[发明专利]一种基于选择性感受的脑机接口系统

说明书

技术领域

本发明涉及生物信息技术领域，尤其涉及一种脑机接口系统。

背景技术

目前，由于病变或意外造成的大脑与神经肌肉通路损伤的疾病在现有的医疗条件下还无法治愈。如在中国大约有六百万脑瘫患者，十二岁以下的儿童就占有一百八十万左右，这些患者失去肢体控制、自理等能力。脑-机接口（Brain-Computer Interface，BCI）提供了制造治疗和改善这些患者疾病的医疗器械设备的技术基础，脑机接口系统绕开了人的输出神经系统，通过采集大脑的脑电信号（Electroencephalogram，EEG）来解码人的意图，从而实现了大脑与外界环境的直接通信与控制，其主要机理是：训练患者进行相关的大脑认知任务，同时采集其脑电信号，通过对信号进行相应的特征提取与识别，识别出患者的意图，然后将识别结果作为控制量输入到相应的控制器以控制相应器械帮助患者实现日常的一些基本活动，从而提高他们的生活质量。

早期如加利福尼亚洛杉矶分校的Jacques Vidal于上世纪70年代初发明了基于视觉诱发电位的脑机接口，这可以说是脑机接口开创性工作的开始。接下来的几十年中，各种脑机接口的研究相继开始和发展。美国Illinois大学的Farwell和Donchin在1988年，利用ERP中经典的“oddball”实验范式成功激发了“P300”的ERP成份，他们通过给用户显示一个含有字母、数字或是其他符号的矩阵，要求用户来数行或列中共出现了多少次他希望选择的符号的方式，从而实现解码人的选择意图的虚拟打字机系统。基于P300的BCI的一个显著的优点是几乎不需要多少训练时间，用户就可以实现意图的解码，这种脑机接口在使用者视觉系统完好的情况下，有较明显的优势。德国图宾根大学Birbaumer研究小组经过30年时间的持续研究，发现并证实了人可以通过控制慢皮层电位（slow cortical potentials，SCPs）的正负电位偏移来实现给计算机输出二选一的指令。这为他们后续的基于SCPs的意念翻译机（thought translation device，TTD）奠定了基础。他们的研究成果证实瘫痪病人可以通过控制SCPs来实现与外界交流。美国纽约州Wadsworth Center由Wolpaw教授带领的团队，在1991年首次发表了实现用大脑产生的体感节律特征来控制鼠标的研究成果。后期，他们将这一研究扩展到了二维鼠标控制和三维运动控制，并且他们在瘫痪病人身上做了为期两年半时间持续使用脑机接口的应用研究，证实了基于想象运动的BCI在两年半的长时间内基本维持83%的正确率，从而为脑机接口的长时间使用奠定了基础。奥地利Graz大学由Pfurtscheller教授领导的研究小组也是脑机接口研究的先驱者之一。尤其是Pfurtscheller教授本人一直对想象运动中mu节律和beta节律的事件相关去同步化/同步化现象作了大量的研究工作，提出了定义和量化ERD/ERS现象的方法，这为后期大量基于想象运动的脑机接口奠定了坚实的基础。早在1993年，他们发表了基于想象运动控制假肢手张与合的研究工作，至今他们的研究工作已经扩展到了异步脑机接口在虚拟键盘、虚拟环境等中的应用。同时，他们的脑机接口在四肢瘫痪的病人上也做了大量的应用研究，在一定程度上证明了脑机接口对四肢瘫痪的病人是一项非常有用的技术。

脑机接口领域有个具有挑战性的问题就是“BCI Illiteracy”(BCI盲)，研究发现大致有20%-30%的人BCI解码率比较低，以至于通过BCI实现大脑与外界环境的进行交流与控制非常困难。

本领域技术人员致力于一种可以提高BCI解码率的脑机接口系统来解决上述问题。

发明内容

研究发现：大脑皮层脑电活动的运动节律变化，即事件相关去同步（Event-Related Desynchronization，ERD）和事件相关同步（Event-Related Synchronization，ERS）的生理现象，不仅与人的运动想象相关，而且也反应了人对外界刺激的处理。

一方面，人的左、右手的想象运动引起了ERD/ERS的变化，通过对脑电信号的解码，能够识别出受试者在做左手或者右手的想象运动，这就构成了本领域著名的基于想象运动的脑机接口；另一方面，人对外界刺激的选择性处理，即注意力亦可以调节ERD/ERS的变化，通过对脑电信号的解码，能够识别出受试者是在集中注意力感受左手还是右手，这样就可以构成本发明的基于选择性感受的脑机接口。