步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法及系统技术方案

步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法及系统，属于脑机接口技术领域，本发明专利技术为解决现有下肢运动想象技术存在刺激与运动想象任务不同步的问题

【技术实现步骤摘要】
步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法及系统


[0001]本专利技术涉及步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法及系统，属于脑机接口

。

技术介绍

[0002]脑机接口
(Brain
‑
Computer Interface,BCI)
是一种可以让用户使用脑电信号直接与计算机或其他外部设备进行交互的技术手段，经典的脑机接口系统主要包括运动想象
(Motor Imagery,MI)、
事件相关电位
(Event Related Potential,ERP)
和稳态视觉诱发电位
(Steady
‑
State Visual Evoked Potential,SSVEP)
三种范式
。
[0003]对下肢运动障碍尤其是下肢瘫痪的患者来说，若能使用
MI
‑
BCI
进行运动想象辅助训练，重塑神经通路，由大脑直接控制外部机构牵引下肢相应部位运动，将对患者带来很大的便利，并且康复医学上认为由主动运动意识引导肢体运动的康复训练效果要好于完全被动的牵引训练
。
因此对病患人群来说，下肢
MI
‑
BCI
有着极大的应用价值和实用性
。
且有临床实验显示，运动功能恢复水平与
BCI
康复训练过程的解码准确率成正相关关系，且不正确的反馈会降低在康复训练中的积极性和参与度
。
[0004]目前，运动想象脑机接口主要依赖
ERD/ERS
的空间分布特征来区分不同的运动想象任务，例如基于左右手的运动想象，需要精细控制上肢
(
如手臂
、
手指等
)
映射到大脑皮层外表面，占据运动皮质较大区域
。
而下肢由于映射于皮层沟壑内，占据的空间较小，且不同受试者的运动想象能力存在显著的个体差异，因此，对于部分受试者来说，完成下肢运动想象任务是较难的，无论是患者还是健康被试都存在“BCI
盲”现象，通过训练后，解码准确率低于
70
％
。
[0005]为了提升
MI
‑
BCI
的性能，现有技术有：通过在想象之前在下肢施加功能性电刺激
(FES)
，给受试者体验肌肉收缩的感觉，帮助他们更好地进行运动想象
。
但是该技术存在的问题是：刺激与运动想象任务是不同步的，受试者可能难以将该肌肉错觉与运动想象任务结合起来
。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的是为了解决现有下肢运动想象技术存在刺激与运动想象任务不同步的问题，提供了步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法及系统
。
[0007]本专利技术所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，它包括：
[0008]S1、
将两对电极贴分别置于下肢腓浅神经和腓肠神经处；
[0009]S2、
根据想象步态动作的相位对电极贴的感觉电刺激等级进行相位编码，根据相位编码的感觉电刺激等级，在步态运动想象过程中向电极贴施加感觉电刺激；
[0010]S3、
在感觉电刺激引导下进行步态运动想象，对脑电数据进行采集和预处理；
[0011]S4、
采用共空间模式算法对预处理后的脑电数据进行特征提取和模式识别，获取单次任务脑电特征向量；
[0012]S5、
将单次任务脑电特征向量输入线性判别分析训练分类器，采用十折交叉验证策略通过线性判别分析识别下肢运动意图
。
[0013]优选的，
S2
所述根据想象步态动作的相位对电极贴的感觉电刺激等级进行相位编码，根据相位编码的感觉电刺激等级，在步态运动想象过程中向电极贴施加感觉电刺激的具体方法包括：
[0014]S2
‑
1、
将想象步态动作的不同相位映射至电极贴，分别获得相对应的电刺激等级；
[0015]S2
‑
2、
将想象步态动作的相位时间进行缩放，获得想象步态动作之间每个相位对应的时间比例；
[0016]S2
‑
3、
根据
S2
‑2获得的是时间比例，将
S2
‑1获得的电刺激等级在步态运动想象过程中同步施加至电极贴
。
[0017]优选的，所述将
S2
‑1获得的电刺激等级在步态运动想象过程中同步施加至电极贴的具体方法包括：通过改变电刺激器的脉宽改变电刺激等级
。
[0018]优选的，
S2
所述想象步态动作的相位包括：足跟触地
、
全脚掌着地
、
足跟离地和摆动
。
[0019]优选的，
S3
所述在感觉电刺激引导下进行步态运动想象的具体方法包括：
[0020]在腓浅神经处的电极贴上施加电刺激等级为1的弱刺激，在腓肠神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，想象步态动作为从静止站立到足跟触地相位；
[0021]在腓浅神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，在腓肠神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，想象步态动作为从足跟触地相位到全脚掌着地相位；
[0022]在腓浅神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，在腓肠神经处的电极贴上施加电刺激等级为1的弱刺激，想象步态动作为从全脚掌着地相位到足跟离地相位；
[0023]在腓浅神经处的电极贴上施加电刺激等级为1的弱刺激，在腓肠神经处的电极贴上施加电刺激等级为1的弱刺激，想象步态动作为从足跟离地相位到摆动相位
。
[0024]优选的，
S3
所述对脑电数据进行预处理的具体方法包括：
[0025]采用5‑
40Hz
的带通滤波器对采集的脑电数据进行滤波；
[0026]采用
50Hz
的陷波器进行去除工频干扰；
[0027]采用共平均参考空间滤波处理，并降采样至
200Hz
；
[0028]提取任务开始后0‑
5s
的数据，采用独立成分分析算法对眼动和肌肉伪影进行去除，完成预处理
。
[0029]优选的，
S4
所述获取单次任务脑电特征向量的具体方法包括：
[0030]采用共空间模式算法，计算获得脑电数据的共空间模式投影矩阵
W
；
[0031]采用空间滤波器将脑电数据
X
进行变换，获得空间滤波后的脑电数据
Z
：
[0032]Z
＝
W
T
X
；
[0033]进而，获得单次任务脑电特征向量：
[0034本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，它包括：
S1、
将两对电极贴分别置于下肢腓浅神经和腓肠神经处；
S2、
根据想象步态动作的相位对电极贴的感觉电刺激等级进行相位编码，根据相位编码的感觉电刺激等级，在步态运动想象过程中向电极贴施加感觉电刺激；
S3、
在感觉电刺激引导下进行步态运动想象，对脑电数据进行采集和预处理；
S4、
采用共空间模式算法对预处理后的脑电数据进行特征提取和模式识别，获取单次任务脑电特征向量；
S5、
将单次任务脑电特征向量输入线性判别分析训练分类器，采用十折交叉验证策略通过线性判别分析识别下肢运动意图
。2.
根据权利要求1所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，
S2
所述根据想象步态动作的相位对电极贴的感觉电刺激等级进行相位编码，根据相位编码的感觉电刺激等级，在步态运动想象过程中向电极贴施加感觉电刺激的具体方法包括：
S2
‑
1、
将想象步态动作的不同相位映射至电极贴，分别获得相对应的电刺激等级；
S2
‑
2、
将想象步态动作的相位时间进行缩放，获得想象步态动作之间每个相位对应的时间比例；
S2
‑
3、
根据
S2
‑2获得的是时间比例，将
S2
‑1获得的电刺激等级在步态运动想象过程中同步施加至电极贴
。3.
根据权利要求2所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，
S2
‑3所述将
S2
‑1获得的电刺激等级在步态运动想象过程中同步施加至电极贴的具体方法包括：通过改变电刺激器的脉宽改变电刺激等级
。4.
根据权利要求
1、2
或3所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，
S2
所述想象步态动作的相位包括：足跟触地
、
全脚掌着地
、
足跟离地和摆动
。5.
根据权利要求4所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，
S3
所述在感觉电刺激引导下进行步态运动想象的具体方法包括：在腓浅神经处的电极贴上施加电刺激等级为1的弱刺激，在腓肠神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，想象步态动作为从静止站立到足跟触地相位；在腓浅神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，在腓肠神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，想象步态动作为从足跟触地相位到全脚掌着地相位；在腓浅神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，在腓肠神经处的电极贴...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘源，张宇剑，王壮，桂卓蓝，丘世因，明东，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：