一种基于无创电刺激的运动想象脑机接口控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于无创电刺激的运动想象脑机接口控制方法，该控制方法包括：对用户的初级运动皮层施加阳极无创脑功能电刺激；采集用户执行运动想象任务后的脑电原始信号，并从脑电原始信号中提取事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号；对所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号进行量化处理，得到所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号在Lowerμ波段、Upperμ波段及β波段的平均功率；对所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号进行特征提取，得到所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号的特征值；根据所述平均功率对所述特征值进行分类得到控制指令；其中，控制指令用于反馈训练范式的控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及脑机接口控制
，尤其涉及一种基于无创电刺激的运动想象脑机接口控制方法。
技术介绍
脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)是一种能够向大脑以外的世界传递信息、提供替代通路的系统，广泛用于运动训练、通讯及娱乐等领域。目前，发展最为成熟的BCI系统主要是基于脑电(Electroencephalography,EEG)的BCI系统，这种BCI系统通过采集头皮EEG信号，并对这种信号进行特征提取和分类，提取出能够反映大脑活动意图的信号，从而达到控制、通信的目的。基于运动想象(Motor Imagery,MI)的BCI，是指用户通过想象某一种运动过程，自发的调节自身的感觉运动神经节律(Sensorimotor Rhythm,SMR)，具体有两种表现形式，分别是事件相关去同步化(Event-Related Desynchronization,ERD)和事件相关同步化(Event-Related Synchronization,ERS)。在基于运动想象的BCI系统中，用户和BCI系统的控制是一个动态交互的过程，用户对于BCI系统的良好控制，需要BCI系统从ERD/ERS信号中提取运动想象的意图特征并进行分类，以此作为判别依据，下达控制指令。众所周知，EEG信号携带大量的伪迹和噪声。为了提高用户对BCI系统控制的准确度，现有的很多方法都聚焦于研发复杂的模式识别和分类算法，企图从高噪声的EEG信号中解码出可靠的BCI控制信号。例如，专利公开号为CN104166548A的专利文献介绍了一种基于运动想象脑电数据深度学习的方法，该方法基于深度学习(Deep Learning,DL)算法思想分类方案，利用DL可以有效进行特征提取的优势，分类特征的提取准确度有了保证。另一项公开号为CN104814734A的专利文献中介绍了一种基于CSP和互相关的运动想象脑电信号分类方法，通过共空间模式提取训练集的共空间特征，同时通过互相关函数提取训练集的互相关特征，然后由这两个特征组合成训练集的训练特征向量，主要解决现有技术对个体适应性较差，分类准确度差异大的问题。上述的为提高用户对BCI系统控制准确度的技术，在离线分析处理环境中，由于硬件资源相对丰富，对于实时性的要求也不会太高，在一定程度上的确提高了分类的准确率，改善了用户对于BCI系统的控制效果。但是在实际的使用中，这些现有的技术存在着以下缺点：第一，上述的EEG信号分类算法之所以能够提高分类准确度，是以提高算法的时间复杂度和空间复杂度为代价的。在绝大多数情况下，BCI系统需要实时的提取用户的指令，实现对外部任务的控制。而且随着穿戴式设备越来越流行，体积小、重量轻、功耗低成为硬件设备发展的必然趋势，在这些设备上运行复杂的算法是一个不小的挑战，因此，上述的方法在实际应用中效果并不明显。第二，从用户角度来说，用户对于运动想象BCI系统的适应需要进行多次重复的反馈训练，这虽然是普遍想象，但的确给用户造成了负担，并且会使用户感到疲劳和不适。因为无论分类算法多么精准，都不能提高用户自发调节SMR的技巧。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于无创电刺激的运动想象脑机接口控制方法，该控制方法包括：对用户的初级运动皮层施加阳极无创脑功能电刺激；采集用户执行运动想象任务后的脑电原始信号，并从所述脑电原始信号中提取事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号；对所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号进行量化处理，得到所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号在Lowerμ波段、Upperμ波段及β波段的平均功率；对所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号进行特征提取，得到所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号的特征值；根据所述平均功率对所述特征值进行分类得到控制指令；其中，所述控制指令用于反馈训练范式的控制。在一实施例中，对用户的初级运动皮层施加阳极无创脑功能电刺激，包括：将刺激电极的阳极电极置于用户的初级运动皮层的一侧，并将刺激电极的阴极电极置于用户初级运动皮层另一侧对应的眼眶上方；通过所述阳极电极对用户的初级运动皮层施加不超过预设刺激强度的直流电进行无创脑功能电刺激。在一实施例中，采用逐渐增强的模式对用户的初级运动皮层施加电刺激。在一实施例中，所述预设刺激强度为1mA。在一实施例中，所述控制方法还包括：对所述采集的脑电原始信号进行放大，并对所述脑电原始信号进行伪迹处理，去除用户眨眼和身体移动造成的伪迹。在一实施例中，所述控制方法还包括：对所述脑电原始信号进行7-30Hz带通滤波，保留感觉运动神经节律。在一实施例中，对所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号进行特征提取，得到所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号的特征值，包括：利用两通道自回归算法计算所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号的两通道自回归功率谱，作为所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号的特征值。在一实施例中，对所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号进行特征提取，得到所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号的特征值，包括：利用共空间模式算法对所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号进行特征提取，得到所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号的特征值。在一实施例中，根据所述平均功率对所述特征值进行分类得到控制指令，包括：根据所述平均功率，利用基于马氏距离的线性分类器对所述特征值进行分类，得到所述控制指令。在一实施例中，根据所述平均功率对所述特征值进行分类得到控制指令，包括：根据所述平均功率，利用线性支持向量机对所述特征值进行分类，得到所述控制指令。基于现有方法的缺点和科学理论的发展表明，用户对于控制BCI技巧的学习与用户对于常规的运动学习过程是一样的，无创的脑刺激技术，例如重复经颅磁刺激(repetitive Transcranial Magnetic Stimulation,rTMS)和经颅直流电刺激(transcranial Direct Current Stimulation,tDCS)等，被认为能够调节初级运动皮层的学习和巩固。通过施加微弱的直流电，能够方便有效的导致特定脑区极性的改变，调节皮层的兴奋性，并且不会造成神经元动作电位的发放。无创脑功能电刺激的作用效应不仅仅局限于刺激期间，还可以持续到刺激后的几个小时里。本专利技术通过阳极无创脑功能电刺激刺激初级运动皮层(Primary Motor Cortex,M1)，增强M1的兴奋性，调节运动想象中的SMR的ERD信号和/或ERS信号，从而巩固用户对BCI控制技巧的学习能力，能够使用户在更少的训练次数里掌握对基于运动想象BCI的控制技巧，减轻学习负担。利用本专利技术还可以使用户在执行运动想象任务时，产生被电刺激改善的EEG活动模式特征，提高BCI系统的分类性能，即使采用普通的分类算法也能提高分类的准确度。并且，本专利技术提供的控制方法实时性高，对硬件资源要求低。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无创电刺激的运动想象脑机接口控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：对用户的初级运动皮层施加阳极无创脑功能电刺激；采集用户执行运动想象任务后的脑电原始信号，并从所述脑电原始信号中提取事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号；对所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号进行量化处理，得到所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号在Lowerμ波段、Upperμ波段及β波段的平均功率；对所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号进行特征提取，得到所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号的特征值；根据所述平均功率对所述特征值进行分类得到控制指令；其中，所述控制指令用于反馈训练范式的控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于无创电刺激的运动想象脑机接口控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：对用户的初级运动皮层施加阳极无创脑功能电刺激；采集用户执行运动想象任务后的脑电原始信号，并从所述脑电原始信号中提取事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号；对所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号进行量化处理，得到所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号在Lowerμ波段、Upperμ波段及β波段的平均功率；对所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号进行特征提取，得到所述事件相关去同步化信号和/或事件相关同步化信号的特征值；根据所述平均功率对所述特征值进行分类得到控制指令；其中，所述控制指令用于反馈训练范式的控制。2.根据权利要求1所述的基于无创电刺激的运动想象脑机接口控制方法，其特征在于，对用户的初级运动皮层施加阳极无创脑功能电刺激，包括：将刺激电极的阳极电极置于用户的初级运动皮层的一侧，并将刺激电极的阴极电极置于用户初级运动皮层另一侧对应的眼眶上方；通过所述阳极电极对用户的初级运动皮层施加不超过预设刺激强度的直流电进行无创脑功能电刺激。3.根据权利要求2所述的基于无创电刺激的运动想象脑机接口控制方法，其特征在于，采用逐渐增强的模式对用户的初级运动皮层施加电刺激。4.根据权利要求2或3所述的基于无创电刺激的运动想象脑机接口控制方法，其特征在于，所述预设刺激强度为1mA。5.根据权利要求1所述的基于无创电刺激的运动想象脑机接口控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：对所述采集的脑电原始信号进行放大，并对所述脑电原始信号进行伪迹处理，...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔚鹏飞，黄康，王立平，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44