一种基于触觉感受校准的想象运动解码方法技术

本发明专利技术公开了一种基于触觉感受校准的想象运动解码方法，包括：(1)设置触觉刺激装置，将触觉刺激施加到受试者左手腕或右手腕的背侧；(2)设置EEG脑电设备来记录EEG信号，原始信号以500Hz的频率进行数字采样，并使用滤波器对原始信号进行滤波；(3)利用触觉刺激装置和EEG脑电设备，采集受试者的纯想象运动数据，以及触觉感受辅助的想象运动数据；(4)使用公共空间模式算法提取脑电数据特征，训练分类器用于对脑电数据特征进行分类；其中，使用触觉感受辅助的想象运动数据作为训练集；(5)将训练好的分类器用于纯想象运动解码。利用本发明专利技术，可以获得更高信噪比的EEG脑电数据，进而训练出更鲁棒、更精确的模型用于运动解码。更精确的模型用于运动解码。更精确的模型用于运动解码。

【技术实现步骤摘要】
一种基于触觉感受校准的想象运动解码方法


[0001]本专利技术涉及想象运动脑机接口解码领域，尤其是涉及一种基于触觉感受校准的想象运动解码方法。

技术介绍

[0002]脑机接口直接从脑电信号中解码运动意图，以进行外部设备控制。脑机接口可以帮助中风患者与外界交流并控制假肢，利用神经可塑性进行神经康复训练。自从1970年代提出脑机接口以来，已经开发了各种脑机接口系统。基于EEG脑电图的非侵入式脑机接口因其高安全性而受到广泛关注。基于EEG脑电图的脑机接口主要分为三种类型，基于视觉诱发P300信号的脑机接口、基于稳态视觉诱发电位的脑机接口和基于运动想象节律的脑机接口。前两种脑机接口都需要外部视觉刺激，占据视觉通道。而基于想象运动的脑机接口完全由用户内心的自发活动产生，不影响视觉交互，对于失去视觉能力的人来说非常重要。
[0003]然而，基于运动想象的脑机接口仍然存在解码精度低、校准过程时间长等问题。近年来，已经有很多校准方法来提高想象运动的解码性能。如常见的空间模式算法和流行的深度学习算法。但是，由于脑电数据的非平稳性和低信噪比，这些算法的性能提升有限。另一个阻拦基于想象运动的脑机接口广泛应用的问题是脑机接口的校准阶段所需时间较长。脑电信号具有非平稳性，用户需要一定时间重新采集训练数据训练模型，否则解码准确率会随着时间下降。
[0004]为了让脑机接口得到广泛应用，如何更加准确的解码和更加快速的校准是两个急需解决的问题。主动运动、被动运动、功能性电刺激和想象运动诱发的大脑激活模式具有相似性，基于此已经开发出校准想象运动脑机接口的新策略。
[0005]Kaiser的研究表明，机器人辅助被动运动可用于解码想象运动，这对脑卒中康复中的脑机接口很有意义。在Vidaurre的工作中，神经肌肉电刺激诱导的大脑模式被用于解码想象运动，离线分析表明，这种方法可以支持脑机接口系统的校准。
[0006]上述两种方法都是通过刺激相应的神经纤维后传递给大脑的本体感觉信息，从而产生识别大脑模式以检测运动意图。然而被动运动和电刺激与真实的想象运动是完全不同的任务，训练集和测试集的差异较大时将导致解码准确率下降。
[0007]因此，亟需设计一种能在最大程度上保持与纯想象运动的一致性的辅助训练及解码方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供了一种基于触觉感受校准的想象运动解码方法，通过在校准阶段的想象运动任务中施加触觉刺激辅助想象运动以增强大脑运动相关激活，从而获得更高信噪比的EEG脑电数据，进而训练出更鲁棒、更精确的模型用于运动解码。
[0009]一种基于触觉感受校准的想象运动解码方法，包括以下步骤：
[0010](1)设置触觉刺激装置，将触觉刺激施加到受试者左手腕或右手腕的背侧，使用线
性共振致动器来产生触觉刺激，刺激的频率为27Hz；
[0011](2)设置EEG脑电设备来记录EEG信号，整个记录过程中，电极阻抗低于10KΩ，原始信号以500Hz的频率进行数字采样，并使用0.5
‑
70Hz之间的带宽滤波器和48～52Hz的凹陷滤波器对原始信号进行滤波；
[0012](3)利用触觉刺激装置和EEG脑电设备，采集受试者的纯想象运动数据，以及触觉感受辅助的想象运动数据；
[0013](4)使用公共空间模式算法提取脑电数据特征，训练分类器，用于对脑电数据特征进行分类；其中，触觉感受辅助的想象运动数据作为训练集；
[0014](5)将训练好的分类器用于纯想象运动解码。
[0015]本专利技术提出在基于想象运动的脑机接口中应用触觉感受校准，使用带有触觉感受的想象运动任务训练模型解码纯想象运动任务，触觉感受增加了想象运动任务的大脑运动相关激活，而获得更高信噪比的EEG脑电数据，进而训练出更鲁棒、更精确的模型来解码纯想象运动任务。
[0016]步骤(1)中，使用线性共振致动器(10mm，C10
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100，Precision Microdrives td.，通常归一化幅度为1.4G)来产生触觉刺激。刺激的频率为27Hz，由27Hz的正弦波以175Hz的正弦波为载波产生。这种刺激可以产生触觉，因为它同时激活了Pacinian和Meissner小体。
[0017]作为优选，所述的线性共振致动器采用压电陶瓷刺激器。
[0018]步骤(2)中，使用64通道无线NeuSenW64 EEG系统(Neuracle，Changzhou，China)记录EEG信号；使用具有64个通道的EEG帽。电极按照10
‑
20国际系统排列；参考电极为CPz，接地电极为AFz。。
[0019]步骤(3)中，采集受试者的纯想象运动数据时，想象运动范式设计如下：
[0020]在整个过程中，受试者要求安静地坐在椅子上，面对一块电脑屏幕；受试者将手放在扶手上，同时保持身体不动，不要产生面部和手部肌肉运动，并且在每个任务期间不要眨眼；
[0021]触觉刺激器缠绕在受试者的手腕上并放置在手腕的背侧外侧；屏幕背景为黑色，每次试验开始时，t＝0秒，屏幕中央出现一个白色十字，受试者需要注视十字；在t＝2秒，一个持续时间为200毫秒的触觉刺激同时作用于双手，以提醒受试者任务即将开始；在t＝3秒，一个红色提示条叠加在白色十字上，它随机出现在左侧或右侧；当红色提示条出现在左侧时，受试者需要执行左手想象运动任务；当红色提示条出现在右侧时，受试者需要执行右手想象运动任务；红色提示条的持续时间为1.5秒，即红色提示条在t＝4.5秒时消失；从红色提示条的出现受试者持续执行想象运动任务5秒直到白色十字在t＝8秒时消失；最后，有一段随机的长度为1.5到3.5秒之间的时间让受试者休息并限制受试者适应效应。
[0022]采集受试者触觉感受辅助的想象运动数据时，触觉感受范式设计如下：
[0023]触觉刺激器缠绕在受试者的手腕上并放置在手腕的背侧外侧；屏幕背景为黑色，每次试验开始时，t＝0秒，屏幕中央出现一个白色十字，受试者需要注视十字；在t＝2秒，一个持续时间为200毫秒的触觉刺激同时作用于双手，以提醒受试者任务即将开始；在t＝3秒，一个红色提示条叠加在白色十字上，它随机出现在左侧或右侧；当红色提示条出现在左侧时，受试者执行触觉刺激辅助的左手想象运动任务，其中受试者想象左手的运动，专注于左手，然后感觉到左手的触觉刺激；当红色提示条出现在右侧时，受试者需要执行刺激辅助
右手想象运动任务，其中受试者想象右手的运动，将注意力集中在右手，并感受右手的触觉刺激；红色提示条的持续时间为1.5秒，即红色提示条在t＝4.5秒时消失；
[0024]从红色提示条出现时，左右手的执行器振动，触觉刺激持续5秒，此过程中受试者持续执行想象运动任务5秒直到白色十字在t＝8秒时消失；最后，有一段随机的长度为1.5到3.5秒之间的时间让受试者休息并限制受试者适应效应。
[0025]步骤(4)中，使用公共空间模式算法提取脑电数据特征的具体过程为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于触觉感受校准的想象运动解码方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设置触觉刺激装置，将触觉刺激施加到受试者左手腕或右手腕的背侧，使用线性共振致动器来产生触觉刺激，刺激的频率为27Hz；(2)设置EEG脑电设备来记录EEG信号，整个记录过程中，电极阻抗低于10KΩ，原始信号以500Hz的频率进行数字采样，并使用0.5
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70Hz之间的带宽滤波器和48～52Hz的凹陷滤波器对原始信号进行滤波；(3)利用触觉刺激装置和EEG脑电设备，采集受试者的纯想象运动数据，以及触觉感受辅助的想象运动数据；(4)使用公共空间模式算法提取脑电数据特征，训练分类器，用于对脑电数据特征进行分类；其中，触觉感受辅助的想象运动数据作为训练集；(5)将训练好的分类器用于纯想象运动解码。2.根据权利要求1所述的基于触觉感受校准的想象运动解码方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的线性共振致动器采用压电陶瓷刺激器。3.根据权利要求1所述的基于触觉感受校准的想象运动解码方法，其特征在于，步骤(2)中，EEG脑电设备采用64通道无线NeuSenW64 EEG系统，使用具有64个通道的EEG帽，电极按照10
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20国际系统排列，参考电极为CPz，接地电极为AFz。4.根据权利要求1所述的基于触觉感受校准的想象运动解码方法，其特征在于，步骤(3)中，采集受试者的纯想象运动数据时，想象运动范式设计如下：在整个过程中，受试者要求安静地坐在椅子上，面对一块电脑屏幕；受试者将手放在扶手上，同时保持身体不动，不要产生面部和手部肌肉运动，并且在每个任务期间不要眨眼；触觉刺激器缠绕在受试者的手腕上并放置在手腕的背侧外侧；屏幕背景为黑色，每次试验开始时，t＝0秒，屏幕中央出现一个白色十字，受试者需要注视十字；在t＝2秒，一个持续时间为200毫秒的触觉刺激同时作用于双手，以提醒受试者任务即将开始；在t＝3秒，一个红色提示条叠加在白色十字上，它随机出现在左侧或右侧；当红色提示条出现在左侧时，受试者需要执行左手想象运动任务；当红色提示条出现在右侧时，受试者需要执行右手想象运动任务；红色提示条的持续时间为1.5秒，即红色提示条在t＝4.5秒时消失；从红色提示条的出现受试者持续执行想象运动任务5秒直到白色十字在t＝8秒时消失；最后，有一段随机的长度为1.5到3.5秒之间的时间让受试者休息并限制受试者适应效应。5.根据权利要求4所述的基于触觉感受校准的想象运动解码方法，其特征在于，步骤(3)中，采集受试者触觉感受辅助的想象运动数据时，触觉感受范式设计如下：触觉刺激器缠绕在受试者的手腕上并放置在手腕的背侧外侧；屏幕背景为黑色，每次试验开始时，t＝0秒，屏幕中央出现一个白色十字，受试者需要注视十字；在t＝2秒，一个持续时间为200毫秒的触觉刺激同时作用于双手，以提醒受试者任务即将开始；在t＝3秒，一个红色提示条叠加在白色十字上，它随机出现在左侧或右侧；当红色提示条出现在左侧时，受试者执行触觉刺激辅助的左手想象运动任务，其中受试者想象左手的运动，专注于左手，然后感觉到左手的触觉刺激；当红色提示条出现在右侧时，受试者需要执行刺激辅助右手想象运动任务，其中受试者想象右手的运动，将注意力集中在右手，并感受右手的触觉刺激；红色提示条的持续时间为1.5秒，即红色提示条在t＝4.5秒时消失；从红色提示条出现时，左右手的执行器振动，触觉刺激持续5秒，此过程中受试者持续
执行想象运动任务5秒直到白色十字在t＝8秒时消失；最后，有一段随机的长度为1.5到3.5秒之间的时间让受试者休息并限制受试者适应效应。6.根据权利要求1所述的基于触觉感受校准的想象运动解码方法，其特征在于，步骤(4)中，使用公共空间模式算法提取脑电数据特征的具体过程为：以数据驱动的方式寻找两类最可分离的线性投影方向，在这些方向上，两类之间的区别信息被最大化，公共信息被最小化，两类之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚林，钟雨村，王跃明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：