CN110333777A - 一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法及系统 - Google Patents

一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及脑磁图和脑电图领域，具体公开了一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法及系统，其中，大脑产生的内部言语表象是指跟随一系列周期性播放的参考声音进行内心默数若干数字的心理操作，其周期性活动是指将产生内部言语表象的节奏控制为特定的预设频率，从而产生该目标频率的能量提升现象。本发明利用大脑活动能够受到自上而下调节的特性，首次对内源性的言语心理表象做频率标记，拓展了脑机接口目标频率成分的范围，同时，内源性的言语心理表象具备较高的灵活性，可预设多种目标频率，可提高输出信号指示范围的灵活性。

Description

一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口 方法及系统
技术领域
本发明涉及脑磁图和脑电图领域，具体涉及一种以对内源性言语表象活动进行频率标记为关键技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法及系统。
背景技术
脑机接口(Brain Computer Interaction,BCI)是指一种在外周运动神经或肌肉信号缺失的情况下，只通过大脑的神经活动向外部设备输出指令，从而形成人脑与外部世界直接交流的技术手段。其核心技术是通过非侵入式的信号获取装置包括脑电图(Electroencephalography，EEG)和脑磁图(Magnetoencephalography，MEG)记录大脑的复杂神经活动，利用计算机处理和识别信号中隐藏的模式，转换成为计算机的输出，从而完成对外部设备的控制。
频率标记(Frequency Tagging)是指神经活动通过快速傅里叶变换(FastFourier Transformation,FFT)转换为频率表征后，在特定频率上具备差异化的幅值和能量的现象。常见的用于脑机接口方法的频率标记技术有视觉稳态诱发电位(Steady StateVisual Evoked Potential，SSVEP)，它是指大脑在接受不同频率的闪烁图案时所呈现的与外界刺激频率一致的脑部频率响应。具体来说，使用者在选择性注视不同频率闪烁模块时大脑能够产生不同的频率响应，从而为脑机接口装置提供一种反映使用者选择性注视的指标。但值得注意的是，SSVEP本质上仍依赖于外源性的周期性图案的刺激，而非大脑自发产生的内源性周期性神经活动。
发明内容
鉴于上述内容，本发明利用大脑产生内部言语表象(speech imagery)这一过程中产生的周期性活动作为内源性的频率标记指标，来反映大脑的脑部信号，而不局限于对外界闪烁图案的反应。其中，大脑产生的内部言语表象是指跟随一系列周期性播放的参考声音进行内心默数若干数字的心理操作，其周期性活动是指将产生内部言语表象的节奏控制为特定的预设频率，从而产生该目标频率的能量提升现象。
本发明的目的是提供一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法，并能够达到可靠的判断正确率。该方法能够拓展脑机接口系统中所使用的频率标记信号的类别范围，使得目标频率信号不局限于SSVEP。
一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法，包括以下步骤：
(1)播放听觉刺激作为参考音；
(2)采集使用者脑部神经活动信号并存储；
(3)对采集到的脑部神经活动信号进行快速傅里叶变换，获得频率空间的能量分布，提取与预设的内源性言语心理表象频率一致的目标频率能量峰值及相邻基线频率峰值；
(4)对内源性频率能量峰值进行分类检测，基于检测结果对使用者动机进行判断，得到脑机接口控制信号；
(5)通过所述脑机接口控制信号控制产生输出指令。
进一步地，在步骤(1)中采用声音刺激器播放周期性声音刺激，声音内容可以是纯音、白噪音、语谱噪音等各种短音中的一种，声音播放周期频率可变，变化范围基于使用者能够跟随声音刺激产生言语表象的范围，频率过高会导致使用者无法很好地跟随声音刺激，因此所述周期性声音刺激的频率不高于8Hz。
进一步地，在步骤(2)中所述脑部神经活动信号为脑电图或脑磁图信号，提取的脑电图或脑磁图信号经过放大器放大、进行数模转换，以数字形式存储于计算机中。
进一步地，在步骤(3)中还包括预处理，为滤波、去眼电和基线矫正等处理的至少一种，随后通过快速傅里叶变换转化为能量分布。
所述预设的内源性言语心理表象频率不能过低，过低则导致信号不易被检出，因此所述预设的内源性言语心理表象频率不低于0.5Hz。
预设内源性言语心理表象频率＝声音刺激播放频率/n，n代表每n个短音为一组形成言语心理表象(n≥2)。
在本发明一实施例中，周期性声音刺激的频率为4Hz，预设内源性言语心理表象频率为0.8Hz，n＝5。
可设定一种或多种预设目标频率。
进一步地，在步骤(4)中所述分类检测基于二分类或多分类算法。当设定一种预设目标频率时，采用二分类算法：一类为所得到的内源性目标频率能量升高,高于相邻基线频率能量的平均值,表明使用者跟随参考音产生目标频率周期性言语表象活动；另一类为所得到的内源性目标频率能量未升高,不高于相邻基线频率能量的平均值，表明使用者未进行言语表象活动。当设定多种预设目标频率时，采用多分类算法：每一种预设目标频率升高时均对应一类，预设目标无升高时也为一类。具体分类器可包括线性分类器、非线性分类器等多种分类器。
步骤(4)中所述控制信号为：当内源性目标频率1能量升高时，输出结果表征值为“1”，将该预设目标频率1所代表的内容判为“是”；当内源性目标频率2能量升高时，输出结果表征为“2”，将该预设目标频率2所代表的内容判断为“是”；以此类推。当内源性目标频率能量未升高时，输出结果表征值为“0”，将其判为“否”。
进一步地，在步骤(5)中还包括：将所述输出信号进行可视化或直接应用于控制外部设备。
本发明的另一目的是提供一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口系统，包括声音刺激器、信号采集装置、信号处理装置和信号输出装置。
进一步地，所述声音刺激器用于播放周期性声音刺激。
进一步地，所述信号采集装置用于采集、存储脑部神经活动信号。
进一步地，所述信号处理装置用于对采集到的脑部神经活动信号进行快速傅里叶变换处理，获得频率空间的能量分布，提取与预设的内源性言语心理表象频率一致的目标频率能量峰值及相邻基线频率峰值，对内源性频率能量峰值进行分类检测，基于检测结果对使用者动机进行判断，得到脑机接口控制信号。
进一步地，所述信号输出装置具有可视化输出界面或对外部设备的控制装置。
本发明提供的利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法及装置，具有以下优点：(1)利用大脑活动能够受到自上而下调节的特性，首次对内源性的言语心理表象做频率标记，拓展了脑机接口目标频率成分的范围；(2)内源性的言语心理表象具备较高的灵活性，可预设多种目标频率，提高输出信号指示范围的灵活性；(3)本发明不需要基于使用者任何的外周系统的动作，包括注视点的移动，只需要在大脑中进行周期性的内心默数这一言语心理表象操作，即可采集到有效信号。
附图说明
图1为本发明的系统构成示意图；
图2为频率标记技术检测示意图。
具体实施方式
以下参照本发明的附图，通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，以便本发明的上述特征和优点更明显易懂。
应理解的是本发明提供的检测方法能够在不同的实例上具有各种变化，基于本发明思想的各种变化的实例皆不脱离本发明的范围；且本发明中的附图在本质上作为说明之用，例如绘图元件并不一定是按比例绘制也不限定特定的设备，描述特定顺序或行为也不要求相于次序这样的特定性。即本发明中的附图只为解释说明本发明的方法及系统，而非用以限制本发明。
根据本发明的一个实施例，提供一种利用内源性频率标记反映大脑脑部信号的脑机接口方法，包括：
通过声音刺激器播放周期性声音。
采集并存储伴随声音刺激播放时大脑所产生的脑磁信号，对该信号进行处理。数据预处理步骤包括去眼电和基线矫正，对预处理后的脑磁信号通过叠加平均降低噪音干扰，对叠加平均后的时域信号进行快速傅里叶变换，获得伴随声音产生内源性言语表象信号。提取内源性频率标记信号，利用分类算法对使用者的动机进行分类判断，得到脑机接口控制信号。
通过信号输出装置输出信号。
如图1所示，本发明的系统包括声音刺激器、信号采集装置、信号处理装置、信号输出装置。
声音刺激器
为了能够让使用者产生特定频率的言语表象，本发明采用一系列短音作为频率参考音，通过耳机播放给使用者，使用者在听声音的同时以同样的节奏产生言语表象。本实验中每个短音之间间隔250毫秒，形成4赫兹的周期性的听觉刺激；使用者在大脑中以同样的时间间隔进行默数，并以每5个短音为一组进行“一、二、三、四、五；二、二、三、四、五；三、二、三、四、五……”形式的数数，每一组的五个数共持续1250毫秒，形成0.8赫兹的周期性言语表象活动。在本实验中，目标内源性频率设定为0.8赫兹，在其它情况下亦可通过调整声音播放的频率及每组组别的数目来形成不同的目标频率。
信号采集与处理
选取306导脑磁图采集系统，并同时采集水平与垂直眼电。系统采样频率为1000Hz，带宽0.1-330Hz。在本实施例中，信号最后以Elekta系统的fif格式文件存储于计算机中。
对存储的脑磁信号进行预处理，包括利用独立成分分析方法去除眼电伪迹，接着将声音播放起始位置进行对齐，以声音起始位置前500ms为基线进行基线校正，最后将全脑所有通道的信号进行平均，得到全脑响应信号。
将全脑响应信号通过快速傅里叶变换转化为频域表征，提取频率表征中特定频率所在的能量值与其相邻频率的能量值。在本实施例中，提取得到目标内源性频率(0.8Hz)的能量峰值A，以及相邻两侧基线频率的能量值B和C。
内源性频率信号的分类算法
如图2所示，当使用者跟随参考音产生0.8Hz周期性言语表象活动时，所得到的内源性目标频率能量A显著高于(B+C)/2，当使用者未进行言语表象活动时，目标频率能量A接近于(B+C)/2。因此，在本实施例中，将A、B、C三者同时作为特征，当该内源性目标频率能量升高时，即当A>(B+C)/2时，输出结果表征值为“1”，将该目标频率代表的预设指令判为“是”；当内源性目标频率能量未升高时，即当A≤(B+C)/2时，输出结果表征值为“0”，将其判为“否”，这样就可以实现一个二类(“是/否”)的信号分类。
信号输出装置
本界面作为信号输出端，将内源性言语表象信号反映的动机差异输出为可视化结果，对内源性目标频率进行检测后，使用显示器将判断指令输出为“是”和“否”。当分类检测结果为“1”时，表明脑磁信号中存在强烈的该目标内源性频率标记信号，说明受试者正在进行特定周期性的言语表象过程，此时脑磁信号将该预设目标频率判断为“是”，显示器界面输出“预设指令1：是”，预设指令可包括“开灯”、“关灯”、“吃饭”等具体命令。当分类检测结果为“0”时，说明脑磁信号中不存在强烈的内源性频率标记信号，说明受试者没有进行周期性的言语表象过程，该脑磁信号判断为“否”，显示器界面输出“否”。
综上所述，本发明提出一种利用内源性频率标记技术反映脑部信号的脑机接口方法及系统，能够拓展脑机接口系统中所使用的频率标记信号的类别范围，使得目标信号不局限于SSVEP，并能够达到可靠的判断正确率。
虽然本发明已以优选实例公开如上，然而所公开实例并非用以限制本发明的范围。可以理解：在不脱离本发明的精神的情况下，在此可以产生各种附加、修改和替换。本领域普通技术人员很清楚：在不脱离本发明的精神或本质特性的情况下，可以以其他特殊形式、结构、布置、比例、以及利用其他元件、材料和部件来实现本发明。本领域的技术人员将意识到：本发明可以使用发明实际中使用的结构、布置、比例、材料以及部件和其他的许多修改，这些修改在不脱离本发明的原理的情况下而特别适应于特殊环境和操作需求。因此，当前公开的实施例在所有方面应被理解为说明性的而非对其请求保护的范围的限制。

Claims (10)

1.一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法，包括以下步骤：
(1)播放听觉刺激作为参考音；
(2)采集使用者脑部神经活动信号并存储；
(3)对采集到的脑部神经活动信号进行快速傅里叶变换，获得频率空间的能量分布，提取与预设的内源性言语心理表象频率一致的目标频率能量峰值及相邻基线频率峰值；
(4)对内源性频率能量峰值进行分类检测，基于检测结果对使用者动机进行判断，得到脑机接口控制信号；
(5)通过所述脑机接口控制信号控制产生输出指令。
2.如权利要求1所述一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法，其特征在于，步骤(1)中采用声音刺激器播放周期性声音刺激，所述声音刺激为短音，选自纯音、白噪音、语谱噪音中的一种。
3.如权利要求1或2所述一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法，其特征在于，步骤(1)中所述周期性声音刺激的频率不高于8 Hz。
4.如权利要求1所述一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法，其特征在于，步骤(2)中所述脑部神经活动信号为脑电图或脑磁图信号，提取的脑电图或脑磁图信号经过放大器放大、进行数模转换，以数字形式存储于计算机中。
5.如权利要求1所述一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法，其特征在于，步骤(3)中还包括预处理，为滤波、去眼电和基线矫正中至少一种，随后通过快速傅里叶变换转化为能量分布。
6.如权利要求1或5所述一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法，其特征在于，步骤(3)中预设内源性言语心理表象频率＝声音刺激播放频率/n，n代表每n个短音为一组形成言语心理表象(n≥2)，所述预设的内源性言语心理表象频率不低于0.5 Hz；所述目标频率设定为一种或多种。
7.如权利要求1所述一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法，其特征在于，步骤(4)中所述分类检测基于二分类或多分类算法：当设定一种预设目标频率时，采用二分类算法：一类为所得到的内源性目标频率能量升高,高于相邻基线频率能量的平均值,表明使用者跟随参考音产生目标频率周期性言语表象活动；另一类为所得到的内源性目标频率能量未升高,不高于相邻基线频率能量的平均值，表明使用者未进行言语表象活动；当设定多种预设目标频率时，采用多分类算法：每一种预设目标频率升高时均对应一类，预设目标无升高时也为一类；分类器包括线性分类器和非线性分类器。
8.如权利要求1或7所述一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法，其特征在于，步骤(4)中所述控制信号为：当内源性目标频率1能量升高时，输出结果表征值为“1”，将该预设目标频率1所代表的内容判为“是”；当内源性目标频率2能量升高时，输出结果表征为“2”，将该预设目标频率2所代表的内容判断为“是”，以此类推；当内源性目标频率能量未升高时，输出结果表征值为“0”，将其判为“否”。
9.如权利要求1所述一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口方法，其特征在于，步骤(5)中还包括：将所述输出信号进行可视化或直接应用于控制外部设备。
10.一种利用内源性频率标记技术反映大脑脑部信号的脑机接口系统，包括声音刺激器、信号采集装置、信号处理装置和信号输出装置；所述声音刺激器用于播放周期性声音刺激；所述信号采集装置用于采集、存储脑部神经活动信号；所述信号处理装置用于对采集到的脑部神经活动信号进行快速傅里叶变换处理，获得频率空间的能量分布，提取与预设的内源性言语心理表象频率一致的目标频率能量峰值及相邻基线频率峰值，对内源性频率能量峰值进行分类检测，基于检测结果对使用者动机进行判断，得到脑机接口控制信号；所述信号输出装置具有可视化输出界面或对外部设备的控制装置。
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