一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法及系统，包括：将运动想象任务显示提供于受试者，并采集产生的数字脑电信号；读取数字脑电信号并判断是否超过预设时段,是则截取，否则继续读取；进行带通滤波，采用快速傅里叶变换计算得到数字脑电信号的时频特征并提取频率能量最高的频率值作为主频率；并采用希尔伯特变换计算得到数字脑电信号的瞬时相位；以主频率和瞬时相位分别作为正弦波的频率和初相，生成预测正弦波且预测获取实时相位信息；判断是否在施加振动刺激的相位区间，并生成和输出控制指令，根据控制指令控制振动电机振动刺激受试者的感觉通道。本发明专利技术提高了脑机接口系统的信噪比，增强了运动想象信号的识别率。

A Brain-Computer Interface Method and System Based on Real-time Closed Loop Vibration Stimulation Enhancement

The invention discloses a brain-computer interface method and system based on real-time closed-loop vibration stimulation enhancement, which includes: providing motion imagery task display to the subjects and collecting the generated digital EEG signal; intercepting the digital EEG signal and judging whether it exceeds the preset period or not; carrying out band-pass filtering and calculating the digital by fast Fourier transform. The time-frequency characteristics of EEG signal are extracted and the frequency value with the highest frequency energy is taken as the main frequency; the instantaneous phase of digital EEG signal is calculated by Hilbert transform; the frequency and initial phase of the main frequency and instantaneous phase are taken as sinusoidal wave respectively, and the predicted sinusoidal wave is generated and the real-time phase information is obtained; the phase interval of the vibration stimulus is judged, and the sum is generated. Output control instructions, according to the control instructions, control the vibration of the vibration motor to stimulate the sensory channel of the subjects. The invention improves the signal-to-noise ratio of the brain-computer interface system and enhances the recognition rate of the motor imagery signal.

【技术实现步骤摘要】
一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法及系统
本专利技术涉及一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法及系统，属于脑机接口

技术介绍
1999年召开的第一次脑机接口国际会议给出了脑机接口的定义，即脑-机接口是一种不依赖于正常的由外周神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统。脑机接口的生物学原理是大脑在进行思维活动、产生动作意识或受外界刺激时。神经细胞将产生几十毫伏的微电活动，大量神经细胞的电活动传到头皮表层形成脑电波。脑-机接口(BCI)是以脑电信号或其他相关技术为基础，将大脑活动特征转化为预定义的命令，从而实现与外界交流或者控制其他外部设备的先进技术。由头皮上放置电极方法提取的脑电信号称为头皮脑电信号(EEG)，由于从大脑到头皮之间存在脑膜、颅骨和多层组织的阻隔，所以EEG信号的信噪比很低，难以提取到稳定可靠的信号，这在对外部设备的控制中是一个较严重的问题，严重影响了脑机接口的应用范围。同时不同个体间的脑电信号也存在差异，研究表明大约有30％的人使用脑机接口时解码率较低，以至于难以实现大脑与外界环境的交流和控制，我们把这一类人称为‘’BCI盲‘’。所以如何提高BCI的解码率等实际表现是脑机接口的一个关键问题。BCI用户可以通过简单地执行想象左手或右手运动来启动大脑控制。手部运动的动觉想象在受试者的感觉运动皮层中产生事件相关同步(ERD/ERS)。事件相关同步定义为特定频带(例如α波段8-13Hz)的功率减少或增加。通常，运动想象诱导的ERD活动侧向对侧半球，即运动想象诱导对侧感觉运动皮层中的ERD，这些侧向皮质活动构成了基于运动想象的脑机接口的神经生理学基础。解决BCI发展所面临问题的潜在方法是采用触觉。与视觉刺激相比，触觉感觉产生较少的视觉疲劳，让使用者不会过度疲劳。人的触觉感受器主要是分布于表层皮肤中的麦斯纳小体，感受皮肤的轻压刺激；梅氏小体主要负责感受触觉；较为深层的巴西尼环层小体，主要感受压觉；还有品库斯小体及许多神经末梢、触盘等。其中，梅氏小体位于与主脊相邻并且最靠近皮肤表面的尖端。这些在低频振动(1-40Hz)信号传导中特别有效，因此在检测感觉振动中起着重要作用。越来越多的研究表明，非侵入性的电刺激可以在锁定潜在的大脑节律时更有效地调节神经活动。振动刺激有可能潜在的与自然震荡同相位，但由于EEG信号的复杂性与时变性，匹配人体自发的震荡是一项具有挑战性的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，针对脑电信号本身的非线性、非平稳、非高斯过程等特征的问题，提供一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法及系统，提高了脑机接口系统的信噪比，增强脑源信号。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法，包括以下步骤：将运动想象任务显示提供于受试者，并采集受试者运动想象时产生的数字脑电信号；读取所采集的数字脑电信号并判断是否超过预设时段,是则截取预设时段内的数字脑电信号，否则继续读取所采集的数字脑电信号；对所截取预设时段内的数字脑电信号进行带通滤波后，采用快速傅里叶变换计算得到该段数字脑电信号的时频特征并提取其中频率能量最高的频率值作为其主频率；并对带通滤波后的数字脑电信号采用希尔伯特变换计算得到该段数字脑电信号的瞬时相位；以该段数字脑电信号的主频率和瞬时相位分别作为正弦波的频率和初相，生成预测正弦波，且根据预测正弦波预测获取当前时刻下的实时相位信息；根据预测获取的当前时刻下的实时相位信息判断是否在施加振动刺激的相位区间，并根据判断结果生成和输出控制指令，根据控制指令控制振动电机振动刺激受试者的感觉通道。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述方法中运动想象任务包括左手或右手运动想象动作。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述方法中对所截取预设时段内数字脑电信号进行α波段的带通滤波。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述方法中采用希尔伯特变变换计算得到该段数字脑电信号的瞬时相位，采用公式：其中，y(t)是对x(t)执行希尔伯特变换后的数字脑电信号；x(t)是带通滤波后的这段数字脑电信号；p和v是柯西主值意义上的积分；θx(t)是t时刻的瞬时相位。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述方法中生成的预测正弦波fs具体为：其中，fmain为截取预设时段内数字脑电信号的主频率；tf是预测波形的长度；θx(t)是t时刻的瞬时相位。本专利技术提出的一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口系统，包括：人机交互模块，用于将运动想象任务显示提供于受试者；脑电信号采集模块，用于采集受试者运动想象时产生的数字脑电信号；实时相位预测模块，用于读取所采集的数字脑电信号并判断是否超过预设时段，是则截取预设时段内的数字脑电信号，否则继续读取所采集的数字脑电信号；及用于对所截取预设时段内的数字脑电信号进行带通滤波后，通过快速傅里叶变换计算得到该段数字脑电信号的时频特征并提取其中频率能量最高的频率值作为其主频率，并通过希尔伯特变换计算得到该段数字脑电信号的瞬时相位；以该段数字脑电信号的主频率和瞬时相位分别作为正弦波的频率和初相，生成预测正弦波，且根据预测正弦波预测获取当前时刻下的实时相位信息；脑电信号分析模块，用于根据预测获取的当前时刻下的实时相位信息判断是否在施加振动刺激的相位区间，根据判断结果生成和输出控制指令；振动刺激反馈模块，用于根据脑电信号分析模块输出的控制指令控制振动电机振动刺激受试者的感觉通道。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案所述脑电信号采集模块包括依次连接的脑电帽、脑电信号放大器、低通和带阻滤波器、模数转换模块及通信模块。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述实时相位预测模块采用带通滤波器对预设时段内数字脑电信号进行带通滤波。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述带通滤波器采用十阶椭圆无限脉冲响应滤波器。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述振动刺激反馈模块根据控制指令设置不同的振动频率作用于左手和右手。本专利技术采用上述技术方案，能产生如下技术效果：本专利技术方法及系统，通过显示指导受试者执行运动想象任务，同时利用采集的脑电信号数据段时频特征生成预测正弦波，再基于预测正弦波预测实时脑电信号相位信息，利用预测的瞬时相位信息来控制振动电机在人手指尖施加振动刺激，达到实时闭环的振动刺激效果以增强脑电信号的信噪比，提高运动想象任务解码率。本专利技术可以通过振动刺激反馈调控脑电节律，提高了脑机接口系统的信噪比，为增强脑源信号提供了一种新方案。增强了运动想象信号的识别率，减少了“BCI盲”现象，使使用者与外界沟通更加有效便捷。因此，本专利技术可以提高振动刺激的实时性，通过将刺激集中在用于增强脑电信号的最佳相位上并且通过确保在多个循环中重复这一点以便利用累积效应来使刺激效果最大化，提高运动想象任务解码率，减少脑机接口在个体之间的差异。与传统的开环持续刺激方法相比，这样的系统可能以更低的功率需求和更高的特异性实现振动控制，并且可以降低耐受性和反弹的风险。附图说明图1为本专利技术基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口系统的结构示意图。图2为本专利技术方法中实时相位预测流程图。图3为本专利技术基于实时闭环刺激反馈的运动想象实验范式示意图。具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法，其特征在于，包括以下步骤：将运动想象任务显示提供于受试者，并采集受试者运动想象时产生的数字脑电信号；读取所采集的数字脑电信号并判断是否超过预设时段,是则截取预设时段内的数字脑电信号，否则继续读取所采集的数字脑电信号；对所截取预设时段内的数字脑电信号进行带通滤波后，采用快速傅里叶变换计算得到该段数字脑电信号的时频特征并提取其中频率能量最高的频率值作为主频率；并对带通滤波后的数字脑电信号采用希尔伯特变换计算得到该段数字脑电信号的瞬时相位；以该段数字脑电信号的主频率和瞬时相位分别作为正弦波的频率和初相，生成预测正弦波，且根据预测正弦波预测获取当前时刻下的实时相位信息；根据预测获取的当前时刻下的实时相位信息判断是否在施加振动刺激的相位区间，并根据判断结果生成和输出控制指令，根据控制指令控制振动电机振动刺激受试者的感觉通道。

【技术特征摘要】
1.一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法，其特征在于，包括以下步骤：将运动想象任务显示提供于受试者，并采集受试者运动想象时产生的数字脑电信号；读取所采集的数字脑电信号并判断是否超过预设时段,是则截取预设时段内的数字脑电信号，否则继续读取所采集的数字脑电信号；对所截取预设时段内的数字脑电信号进行带通滤波后，采用快速傅里叶变换计算得到该段数字脑电信号的时频特征并提取其中频率能量最高的频率值作为主频率；并对带通滤波后的数字脑电信号采用希尔伯特变换计算得到该段数字脑电信号的瞬时相位；以该段数字脑电信号的主频率和瞬时相位分别作为正弦波的频率和初相，生成预测正弦波，且根据预测正弦波预测获取当前时刻下的实时相位信息；根据预测获取的当前时刻下的实时相位信息判断是否在施加振动刺激的相位区间，并根据判断结果生成和输出控制指令，根据控制指令控制振动电机振动刺激受试者的感觉通道。2.根据权利要求1所述基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法，其特征在于：所述方法中运动想象任务包括左手或右手运动想象动作。3.根据权利要求1所述基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法，其特征在于：所述方法中对所截取预设时段内数字脑电信号进行α波段的带通滤波。4.根据权利要求1所述基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法，其特征在于：所述方法中采用希尔伯特变换计算得到数字脑电信号的瞬时相位，采用公式：其中，y(t)是对x(t)执行希尔伯特变换后的数字脑电信号；x(t)是带通滤波后的数字脑电信号；p和v是柯西主值意义上的积分；θx(t)是t时刻的瞬时相位。5.根据权利要求1所述基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法，其特征在于：所述方法中生成的预测正弦波fs具体为：其中，fmain为截取预设时段内数字脑电信号的主频率；tf...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋爱国，张文彬，曾洪，徐宝国，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32