[发明专利]一种基于运动想象的混合脑机接口系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于脑-机接口(Brain-Computer Interface，BCI)技术领域，具体涉及一种基于运动想象的混合脑机接口系统。

背景技术

脑-机接口作为一种以脑电(electroencephalography,EEG)为信息载体的新型人-机交互技术，近年来受到了广泛的关注。脑-机接口技术的实现过程是通过对多导联EEG信号进行分析和处理，提取出EEG中任务相关的特征模式并转化为命令，进而实现大脑对外部设备的直接控制。BCI技术的终极目标是为肢体残疾(或运动功能障碍)群体提供一个控制外部设备的直接通信通道。同时，BCI技术也可应用于运动功能康复训练、脑-机控制游戏的开发、精神和心理状态评估以及特殊环境下的人-机交互等。

人在进行肢体的实际运动或想象运动时，EEG信号中运动诱发的mu和beta节律会发生能量衰减或增强现象，我们称之为事件相关去同步化(Event-Related Desynchronization，ERD)和事件相关同步化(Event-Related Synchronization，ERS)。不同的运动想象(motor imagery,MI)类型会产生不同的ERD/ERS模式，可用于脑-机控制的实现。因此，该类BCI技术被称为运动想象BCI(motor imagery BCI，MIBCI)。

空域滤波技术在MIBCI系统实现中具有非常重要的作用，利用该技术，可以充分挖掘和利用多导头皮EEG中的空间相关信息，以改善MIBCI系统的稳定性和可靠性。目前比较常用的空域滤波方法有共同空间模式(Common spatial pattern,CSP，CSP)和独立分量分析(Independent component analysis，ICA)等。ICA作为一种无监督的空域滤波方法，能从多导EEG中有效分离出真实的神经活动成分和干扰伪迹，其盲源分离性能在多导EEG的离线分析中已得到了充分的展示。但根据现有的报道，在基于空域滤波的MIBCI系统实现研究中，CSP空域滤波方法的应用占有绝对的主导地位。这一现象与CSP方法自身的特点有一定的关系，例如其数学原理比较容易理解，使用比较方便等。但CSP方法一直存着一些难以克服的不足，具体为；1)对EEG中的噪声和伪迹干扰非常敏感；2)作为一种有监督的设计方法，CSP空域滤波器的设计需要采集大量训练样本；3)由于EEG具有很强的非平稳性，CSP滤波器及其MIBCI系统的过拟合现象比较严重；这些因素很大程度上限制了CSP算法的实际应用效果，并且至今也没有找到非常有效的解决方法。

在MIBCI的实际应用中，脑-机异步控制技术是另一个比较难以克服的技术瓶颈。在异步控制模式下，使用者可以在任意时刻自主进行任务状态与空闲状态的切换，而同步系统则要求使用者必须按照规定的范式(计算机提示)进行相应的运动想象任务，显然异步BCI具有更好的交互性与实用性。异步BCI系统的难点在于大脑空闲状态与非空闲状态的确定，即如何准确判断出使用者运动想象的开始时刻，由于运动想象随机性和使用者个体差异性较大，异步BCI系统的实现难度较大，且一旦对当前脑状态判断错误，系统将会出现严重的误操作。

发明内容

本发明的目的就是希望能在一定程度解决上述MIBCI系统在实际应用中存在的问题，提供一种基于运动想象的混合脑机接口系统及方法，在训练阶段尽可能少地使用头皮电极和训练数据量，以减缓用户操作过程中的疲劳和不适感；同时采用EOG和EEG混合模式实现异步脑-机控制，可有效改善MIBCI系统的实用性；本发明提出并建立的混合MIBCI系统具有较稳定的性能和可操作性，系统实现算法复杂度低，可在不同的计算平台上实现，具有很大的应用推广价值。

本发明的技术方案是这样得以实现的：