[发明专利]一种基于运动想象和编码调制视觉诱发电位的二维光标运动控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及脑机接口技术和计算机技术。

技术背景

计算机是一种非常流行的设备，使用计算机是一种现代工作、生活和娱乐方式。然而，现有的计算机都是为上肢正常的人设计的，需要健全的手指操作鼠标和键盘。肌萎缩性侧索硬化、脑干中风、脑瘫、脊髓损伤、帕金森氏等神经疾病，使患者大脑中枢神经系统受到损伤，引起肢体产生运动功能障碍。这些患者不能像正常人一样使用计算机，给他们的生活带来极大的不便和困扰。

脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)监测用户的脑活动，解读用户的意图，并将用户的意图转换为外部命令。作为一种新的、非肌肉的通信通道，BCI能够使人直接通过大脑来表达思想或操纵设备，而不需要借助语言或肢体动作。对于严重的运动残疾患者，BCI能够将他们的意图传送到外部装置，比如计算机、家用电器、护理设备以及神经假体等，从而改进他们的生活质量。

不同的脑电(Electroencephalography,EEG)信号分量，例如慢皮层电位、Mu/Beta节律、事件相关P300电位、以及视觉诱发电位(Visual Evoked Potential,VEP)，都可以用作BCI的特征信号。

运动想象是一种重要的BCI实现模式。电生理学研究表明，当一个人执行或想象某个运动时，在其大脑特定区域的Mu/Beta节律信号的功率会下降，称为时件相关去同步(Event-Related Desynchronization,ERD)；当运动执行或运动想象结束时，在其大脑特定的区域的Mu/Beta节律信号的功率会上升，称为事件相关同步(Event-Related Synchronization,ERS)。不同肢体的运动执行或运动想象引起不同区域的Mu/Beta节律的功率变化。BCI可根据这种变化对用户不同的想象任务进行判别，从而确定用户的意图，并将这种意图转化为外部设备的控制命令。

视觉注意是另一种重要的BCI实现模式。视觉注意会在大脑特定区域产生视觉诱发电位(Visual Evoked Potential,VEP)。VEP反映了大脑的视觉信息处理机制，是人眼对闪光刺激的一种响应。由中心视场的刺激诱发的VEP大于由周边刺激诱发的VEP，因而不同的刺激可由人的视觉进行控制。按照刺激目标的调制序列不同，VEP可分为时间调制的VEP(t-VEP)，频率调制的VEP(f-VEP)和伪随机码调制的VEP(c-VEP)。基于c-VEP的BCI是一种新的BCI实现模式,能够取得高的分类识别率和信息传输率。在一个c-VEP BCI系统中，一个伪随机二进制码以及它的不同延时的循环移位码被用于调制不同的视觉刺激目标。当一个人注视其中一个目标时，在他大脑的枕区将诱发一个c-VEP，并能使用模板匹配等方法进行检测。

要操作和使用计算机，用户首先要将光标移动到目标或图标位置，再使用光标对目标或图标进行选择，这就要求用户能够对光标运动进行控制，而且这种光标运动必须是二维的和连续的，才能将光标从任意一个初始位置移动到任意一个目标位置。因此，二维光标运动控制是操作和使用计算机的前提条件。现有的计算机需要用户操作鼠标对光标进行运动控制。对于运动功能障碍患者，在不使用鼠标的条件下如何帮助他们实现二维光标的运动控制，是科技界亟待解决的问题。

目前存在的利用BCI控制光标运动的主要技术是基于多类运动想象BCI技术、基于SSVEP和P300电位的混合BCI技术、以及基于运动想象和P300电位的混合BCI技术，如中国专利“一种基于运动想象脑机接口二维光标运动的控制方法(201210240694.7)”利用左手、右手和脚三种运动想象产生的BCI分类输出概率控制光标同时在水平和垂直方向的运动；中国专利“一种基于脑机接口的光标控制系统及方法(201310111544.0)”利用SSVEP诱发电位控制光标在水平方向上的运动，利用P300诱发电位控制光标在垂直方向上的运动；中国专利“一种脑机接口的二维光标控制方法及装置(201010509561.6)”利用运动想象产生的ERD/ERS电位控制光标在水平方向的运动，同时利用P300诱发电位控制光标在垂直方向的运动。然而，基于多类运动想象的单模式BCI，用户控制二维光标运动的难度较大，需要长时间的训练；基于SSVEP和P300电位的混合BCI，提供两个二进制输出变量，只能实现二维光标的离散控制，造成非平滑的Z字型光标运动；基于运动想象和P300诱发电位的混合BCI，受P300电位检测时间长的影响，二维光标运动控制的速度较慢。

发明内容