基于周期性运动想象任务的异步脑机接口开关控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于周期性运动想象任务的异步脑机接口开关控制方法，涉及自动控制领域，方法包括以下步骤：用户操作，当需要触发脑机接口开关时，用户执行周期性运动想象任务，产生周期性变化的脑电信号；非侵入式头皮脑电数据采集与预处理；提取脑电信号在线特征；将特征信号映射为虚拟力；将虚拟力作用于虚拟动力学系统中以驱动虚拟动力学系统状态变化和振荡；根据虚拟动力学系统状态对脑机接口开关触发控制；将虚拟动力学系统的状态反馈给用户，用户根据虚拟动力学系统的节奏和周期完成周期性运动想象任务。本发明专利技术构建了一种新型开关触发模式，提高了开关控制的可靠性，实现了对外部设备等的开关可靠控制，改善了脑机接口系统的实用性。接口系统的实用性。接口系统的实用性。

【技术实现步骤摘要】
基于周期性运动想象任务的异步脑机接口开关控制方法


[0001]本专利技术涉及自动控制领域，尤其涉及一种基于周期性运动想象任务的异步脑机接口开关控制方法。

技术介绍

[0002]目前，残疾人的生活质量受到社会各界广泛关注。某些疾病如运动神经元病等疾病会造成患者行动障碍，生活不能自理，生活质量严重下降。脑机接口(brain computer interfaces,BCI)作为一种直接在大脑与外接设备之间建立信息交互通路的技术，能够帮助残疾患者通过大脑活动，绕过传统的神经肌肉通路，直接与外界进行交流和控制。通过脑机接口技术，残疾患者可以自行驾驶轮椅、控制机械臂等设备完成某些简单的动作，有望改善这一群体的生活质量。
[0003]运动想象(Motor Imagery，MI)的定义为，当人进行动作执行、动作意图和动作想象或其他心理活动时，大脑的感觉运动皮层的α频带(8
‑
13Hz)、β频带(14
‑
26Hz)会出现能量降低的现象，而γ频带(>30Hz)则呈现能量升高的现象。基于运动想象的脑机接口目前已经实现了光标移动控制、机械臂运动控制、轮椅运动控制等。
[0004]为了将运动想象控制的脑机接口系统应用于残疾人的生活，有必要提高异步脑机接口开关控制的效果。以使用户能够在希望启用脑机接口系统的时候可以尽快开启；而当用户在做其他事情，不希望使用脑机接口系统时，不容易出现误触发而错误开启系统。但由于脑电信号具有信噪比低的特点，目前基于运动想象的脑机接口开关控制效果尚不理想，此类开关尚难以在误触发与主动触发时间之间获得良好的性能平衡。
[0005]因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于周期性运动想象任务的异步脑机接口开关控制方法，通过使用周期性运动想象任务和虚拟动力学系统实现了多个周期特征融合与衰减，构造出触发阈值，从而提高了脑机接口开关的特征可分性，使误触发大幅减少的同时，主动触发的速度仍在可接受水平。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何减少脑机接口开关的误触发的同时，主动触发的速度仍在可接受水平，并且其他不符合节奏的无关动作或想象也不会引起系统误触发。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于周期性运动想象任务的异步脑机接口开关控制方法，所述方法包括以下步骤：
[0008]步骤1、用户进行操作，当不需要触发所述脑机接口开关时，用户保持空闲态或执行无关事项；当需要触发所述脑机接口开关时，用户执行所述周期性运动想象任务，产生周期性变化的脑电信号；
[0009]步骤2、通过非侵入式头皮脑电装置采集用户的头皮脑电信号，并进行预处理；
[0010]步骤3、提取脑电信号在线特征，得到特征信号；
[0011]步骤4、将所述特征信号映射为虚拟力；
[0012]特征5、将所述虚拟力作用于虚拟动力学系统中以驱动所述虚拟动力学系统状态变化和振荡；
[0013]步骤6、所述虚拟动力学系统的状态达到设定阈值时触发所述脑机接口开关的输出指令，实现对所述脑机接口开关的控制；
[0014]步骤7、将所述虚拟动力学系统的状态反馈给用户，用户根据所述虚拟动力学系统的节奏和周期完成所述周期性运动想象任务。
[0015]进一步地，所述空闲态是指用户不运动的情况下保持清醒或执行与所述脑机接口开关控制无关的活动的状态；所述脑电信号是由用户进行周期性运动想象任务或保持空闲态所产生的。
[0016]进一步地，所述周期性运动想象任务是指用户根据一定的节奏周期性切换两个执行运动想象的肢体；所述周期性运动想象任务的节奏是根据所述虚拟动力学系统的状态决定的。
[0017]进一步地，所述步骤3包括：通过解码算法提取想象肢体运动状态；所述想象肢体运动状态是通过提取时域或频域特征的方法得到的。
[0018]进一步地，所述步骤3还包括：针对运动想象相关电极通道进行当前时刻前N毫秒时窗的截取，并进行空间滤波和功率谱估计提取特征；所述特征表征当前用户正在执行的运动想象肢体，并在用户切换肢体后改变。
[0019]进一步地，所述与运动想象相关电极通道包括左右脑区多个通道。
[0020]进一步地，所述提取时域或频域特征包括：将所述多个通道中的一个及其周围的电极通过线性组合的方式组合为单一左侧电极通道，表征左侧感觉运动区神经活动；将所述多个通道中的另一个及其周围的电极通过线性组合的方式组合为单一右侧电极通道，表征右侧感觉运动区神经活动；将所述单一左侧电极通道和所述单一右侧电极通道分别进行频谱分析，计算感觉运动区频域特征。
[0021]进一步地，所述步骤4还包括：
[0022]步骤4.1、通过滤波器对左侧频域特征和右侧频域特征分别进行滤波，以减少不必要的干扰；
[0023]步骤4.2、通过函数映射方法提取左侧电极通道和右侧电极通道的感觉运动区频域特征的幅值差异，获取用户当前运动想象状态的解码结果，并将运动想象状态的估计映射为虚拟力的方向和幅值；
[0024]步骤4.3、通过去基线方法将当前虚拟力减去虚拟力过去一段时间内的平均值，使虚拟力具备零均值的统计特性，以便于对虚拟动力学系统的驱动。
[0025]进一步地，所述步骤5还包括：每间隔S毫秒，在虚拟力的值更新后，将当前的虚拟力输入到所述虚拟动力学系统中，根据S毫秒前的系统原有状态，进行数值求解，计算系统变化情况，获取系统当前状态。
[0026]进一步地，所述虚拟动力学系统由具有振荡和衰减特性的物理或电学系统构成，在计算机或移动电子设备上虚拟计算所述虚拟动力学系统随时间的状态变化，并通过数值积分方法求解所述虚拟动力学系统对输入信号的响应。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益技术效果：
[0028]本专利技术充分利用周期性运动想象任务所产生的周期性变化的特征，融合一段时间内脑电信号的特征信息，将传统脑机接口中直接解码用户运动想象状态区分任务
‑
空闲态的方法，转变为周期性运动想象任务与其他状态的分辨，交互式的触发模式构建了一种新型开关触发模式，提高了开关控制的可靠性，实现了对外部设备等的开关可靠控制，改善了脑机接口系统的实用性。
[0029]以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。
附图说明
[0030]图1是本专利技术的一个较佳实施例的方法流程图；
[0031]图2是本专利技术的一个较佳实施例的非侵入式头皮脑电装置的电极示意图；
[0032]图3是本专利技术的一个较佳实施例的动力学系统组成示意图。
具体实施方式
[0033]以下参考说明书附图介绍本专利技术的多个优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本专利技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0034]在附图中，结构相同的部件以相同数字标号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于周期性运动想象任务的异步脑机接口开关控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、用户进行操作，当不需要触发所述脑机接口开关时，用户保持空闲态或执行无关事项；当需要触发所述脑机接口开关时，用户执行所述周期性运动想象任务，产生周期性变化的脑电信号；步骤2、通过非侵入式头皮脑电装置采集用户的头皮脑电信号，并进行预处理；步骤3、提取脑电信号在线特征，得到特征信号；步骤4、将所述特征信号映射为虚拟力；特征5、将所述虚拟力作用于虚拟动力学系统中以驱动所述虚拟动力学系统状态变化和振荡；步骤6、所述虚拟动力学系统的状态达到设定阈值时触发所述脑机接口开关的输出指令，实现对所述脑机接口开关的控制；步骤7、将所述虚拟动力学系统的状态反馈给用户，用户根据所述虚拟动力学系统的节奏和周期完成所述周期性运动想象任务。2.如权利要求1所述的基于周期性运动想象任务的异步脑机接口开关控制方法，其特征在于，所述空闲态是指用户不运动的情况下保持清醒或执行与所述脑机接口开关控制无关的活动的状态。3.如权利要求1所述的基于周期性运动想象任务的异步脑机接口开关控制方法，其特征在于，所述周期性运动想象任务是指用户根据一定的节奏周期性切换两个执行运动想象的肢体；所述周期性运动想象任务的节奏是根据所述虚拟动力学系统的状态决定的。4.如权利要求3所述的基于周期性运动想象任务的异步脑机接口开关控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：通过解码算法提取想象肢体运动状态；所述想象肢体运动状态是通过提取时域或频域特征的方法得到的。5.如权利要求4所述的基于周期性运动想象任务的异步脑机接口开关控制方法，其特征在于，所述步骤3还包括：针对运动想象相关电极通道进行当前时刻前N毫秒时窗的截取，并进行空间滤波和功率谱估计提取特征；所述特征表征当前用户正在执行的运动想象肢体，并在用户切换肢体后改变。6.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟建军，李崧玮，盛鑫军，朱向阳，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：