一种结合数字孪生的脑机接口系统与方法技术方案

本发明专利技术提出一种结合数字孪生的脑机接口系统与方法，系统包括：系统管理模块、网络模块、数据处理模块、模型管理模块、数据存储模块、数字孪生体容器、运行监控模块、安全防护模块、数据采集模块、反馈控制模块、操作终端和外接设备。方法包括：构建脑机接口数字孪生体模型，采集脑机接口数据，数据预处理，生成脑机接口数字孪生体，脑机接口的数字孪生体和物理实体与外接设备交互，优化数字孪生体模型。结合数字孪生的脑机接口系统解决了当前脑机接口操作零散管理、数据采集缺乏过程监控与管理，以及脑机接口直连外接设备缺乏数据处理缓冲与功能扩展的问题。本发明专利技术逻辑清晰、结构简单、兼容性强，适应未来发展需要。适应未来发展需要。适应未来发展需要。

【技术实现步骤摘要】
一种结合数字孪生的脑机接口系统与方法


[0001]本专利技术属于生理信号处理
，涉及到一种结合数字孪生的脑机接口系统与方法。

技术介绍

[0002]脑机接口(brain
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computer interface，BCI)是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立不依赖于常规大脑信息输出通路的全新对外信息交流和控制技术。脑机接口包括在大脑处的采集设备和在外部读取、分析和展示信号的外界设备两部分。目前的脑机接口主要是通过脑电波（Electroencephalogram , EEG）作为对外信息输出通道。脑电波是脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映，包含有大脑丰富的节律信息，可广泛应用于脑疾病诊断、康复、疲劳检测等领域。它被认为是检测癫痫发作，心理性非癫痫发作，偏头痛，脑病等疾病的主要方法。人类大脑的脑电信号电压仅有几十微伏，脑电采集就是将这种微伏级的电压通过电极及信号采集电路进行采集、记录及显示，通过后续对大脑脑电波形进行分析处理，可以实现神经功能检测、意识状态鉴别、睡眠监测以及各种脑部疾病的诊疗。
[0003]目前的脑机接口主要存在三个方面的问题，一是只采集脑电数据，不采集生成脑电数据的环境数据，难以重现环境和控制数据质量，由于脑电技术是由计算机通过电极采集测试数据并进行处理来实现的，因此测试数据的质量会严重影响处理结果，受试者的生理数据（头型）、测试过程的配合情况，电极与受试者头皮的贴附程度，电极的位置等均会影响测试数据的质量；二是只关注相对规则的数据(频率变动范围在每秒1－30次之间的四个波段)，摒弃“噪声”，科学研究发现，在人的大脑的“背景噪音”的后面，隐藏着相当有意义的东西；三是脑机接口采用单向信息传递模式，不适合接收反馈信息，因为大脑高度依赖感官处理复杂的信息，脑机接口通过电极直接刺激大脑皮层难以形成复杂的信息并且难以实现长时间的安全有效，存在电极失效或脑损伤的可能性。
[0004]中国专利技术专利公开说明书CN112171669A公开了一种脑
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机协作数字孪生强化学习控制方法及系统，通过构建脑
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机协作控制模型，在数字孪生环境中，采集操控者的脑电信号和操作信号并输入脑
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机协作控制模型后对虚拟设备发出指令，通过训练脑
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机协作控制模型具备较高的指令完成质量后迁移到真实场景，用脑
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机协作控制模型向真实设备发送指令，实现大脑和机器之间信息层、指令层的交互。该技术方案只是对脑
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机协作在数字孪生环境中生成了模型，数据采集范围仅限于具体的指令，缺乏通用性及可扩展性。中国专利技术专利公开说明书CN114781258A公开了一种基于钙波成像信号的数字孪生斑马鱼神经系统的构建方法，通过对模式动物斑马鱼的钙波成像的时间序列进行建模、模拟并结合神经元网络模型进行数据同化以估算系统参数，从而构建动力学行为与真实斑马鱼接近的数字孪生斑马鱼神经系统。同化结果的质量由系统模拟产生出的钙波序列与实验观测数据的相关性衡量。可以减少集群卡尔曼滤波算法的复杂度，使其在大规模神经系统上具有可行性；还可以借助图神经网络库高效实现斑马鱼神经系统的模拟；还可以
实现较好的基于有限观测数据对斑马鱼神经系统的数据同化效果。该方法是对神经系统的数字孪生，不涉及对神经系统检测系统的数字孪生。中国专利技术专利公开说明书CN113905781A公开了一种BioSpine：数字孪生神经康复系统，对神经肌肉骨骼模型结合了数字孪生技术以虚拟的方式绕过脊髓损伤部位，再次连接大脑、脊髓和肌肉之间的感觉和运动通路，以及通过人工智能方法开发每个参与者的个性化数字孪生。但其数字孪生的主要对象是人体，不是脑机接口。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种结合数字孪生的脑机接口系统与方法，为脑机接口物理实体构建数字孪生体，并通过数字孪生体与外接设备交互，解决了当前脑机接口操作零散管理、数据采集缺乏过程监控与管理，以及脑机接口直连外接设备缺乏缓冲与功能扩展的问题。
[0006]第一方面，本专利技术解决上述技术问题的一种结合数字孪生的脑机接口系统包括：系统管理模块，系统设置、系统管理功能；网络模块，系统连接网络的功能模块；数据处理模块，通过数据集成、数据治理和数据开发实现脑机接口及相关实体的数据转化并存储到数字孪生体对应的数据存储空间；模型管理模块，实现脑机接口数字孪生体模型的构建、编辑和管理功能；数据存储模块，提供数据存储功能；数字孪生体容器，生成、容纳、承载及管理脑机接口数字孪生体；运行监控模块，监控脑机接口数字孪生系统的运行状况，并输出相关数据。
[0007]安全防护模块，对脑机接口数字孪生系统做整体安全防护，防范各种非法技术手段的攻击；数据采集模块，采集脑机接口物理实体及运行环境相关的数据；反馈控制模块，提供脑机接口数字孪生体系统从相应脑机接口物理实体获取指令并发送到外接设备的通道，以及外接设备反馈信息到操作终端和脑机接口数字孪生体系统的交互功能；操作终端，提供人机交互操作功能；外接设备，脑机接口的连接和驱动对象；上述模块组成脑机接口物理空间、脑机接口数字孪生体系统和外接设备物理空间，其中脑机接口物理空间和外接设备物理空间通过脑机接口数字孪生体系统连接并实现交互。
[0008]第二方面，本专利技术提供一种结合数字孪生的脑机接口方法，该方法包括：构建脑机接口数字孪生体模型，采集脑机接口数据，数据预处理，生成脑机接口数字孪生体，脑机接口数字孪生体和物理实体与外接设备交互，优化数字孪生体模型。
[0009]构建脑机接口数字孪生体模型可进一步具体为：构建脑机接口数字孪生体几何模型，包括被检测用户的头部尺寸（不含毛发）、发型、电极位置、脑电采集装置的外观数据；构建脑机接口数字孪生体物理模型，脑机接口设备类型、设备技术参数，脑机接口获取的电位数据，电极阻抗数据、电极材料、电极对被检测用户的施加压力，时间等；构建脑机接口数字孪生体行为模型，例如被检测用户的脑电产生模式（自发信号、诱发信号（事件相关电位、稳态视觉诱发电位））；构建脑机接口数字孪生体规则模型，包括脑电数据转化规则、系统内和系统间交互规则等；构建脑机接口数字孪生体生理模型，包括被检测用户的年龄、性别、血型、病史等；构建脑机接口数字孪生体模型对应数据存储空间，为每个数字孪生体模型构建所需的包括存储格式化数据的关系数据库和非关系数据库、存储图像的对象存储、文件存储等数据存储空间。
[0010]采集脑机接口数据可进一步具体为：采集被检测用户的生理数据，采集被检测用户脑电采集设备数据，采集被检测用户检测模式数据，采集被检测用户脑电数据，采集外接设备数据。
[0011]数据预处理可进一步具体为：复制脑接口数据作为数据源，用户生理数据数字化，脑电采集设备数据标准化，检测模式数据数字化，用户脑电数据转化为规律数据和其他数据，外接设备数据数字化，生成脑机接口数字孪生体可进一步具体为：数字孪生体容器创建数字孪生体实体，脑机接口数据按照数字孪生体模型分类本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合数字孪生的脑机接口系统，该系统包括：系统管理模块，提供系统设置、管理功能；网络模块，系统连接网络的功能模块；数据处理模块，通过数据集成、数据治理和数据开发实现脑机接口及相关实体的数据转化并存储到数字孪生体的对应数据存储空间；模型管理模块，实现脑机接口数字孪生体模型的构建、编辑和管理功能；数据存储模块，提供数据存储功能；数字孪生体容器，生成、容纳、承载及管理脑机接口数字孪生体；运行监控模块，监控脑机接口数字孪生系统的运行状况，并输出相关数据；安全防护模块，对脑机接口数字孪生系统做整体安全防护，防范各种非法技术手段的攻击；数据采集模块，采集脑机接口物理实体及运行环境相关的数据；反馈控制模块，提供脑机接口数字孪生体系统从相应脑机接口物理实体获取指令并发送到外接设备的通道，以及外接设备反馈信息到操作终端和脑机接口数字孪生体系统的交互功能；操作终端，提供人机交互操作功能；外接设备，脑机接口的连接、驱动对象；其特征在于：所述系统包括脑机接口物理空间、脑机接口数字孪生体系统和外接设备物理空间，脑机接口物理空间和外接设备物理空间通过脑机接口数字孪生体系统连接并实现交互。2.一种结合数字孪生的脑机接口方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：构建脑机接口数字孪生体模型，采集脑机接口数据，数据预处理，生成脑机接口数字孪生体，脑机接口数字孪生体和物理实体与外接设备交互，优化数字孪生体模型。3.根据权利要求2所述的结合数字孪生的脑机接口方法，其特征在于，所述构建脑机接口数字孪生体模型包括如下步骤：构建脑机接口数字孪生体几何模型，构建脑机接口数字孪生体物理模型，构建脑机接口数字孪生体行为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莹，
申请(专利权)人：深圳市第二人民医院深圳市转化医学研究院，
类型：发明
国别省市：