基于Ｐ３００脑电电位的中文输入ＢＣＩ系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于Ｐ３００脑电电位的中文输入ＢＣＩ系统，包括：用于采集带Ｐ３００成分的脑电信号并进行放大和数字化的脑电采集系统，用于将经脑电采集系统放大和数字化的脑电信号进行增强处理和Ｐ３００成分检测的脑电信号分析模块，用于诱发使用者脑电信号并将脑电信号分析模块的检测结果转化为中文输入的用户界面模块，用于显示用户界面模块产生的中文输入的显示装置。本发明专利技术中文输入ＢＣＩ系统可以为身体瘫痪且语言功能受损的严重残疾病患提供与他人进行交流的途径，并且对其外围功能加以延伸后可以让患者实现对计算机程序和电子机械装置的控制。这在医疗康复、医学生理实验、脑功能机制探索方面具有诸多价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种医疗康复实验装置，具体是指一种利用人类头皮脑电 图实现对外界电子机械设备控制的脑机接口 (BCI)系统。
技术介绍
脑机接口技术(BCI )，研究的是如何通过非自然的方法沟通脑内信息 和外界环境。它为大脑和环境提供了信息传输通道，外界信息能从仿生传 感器输入到神经系统，神经信号也可以用于控制外部电子机械装置。该项 技术可以修复、改善甚至扩展神经系统原有功能，提供一种崭新的信息交 互模式。头皮脑电图(EEG)最先被用于BCI系统研究。上世纪七十年代，美 国国防部ARPA机构最早开始重视人与计算机之间沉浸式、紧密的交互技 术的研究。到了九十年代中后期，随着科学家对大脑功能原理的更深入了 解、高性能的电子产品的飞速发展、社会对残疾病人的更大关注，BCI 技术的研究出现了新的高潮。直至今天，基于EEG的BCI系统依然是BCI 研究的重要一环，并且由于其无创伤、安全易用的特性，处于BCI实用化 研究的前端。头皮脑电图通过与头皮接触的金属或金属化合物电极采集得到，电极 和头皮间需要填充导电媒介物以保证良好接触。目前在实验中一般采用电 极帽的方式采集脑电图信号，电极帽就是将多个电极以 一定空间分布嵌在 弹性帽子上，以简化定位和准备工作。奥地利Graz科技大学的BCI小组在G. PfUrtscheller的领导下于1991 年最早开始了基于动作想象的BCI研究。2003年他们实现了用EEG结合 功能性电刺激来帮助瘫痪病人恢复手臂功能，极大地推动了 BCI的实用化 发展。他们还设计了基于EEG的虛拟键盘进行英文的输入。美国Wadworth Center也是BCI领域的领军之一。他们研究的重点是运动感觉的自发节律控制。他们研发的BCI系统可以让用户通过自主控制μ节律，控制屏幕上的鼠标进行2维运动。自2001年以来，他们用研发 的BCI系统实现了让高度瘫痪者自行完成文字拼写、收发电子邮件、简单 语音交流等日常操作。其他的BCI研究机构包括南佛罗里达大学、德国Tiibingen大学、台 湾国立交通大学等。在这些研究机构的努力和合作下，已经产生了数种动 作想象控制、虚拟输入键盘和虚拟场景漫游的BCI模型。P300是一种事件相关电位(ERP),是一种和心理认知事件有关的EEG 响应，可以通过听觉视觉等各种刺激诱发， 一般在实验对象期望的事件发 生时出现。产生P300电位的两个前提是l.对象期望的事件必须是一个 小概率事件；2.此事件的具体发生时刻应该是随机的。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于P300脑电电位的中文输入BCI系统，拥有实用 BCI系统的完整功能，可以在线地让使用者依靠心理活动实现向计算机输 入中文。一种基于P300脑电电位的中文输入BCI系统，包括用于采集带P300成分的脑电信号并进行放大和数字化的脑电采集系统；用于将经脑电釆集系统放大和数字化的脑电信号进行增强处理和 P300成分检测的脑电信号分析模块；用于诱发使用者脑电信号并将脑电信号分析模块的检测结果转化为 中文输入的用户界面模块；用于显示用户界面模块产生的中文输入的显示装置。其中，所述的脑电采集系统包括用于从使用者头部直接采集多通道脑电信号的多导电极帽； 用于将多导电极帽采集的脑电信号进行;改大、增强、滤波处理的脑电放大器；用于将脑电放大器处理后的脑电信号转发给脑电信号分析模块的放 大器控制模块。脑电放大器通过多导电极帽从使用者头部直接采集多通道的脑电信 号。放大器对信号进行放大、增强、滤波后，以一定采样率将信号数字化，并通过USB连线将信号传输到PC机上。运行于PC机上的放大器控制模 块接收到脑电信号后将其转发给脑电信号分析模块。所述的脑电信号分析模块由信号处理模块和P300成分才企测模块。 信号处理模块用于将经脑电采集系统放大和数字化的脑电信号(即来自脑 电采集系统的脑电放大器)进行P300成分凸显，工作时以数字信号处理 技术抑制脑电信号中的干扰和噪声，去除信号基线漂移，突显脑电信号中 可能存在的P300成分；P300成分检测模块用于通过信号处理模块凸显出的P300成分判定使 用者意图，即判断脑电信号中P300成分存在时刻。P300成分检测模块运 用随机信号的模板相关度匹配技术估计脑电信号中不同时间段P300成分 存在的概率，根据概率值判定P300成分发生时刻，根据发生时刻信息确 定使用者意图(用户的输入选项)。检测程序用于对待分析的脑电信号时 间段进行匹配的模板依据使用者个人的P300信号特点制作；另外脑电信号分析模块还可以包括显示记录模块，显示记录模块可在 必要时实时显示使用者的脑电信号波形和P300成分分析结果，供研究人 员观察。此模块同时保存采集到的脑电信号数据，包括原始数据和处理后 数据，供后期分析研究使用者习惯，评估系统运行。所述的用户界面模块包括用于诱发使用者脑电信号的P300视觉诱发界面模块；用于将脑电信号分析模块的检测结果(来自脑电信号分析模块中的 P300成分检测模块。)转化为中文输入的中文输入控制模块。用户界面模块是整个中文输入BCI系统的控制和配置中心，可以让辅 助人员通过快捷键控制系统的启停和工作状态切换等需要人工参与的工 作，并将用户和中文输入BCI系统的配置参数发送给脑电信号分析模块使 之能根据当前使用者的特点自动调整。P300视觉诱发界面模块通过视觉提示来诱发使用者的P300电位。P300视觉诱发界面模块通过显示装置为使用者提供多个输入选项，输入 选项以选项框形式出现，选项框在屏幕上形成特定的空间分布。P300 视觉诱发界面模块通过选项框的变色彩闪烁形成提示事件，诱发使用者的P300事件诱发电位。选项框的内斜艮据中文输入状态变化。中文输入控制模块控制汉字笔画和字符的输入通过中文笔画的选择 产生候选汉字，通过功能键实现笔画选择和汉字字符选择之间的切换，通 过字符的选择从候选汉字中产生使用者需要的汉字。用户界面模块作为Windows程序运行于PC机上，通过显示装置(可 以是普通PC机显示器)将相关信息显示出来。本专利技术的中文输入BCI系统具有使用和训练两种工作模式。 使用模式为使用者提供中文输入服务，训练模式为用户提供了进行适应性 使用训练的环境，能帮助使用者熟悉系统操作。在训练才莫式下，系统还可 完成P300检测程序所用模板的制作，这一功能包括在P300成分检测模块 中，由其根据系统使用者在训练过程中的脑电信号生成模板并保存。本专利技术的中文输入BCI系统具有充分的可配置性，可以根据系统工作 模式、使用者的脑电信号特点和使用者个人偏好改变系统的特性。可供配 置的内容包括P300视觉诱发界面模块中的输入选项框空间分布位置和模式；背景、 选项框、文字输入框配色方案；提示闪烁色彩、闪烁频率；脑电信号分析模块的降噪、去漂移算法；匹配模板的时间长度；上一 选项输入完毕到下一选项开始输入的等待时间；系统使用的脑电电极的数量和位置。所述的用户界面可以将每个用户的偏好参数和模板以独立文件的方 式保存，文件后缀为bupd。所述的用户界面模块和脑电信号分析模块可以运行在同一台PC机 上，也可以分布地运行于多台PC机上。用户界面模块和脑电信号分析模 块之间通过Socket连接交互控制指令和数据信息。本专利技术的中文输入BCI系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Ｐ３００脑电电位的中文输入ＢＣＩ系统，其特征在于，包括：用于采集带Ｐ３００成分的脑电信号并进行放大和数字化的脑电采集系统；用于将经脑电采集系统放大和数字化的脑电信号进行增强处理和Ｐ３００成分检测的脑电信号分析模块；用于诱发使用者脑电信号并将脑电信号分析模块的检测结果转化为中文输入的用户界面模块；用于显示用户界面模块产生的中文输入的显示装置。

【技术特征摘要】
1、一种基于P300脑电电位的中文输入BCI系统，其特征在于，包括用于采集带P300成分的脑电信号并进行放大和数字化的脑电采集系统；用于将经脑电采集系统放大和数字化的脑电信号进行增强处理和P300成分检测的脑电信号分析模块；用于诱发使用者脑电信号并将脑电信号分析模块的检测结果转化为中文输入的用户界面模块；用于显示用户界面模块产生的中文输入的显示装置。2、 如权利要求1所述的中文输入BCI系统，其特征在于所述的脑 电釆集系统包括用于釆集脑电信号的多导电极帽；用于将多导电极帽采集的脑电信号进行放大、增强、滤波处理的脑电 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏煜，庄越挺，郑筱祥，陈卫东，吴边，张剑慧，李昕，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]