一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声调制的脑‑机接口通讯方法，包括：安装由脑电电极、脑电放大器、脑电滤波器的脑电采集系统以及基于超声调制的脑电信号测量系统组成的脑电信号测量设备、以及由聚焦超声换能器和聚焦超声波驱动装置组成的聚焦超声波发射设备；利用水听器测量聚焦超声波特性；在所设定的实验范式下，将超声波聚焦于焦斑位置，同时测量脑电信号和基于超声调制的脑电信号；利用所测量的脑电信号和基于超声调制的脑电信号制定解码策略。本方法利用聚焦超声波预先对颅内激活源信号进行调制，从激活源源头增加脑电信号的空间位置信息，进而为BCI通讯提供高时空分辨率的脑电信号，以扩展BCI系统通讯宽带、增大其指令集。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法
本专利技术涉及脑-机接口通讯
，尤其涉及一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法。
技术介绍
脑-机接口(Brain-computerInterface,BCI)是一个通过检测中枢神经系统(CentralNervousSystem，CNS)活动并将其转化为人工输出来替代、修复、增强、补充或改善CNS正常输出，由此改变CNS与其内外环境之间持续交互作用的系统。该定义突出了BCI替代、修复、增强、补充或改善CNS功能的关键作用，更强调了BCI在改变CNS传统对外交互机制、创造新型人机交互模式方面的重要意义。BCI通过采集和分析不同状态下人的脑电信号，使用一定的工程技术手段在人脑与计算机或其他电子设备之间建立起直接的交流和控制通道，从而实现一种新的信息交换和控制技术。例如：可以为残疾人特别是那些丧失了基本肢体运动功能但思维正常的病人提供一种与外界进行信息交流与控制的途径。为此，BCI技术越来越受到重视。在BCI系统研究中，通讯协议的设计是其中一个重要的环节，它直接决定了BCI系统的通讯带宽。目前基于脑电信号的BCI通讯协议包括：单一时间的编码方式，例如：基于ERP(事件相关电位)的BCI；单一频率的编码方式，例如：基于SSVEP(稳态视觉诱发电位)的BCI；以及基于空间、时间和频率联合编码的BCI通讯方法(CN103150017A)。这些编码方法、解码策略的研究大大提高了BCI系统的通讯效率。然而，受限制于脑电信号空间分辨率低、空间分布信息不足，目前基于脑电信号的BCI通讯协议存在指令集小，解码深度差的问题。同时，BCI系统受限于脑电信息微弱，极易受到干扰，其性能几乎完全依赖于对脑电信号的解码算法，难以深入学习更多的信源。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，本方法在传统脑电信号检测的基础上，利用聚焦超声波预先对颅内激活源信号进行调制，从激活源源头增加脑电信号的空间位置信息，进而为BCI通讯提供高时空分辨率的脑电信号，以扩展BCI系统通讯宽带、增大其指令集，详见下文描述：一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，所述方法包括以下步骤：安装由脑电电极、脑电放大器、脑电滤波器的脑电采集系统以及基于超声调制的脑电信号测量系统组成的脑电信号测量设备、以及由聚焦超声换能器和聚焦超声波驱动装置组成的聚焦超声波发射设备；利用水听器测量聚焦超声波特性；在所设定的实验范式下，将超声波聚焦于焦斑位置，同时测量脑电信号和基于超声调制的脑电信号；利用所测量的脑电信号和基于超声调制的脑电信号制定解码策略。进一步地，所述基于超声调制的脑电信号测量系统依次包括：差分放大装置、带通滤波装置、二次放大装置以及数字采集装置。其中，所述利用水听器测量聚焦超声波特性具体为：测量聚焦超声波谐振频率、聚焦超声波焦斑的位置、尺寸、以及聚焦超声波焦斑处声压。具体实现时，所述测量脑电信号具体为：根据导程场理论，在已知脑内神经元电活动和组织电阻率ρ情况下，脑电电极测量的脑电信号V满足如下数学关系：其中，是激活源电流密度；是电极在单位电流注入情况下对应的电流密度；Ω是全脑电活动区域。具体实现时，所述测量基于超声调制的脑电信号具体为：当聚焦超声波聚焦于焦斑时，聚焦区域电阻率的变化Δρ导致脑电电极测量的脑电信号的变化，产生超声调制的脑电信号VAE，该信号与聚焦超声波频率相同，与脑电信号幅值正相关，并且携带聚焦超声波焦斑空间位置信息，其数学关系如下：进一步地，所述利用所测量的脑电信号和基于超声调制的脑电信号制定解码策略具体为：通过滤波、共空间模式特征提取、支持向量机模式识别后，将识别结果转换为相应的BCI命令输出。所述带通滤波装置的中心频率为1MHz，总放大倍数为50-70分贝，所选用的数字采集板块为NIPXI-5101。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：(1)通过超声调制脑电信号，增加脑电信号的空间分布信息，进而扩展BCI系统通讯宽带、增大其指令集，可以从根本上提高BCI的通讯效率；(2)相比于基于脑电的BCI通讯方法，基于超声调制的BCI通讯方法可以根据基于超声调制脑电信号的空间位置信息，进行深度的解码，进而增加BCI系统的解码深度。附图说明图1为基于超声调制的脑-机接口通讯的示意图；图2为基于超声调制的脑-机接口通讯方法的流程图；图3为聚焦超声波对脑电信号调制原理的示意图。图中，将聚焦超声波触发信号施加给聚焦超声换能器进而发射聚焦超声波，将超声波聚焦于焦斑。焦斑位置记为L，图中以三个焦斑位置为例，分别记为L.1、L.2、L.3。聚焦超声波用于对颅内激活源信号进行调制，通过脑电电极对基于超声调制的脑电信号进行测量。图4为基于超声调制的脑电信号测量系统示意图。其中，带通滤波中心频率由超声换能器中心频率决定，实施例中所用超声换能器中心频率为1MHz，所以此处带通滤波中心频率为1MHz。如果所使用超声换能器中心频率为0.5MHz，则对应带通滤波中心频率为0.5MHz；总放大倍数为50-70分贝；所选用的数字采集板块为NIPXI-5101，其采样频率为20MHz，其他更高采样频率的数字采集板卡亦可。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。声电效应是一种超声对电学调制的基本物理现象，具体指：聚焦超声波在介质中传播，造成局部区域(聚焦区域)电阻率的周期性变化(由超声波的频率决定)。基于声电效应作用，参考文献[1]-[4]中提出电流密度成像即声电成像方法，以实现电流源分布成像。这些工作为超声调制脑电信号的可行性进行了理论和实验验证，为本专利技术的提出提供了理论基础。实施例1一种基于超声调制的脑-机接口通讯新方法，参见图1和图2，该方法包括下列的步骤：101：安装脑电信号测量装置以及聚焦超声波发射装置，并测量聚焦超声波特性；102：在所设定的实验范式下，如运动想象实验范式，将超声波聚焦于焦斑位置，同时测量脑电信号和基于超声调制的脑电信号；具体实现时，还可以为其他的实验范式，本专利技术实施例对此不做限制。103：利用所测量的脑电信号和基于超声调制的脑电信号制定解码策略。即，通过滤波、CSP(共空间模式)特征提取、SVM(支持向量机)模式识别后，将识别结果转换为相应的BCI命令输出。综上所述，本专利技术实施例通过上述步骤101-步骤103实现了通过超声调制脑电信号，增加脑电信号的空间分布信息，进而扩展BCI系统通讯宽带、增大其指令集，可以从根本上提高BCI的通讯效率。实施例2下面结合图3和图4对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：201：安装脑电信号测量装置以及聚焦超声波发射装置，并测量聚焦超声波特性；其中，脑电信号测量装置包括：脑电电极、脑电放大器、脑电滤波器的脑电采集系统以及基于超声调制的脑电信号测量系统。其中，参见图4，基于超声调制的脑电信号测量系统：包含：差分放大装置、带通滤波装置、二次放大装置以及数字采集装置。其中，聚焦超声波发射装置包括：聚焦超声换能器、以及聚焦超声波驱动装置。同时，利用水听器测量聚焦超声波特性，具体包括：聚焦超声波谐振频率、聚焦超声波焦斑的位置以及尺寸、聚焦超声波焦斑处声压其中，P0聚焦超声波声压为；为聚焦超声波角频率。进一步地，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超声调制的脑‑机接口通讯方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：安装由脑电电极、脑电放大器、脑电滤波器的脑电采集系统以及基于超声调制的脑电信号测量系统组成的脑电信号测量设备、以及由聚焦超声换能器和聚焦超声波驱动装置组成的聚焦超声波发射设备；利用水听器测量聚焦超声波特性；在所设定的实验范式下，将超声波聚焦于焦斑位置，同时测量脑电信号和基于超声调制的脑电信号；利用所测量的脑电信号和基于超声调制的脑电信号制定解码策略。

【技术特征摘要】
1.一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：安装由脑电电极、脑电放大器、脑电滤波器的脑电采集系统以及基于超声调制的脑电信号测量系统组成的脑电信号测量设备、以及由聚焦超声换能器和聚焦超声波驱动装置组成的聚焦超声波发射设备；利用水听器测量聚焦超声波特性；在所设定的实验范式下，将超声波聚焦于焦斑位置，同时测量脑电信号和基于超声调制的脑电信号；利用所测量的脑电信号和基于超声调制的脑电信号制定解码策略。2.根据权利要求1所述的一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，其特征在于，所述基于超声调制的脑电信号测量系统依次包括：差分放大装置、带通滤波装置、二次放大装置以及数字采集装置。3.根据权利要求1所述的一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，其特征在于，所述利用水听器测量聚焦超声波特性具体为：测量聚焦超声波谐振频率、聚焦超声波焦斑的位置、尺寸、以及聚焦超声波焦斑处声压。4.根据权利要求1所述的一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，其特征在于，所述测量脑电信号具体为：根据导程场理论，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋西姊，明东，刘爽，陈龙，万柏坤，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12