CN114081510A - 基于应激运动-视觉多源刺激的运动想象脑机接口方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于应激运动‑视觉多源刺激的运动想象脑机接口方法，先构建运动提示视觉诱发虚拟动画，为受试者提供视觉运动信息的感知；然后搭建应激运动硬件平台，用于提供真实的应激失衡刺激；再设计耦合应激运动‑视觉运动信息同步感知的运动诱发范式，旨在通过多模式刺激来提升被试对运动信息的感知能力；最后开展基于应激运动‑视觉多源刺激的运动想象脑机接口交互实验；本发明比传统运动想象方法具有更强的皮层激活能力和想象准确性，实现高稳定性的脑机交互。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程中神经工程及脑机接口技术领域，具体涉及一种基于应激运动-视觉多源刺激的运动想象脑机接口方法。
背景技术
脑机接口(BCI)技术避免了人类与外部环境进行交互时对神经-肌肉通道的依赖，其通过对脑电信号进行解码，并转换为相关指令，以实现人脑与外部环境之间的直接交流；其中，基于运动想象的脑机接口是一种通过被试接收特定的运动提示，从而产生自发的运动意念来引导大脑运动皮层产生响应的方法，其常用在运动辅助与功能训练等领域。
传统的运动想象脑机接口方法(Motor Imagery，MI)的实施过程，包括从被试接收运动诱发刺激，产生自主的运动皮层电位，脑电信号运动意图解码，外界设备控制，进而完成脑机交互。在这个过程中，外界诱发刺激直接影响皮层激活水平与电位信号质量，这也是运动想象脑机接口中关键环节之一。然而，由于生理结构的差异，被试在面对不同模式的诱发刺激时，往往产生不同的脑电信号表现，甚至对于同一个被试，由于心理状态的改变，其信号亦存在一定的差异性。因此在跨试次/被试的交互过程中，运动想象脑电信号的特征表现具有非常显著的个体差异性，且传统的运动诱发存在着强度低、生动性弱的问题，致使运动皮层的激活模式具有较差的稳定性和一致性，这也给后续的脑电信号解码带来了极大的挑战，进而难以实现高稳定性的脑机交互。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种基于应激运动-视觉多源刺激的运动想象脑机接口方法，具有更强的皮层激活能力和想象准确性，实现高稳定性的脑机交互。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于应激运动-视觉多源刺激的运动想象脑机接口方法，通过设计运动感知诱发场景，提供耦合应激运动和视觉提示的多源刺激，诱发被试产生本能运动反应，进而产生规律性的、稳定的运动激活与脑电信号表征。
一种基于应激运动-视觉多源刺激的运动想象脑机接口方法，包括：
1)运动提示视觉诱发场景构建：
利用Unity3D软件对虚拟人体上肢模型和座椅进行建模，并通过装配形成人乘坐座椅的整体模型，实现第一视角虚拟场景的搭建；同时，设置黑色背景为环境背景色，白色为座椅底色，人体模型设置为自然肤色；
2)应激运动硬件平台设计：
采用应激运动诱发方法为基于失衡的方法，设计了三自由度旋转的座椅，并加工实现实物的搭建，应激运动硬件平台包括硬件平台、安全限位装置、控制系统；
3)应激运动-视觉多源刺激范式：
设计基于Labview框架的虚拟动画与座椅的协同控制命令，进而实现应激刺激与视觉刺激的同步匹配，其具体表现形式为：固定座椅底座，设置座椅绕y轴的3rad/s匀速转动自由度，最大旋转角度设置为15°；同时，虚拟场景里的座椅会跟随真实的座椅同步运动，在座椅启动的时刻，虚拟上肢模型以0.1m/s沿Z轴以方向匀速上下运动，直到座椅停止旋转；
4)脑电信号采集平台：
将无线脑电帽戴在被试头上，取运动皮层FC3,C3,CP3,Cz,FC4,C4,CP4,CPz和AFz为测量电极，前额为接地电极，单侧耳垂放置参考电极；
5)应激运动诱发脑机交互实验流程设计：
要求被试执行一段长10s的单次应激运动想象脑机接口试验，其中，0～2s，要求被试保持静息状态，集中注意力于电脑屏幕，座椅保持静止，电脑屏幕同步呈现静止的仿真画面；从第2s起，座椅启动，向单侧按照设定速度旋转，电脑屏幕中虚拟座椅与真实座椅同步运动，并显示上肢模型的运动画面；2～6s内，要求被试身体保持静止，同时根据失衡刺激和视觉刺激开展上肢的想象运动；第6s，座椅转动到极限位置，电脑对2～6s采集到的信号进行处理识别，若被试产生了响应的运动意图，座椅立即回正；若并未识别到相应的运动特征，座椅在极限位置维持3s于第10s自动回正；
6)脑电信号运动意图识别：
采用最大能量抑制比法，即计算单次试验2～6s内左右两侧通道α频带平均能量比与0～2s内频带平均能量比是否具有显著性差异，显著性差异通过配对t检验方法认定，从而判断运动意图是否存在，判断结果用于6s时座椅的运动姿态控制；
单次识别结束后，重复脑机交互实验流程，实现对多试次的运动想象信号进行识别，记录识别结果。
本发明的有益效果为：
由于本发明在运动想象脑机交互环节里，采取基于应激运动-视觉多源运动诱发的方法，可以更加有效的提升被试对于运动信息的感知能力和认知水平，进而在运动想象-脑机交互过程中，更有利于构建更有序和诱发-响应神经应答机制，所有具有提升运动想象-脑机接口稳定性和准确性的有点。
由于本发明在领域内首次提出失衡运动刺激的运动想象诱发模式，并通过对比实验验证了该方案的可靠性，这为基于运动皮层响应的脑机接口提供了一种全新的交互模式。
附图说明
图1是本发明方法框图。
图2是本发明三自由度旋转的座椅实物原型。
图3是本发明座椅空间自由度和运动示意图。
图4是本发明虚拟仿真视觉刺激的样例图。
图5是本发明准确率试验结果图。
图6是本发明激活强度试验结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
参照图1，一种基于应激运动-视觉多源刺激的运动想象脑机接口方法，包括：
1)运动提示视觉诱发场景构建：
为了给被试提供逼真的视觉运动提示，首先，利用Unity3D软件对虚拟人体上肢模型和座椅进行建模，并通过装配形成人乘坐座椅的整体模型，实现高逼真度的第一视角虚拟场景的搭建；同时，设置黑色背景为环境背景色，高亮度白色为座椅底色，人体模型设置为自然肤色；
2)应激运动硬件平台设计：
采用应激运动诱发方法为基于失衡的方法，因此，为了提供稳定、可控的应激场景，设计了三自由度旋转的座椅，并定制加工实现实物的搭建，如图2所示；应激运动硬件平台包括硬件平台、安全限位装置、控制系统等；
3)应激运动-视觉多源刺激范式：
为实现多源刺激范式的同步性与协同性，设计基于Labview框架的虚拟动画与座椅的协同控制命令，进而实现应激刺激与视觉刺激的同步匹配，其具体表现形式为：参照图3、图4，固定座椅底座，设置座椅绕y轴的3rad/s匀速转动自由度，最大旋转角度设置为15°；同时，虚拟场景里的座椅会跟随真实的座椅同步运动，在座椅启动的时刻，虚拟上肢模型以0.1m/s沿Z轴以方向匀速上下运动，直到座椅停止旋转；该范式拟通过同步的多源刺激，利用视觉-前庭神经多通道信息感知通道，实现运动皮层的有效感知和主动激活，从而提升运动想象脑机接口的稳定性与可靠性；
4)脑电信号采集平台：
将无线脑电帽戴在被试头上，取运动皮层FC3,C3,CP3,Cz,FC4,C4,CP4,CPz和AFz为测量电极，前额为接地电极，单侧耳垂放置参考电极，给各电极注入导电膏，确保电极连接正常。
5)应激运动诱发脑机交互实验流程设计：
在做好准备工作之后，要求被试执行一段长约10s的单次应激运动想象脑机接口试验，其中，0～2s，要求被试保持静息状态，集中注意力于电脑屏幕，座椅保持静止，电脑屏幕同步呈现静止的仿真画面；从第2s起，座椅启动，向单侧按照设定速度旋转，电脑屏幕中虚拟座椅与真实座椅同步运动，并显示上肢模型的运动画面；2～6s内，要求被试身体保持静止，同时根据失衡刺激和视觉刺激开展上肢的想象运动；第6s，座椅转动到极限位置，电脑对2～6s采集到的信号进行处理识别，若被试产生了响应的运动意图，座椅立即回正；若并未识别到相应的运动特征，座椅在极限位置维持3s于第10s自动回正；
6)脑电信号运动意图识别：
运动想象的脑电特征表现，体现在想象单侧上肢运动时，对侧运动皮层脑区α频带(8～13Hz)频带能量降低，同侧α频带能量升高；本发明采用最大能量抑制比法，即计算单次试验2～6s内左右两侧通道α频带平均能量比与0～2s内频带平均能量比是否具有显著性差异(配对t检验)，从而判断运动意图是否存在，判断结果可以用于6s时座椅的运动姿态控制；
单次识别结束后，重复脑机交互实验流程，实现对多试次的运动想象信号进行识别，记录识别结果。
为了验证本发明方法的可行性，本实施例招募12名被试(男女比例为1:1)参与实验，每名被试需要参加两类实验，即传统的运动想象实验和应激失衡刺激的运动想象。传统的运动想象实验只提供本发明中所用到的视觉刺激方案，而应激失衡刺激的运动想象实验范式既包含了视觉刺激也提供应激失衡的体感刺激。对于每类实验，所有被试需进行3轮实验(即六轮)，每轮实验共10个试次。为了对比两类实验的差异性，体现本发明方法的有效性，从分类准确率、大脑的激活程度两个角度对两类实验的结果进行分析；采用基于正则化的共同空间模式和支持向量机作为特征分类的方法，如图5所示，为两类运动想象脑机接口方法特征分类的准确率柱状图，由结果可知，应激运动想象的分类准确率达80.56％，而传统运动想象只有69.38％，且从多名被试的结果可以得出，应激运动想象显著提升了使用传统运动想象方法性能较差的人群，即体现了本发明方法的在BCI盲领域应用的前景。
同时，利用模糊熵的方法，通过对比单次实验中运动想象态与静息态平均模糊熵的大小，来评估了两种方法下同一被试运动皮层的激活程度，其比值越大即证明运动皮层激活程度越高。图6为两种方法运动皮层激活程度的箱体图，据图所知，运动想象明显能改变大脑运动皮层的活跃程度，相比于传统的运动想象(1.2365)，应激运动想象的激活程度更加强烈(1.6054)，且在每个被试的实验中都有体现。
Claims (2)
1.一种基于应激运动-视觉多源刺激的运动想象脑机接口方法，其特征在于：通过设计运动感知诱发场景，提供耦合应激运动和视觉提示的多源刺激，诱发被试产生本能运动反应，进而产生规律性的、稳定的运动激活与脑电信号表征。
2.一种基于应激运动-视觉多源刺激的运动想象脑机接口方法，其特征在于，包括：
1)运动提示视觉诱发场景构建：
利用Unity3D软件对虚拟人体上肢模型和座椅进行建模，并通过装配形成人乘坐座椅的整体模型，实现第一视角虚拟场景的搭建；同时，设置黑色背景为环境背景色，白色为座椅底色，人体模型设置为自然肤色；
2)应激运动硬件平台设计：
采用应激运动诱发方法为基于失衡的方法，设计了三自由度旋转的座椅，并加工实现实物的搭建，应激运动硬件平台包括硬件平台、安全限位装置、控制系统；
3)应激运动-视觉多源刺激范式：
设计基于Labview框架的虚拟动画与座椅的协同控制命令，进而实现应激刺激与视觉刺激的同步匹配，其具体表现形式为：固定座椅底座，设置座椅绕y轴的3rad/s匀速转动自由度，最大旋转角度设置为15°；同时，虚拟场景里的座椅会跟随真实的座椅同步运动，在座椅启动的时刻，虚拟上肢模型以0.1m/s沿Z轴以方向匀速上下运动，直到座椅停止旋转；
4)脑电信号采集平台：
将无线脑电帽戴在被试头上，取运动皮层FC3,C3,CP3,Cz,FC4,C4,CP4,CPz和AFz为测量电极，前额为接地电极，单侧耳垂放置参考电极；
5)应激运动诱发脑机交互实验流程设计：
要求被试执行一段长10s的单次应激运动想象脑机接口试验，其中，0～2s，要求被试保持静息状态，集中注意力于电脑屏幕，座椅保持静止，电脑屏幕同步呈现静止的仿真画面；从第2s起，座椅启动，向单侧按照设定速度旋转，电脑屏幕中虚拟座椅与真实座椅同步运动，并显示上肢模型的运动画面；2～6s内，要求被试身体保持静止，同时根据失衡刺激和视觉刺激开展上肢的想象运动；第6s，座椅转动到极限位置，电脑对2～6s采集到的信号进行处理识别，若被试产生了响应的运动意图，座椅立即回正；若并未识别到相应的运动特征，座椅在极限位置维持3s于第10s自动回正；
6)脑电信号运动意图识别：
采用最大能量抑制比法，即计算单次试验2～6s内左右两侧通道α频带平均能量比与0～2s内频带平均能量比是否具有显著性差异，显著性差异通过配对t检验方法认定，从而判断运动意图是否存在，判断结果用于6s时座椅的运动姿态控制；
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Non-Patent Citations (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114081510B (zh) | 2024-07-23 |
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