，解码后，将患者意图转化为相应的控制指令，实现视听觉反馈。
实施例二，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述电极帽，采用博瑞康32通道电极帽，进行患者脑电信号的采集。所述信号放大器，将电极帽采集的脑电信号放大，通过路由器将放大后的脑电信号无线传输到SSVEP解码单元。所述路由器，产生wifi局域网，医护人员将信号放大器和电脑连接到该局域网下；成功连接后，路由器将脑电信号传输至SSVEP解码单元。所述触发盒，当检测电脑屏幕的闪烁频率为60Hz时，触发盒通过USB线向电脑有线传输一个脉冲信号，来使能SSVEP解码单元。
实施例三：
本发明基于SSVEP的重症患者意图表达系统的结构框图如图1所示,整个系统包括电脑(1)、电极帽(2)、信号放大器(3)、路由器(4)和触发盒(5)，其中电脑(1)包括意图表达界面(6)和SSVEP解码单元(7)。参见图4、图5，首先医护人员帮助患者佩戴好电极帽(2)后，并打开意图表达界面(6)，患者根据自己的需求，注视意图表达界面(6)上相应的区块，电极帽(2)采集患者此时的脑电信号，经信号放大器(3)放大后经路由器(4)无线传输至SSVEP解码单元(7)进行解码，解码后，转化相应的控制指令，将解码出的患者意图所对应的图片区块加上边框，同时界面上方的文本框显示相应文字提示，并播放相应语音提醒，以实现视听觉反馈。具体为：
1)电极帽(2)、信号放大器(3)及路由器(4)组成的脑电信号采集放大传输部分的设计：参见图2，电极帽(2)的采样频率为250Hz，采集患者与视觉相关的大脑枕区所对应的十个通道(T5、T6、P3、P4、Pz、PO3、PO4、O1、O2、Oz)的脑电信号，经信号放大器(3)放大后，通过路由器(4)将患者的脑电信号实时的无线传输到SSVEP解码单元(7)进行解码，无线传输使用的通信协议为TCP/IP。
2)意图表达界面(6)的设计：参见图6，一级界面包括了患者的11种基本的生活需求，洗澡、吃饭、喝水、大便、小便、睡觉、坐起来、散步、按摩、聊天、看电视，以及进入二级界面的共十二个区块。参加图8，二级界面包括了患者11个常见的疼痛部位，包括头疼、胳膊疼、脖子疼、膝盖疼、胸口疼、腰疼、后背疼、牙疼、腿疼、脚踝疼、手疼，以及返回上一级界面的共十二个区块。每级界面上的十二个区块大小为180*180像素，区块的间隔为80像素，分别以8Hz、12Hz、8.5Hz、9Hz、13Hz、9.5Hz、10Hz、14Hz、10.5Hz、11Hz、15Hz、11.5Hz的频率进行闪烁，用以诱发患者的脑电变化。
3)SSVEP解码单元(7)的设计：采用CCA算法对接收的脑电信号进行预处理，特征提取，分类识别后解码出患者意图，并将解码出的患者意图转化为视听觉反馈的指令。
4)视听觉反馈的设计：参加图7、图9，将患者意图所对应的图片区块加上边框，意图表达界面上方的文本框会显示文字提示并同时播报相应语音提醒，以通知患者家属及医护人员患者此时的需求。
实施例四：
参见图4，本基于SSVEP的重症患者的意图表达方法，采用上述系统进行操作，其特征在于包括以下步骤：
1)进行意图表达时患者要事先佩戴电极帽(2)及相关的脑电信号采集装置；
2)如图6所示，开始意图表达时，首先进入意图表达界面(6)的一级界面，用户可以注视特定区块以表达自己的意图；
3)电极帽(2)采集用户的脑电信号，经信号放大器(3)放大后并通过路由器(4)无线传输至SSVEP解码单元(7)；
4)参见图3，触发盒(5)检测电脑(1)屏幕的刷新频率是否为60Hz，如是，则通过USB线传输一个脉冲信号，来使能SSVEP解码单元(7)对接受的脑电信号进行预处理、特征提取、分类识别；
5)当识别出患者意图时，表达患者意图的图片区块会加上边框，界面上方的文本框会显示相应的文字提示，同时会播放相应的语音提醒，来实现视听觉反馈的任务。

Claims (8)

1.一种基于SSVEP的重症患者意图表达系统，包括电脑（1）、电极帽（2）、信号放大器（3）、路由器（4）和触发盒（5），其特征在于：所述电脑（1）包含有意图表达界面（6）和SSVEP解码单元（7），触发盒（5）通过USB线与电脑（1）有线连接，电极帽（2）通过导线与信号放大器（3）有线相连，信号放大器（3）通过路由器（4）与电脑（1）无线连接；首先医护人员给患者佩戴好电极帽（2），并指示患者注视意图表达界面（6）,此时电极帽（2）采集患者的脑电信号，经信号放大器（3）放大后通过路由器（4）无线传输至SSVEP解码单元（7），当触发盒（5）检测到电脑（1）屏幕的刷新频率为60Hz时，使能SSVEP解码单元（7）对患者脑电信号进行解码，解码后，将患者意图转化为相应的控制指令，实现视听觉反馈。
2.根据权利要求1所述的基于SSVEP的重症患者意图表达系统，其特征在于：所述电极帽（2），采用博瑞康32通道电极帽（2），进行患者脑电信号的采集。
3.根据权利要求1所述的基于SSVEP的重症患者意图表达系统，其特征在于：所述信号放大器（3），将电极帽（2）采集的脑电信号放大，通过路由器（4）将放大后的脑电信号无线传输到SSVEP解码单元（7）。
4.根据权利要求1所述的基于SSVEP的重症患者意图表达系统，其特征在于：所述路由器（4），产生wifi局域网，医护人员将信号放大器（3）和电脑（1）连接到该局域网下；成功连接后，路由器（4）将脑电信号传输至SSVEP解码单元（7）。
5.根据权利要求1所述的基于SSVEP的重症患者意图表达系统，其特征在于：所述触发盒（5），当检测电脑（1）屏幕的闪烁频率为60Hz时，触发盒（5）通过USB线向电脑（1）有线传输一个脉冲信号，来使能SSVEP解码单元（7）。
6.一种基于SSVEP的重症患者意图表达方法，采用根据权利要求1所述的基于SSVEP的重症患者的意图表达系统进行操作，其特征在于操作步骤如下：
1）医护人员帮助患者佩戴电极帽（2）；
2）打开意图表达界面（6）；
3）患者根据自己的需求，注视意图表达界面（6）相应的区块；
4）电极帽（2）采集患者的脑电信号，经信号放大器（3）放大后，通过路由器（4）传送至SSVEP解码单元（7）；
5）触发盒（5）检测电脑的刷新频率是否为60Hz，如是，则使能SSVEP解码单元（7）；
6）SSVEP解码单元（7）解码患者的意图，解码后，将患者意图转化为相应的控制指令，实现视听觉的反馈。
7.根据权利要求6所述基于SSVEP的重症患者的意图表达方法，其特征在于：所述步骤2），意图表达界面部分（6）分为一级界面和二级界面：一级界面包括了患者的11种基本的生活需求，洗澡、吃饭、喝水、大便、小便、睡觉、坐起来、散步、按摩、聊天和看电视；二级界面包括了患者11个常见的疼痛部位，包括头疼、胳膊疼、脖子疼、膝盖疼、胸口疼、腰疼、后背疼、牙疼、腿疼、脚踝疼、手疼，以及返回上一级界面，共12个区块。
8.根据权利要求6所述基于SSVEP的重症患者的意图表达方法，其特征给你在于：所述步骤5），SSVEP解码单元（7）对患者的脑电信号进行预处理，特征提取，分类识别后，将患者意图转化为相应的控制指令，实现视听觉的反馈。
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