[发明专利]一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法及系统，包括：将运动想象任务显示提供于受试者，并采集产生的数字脑电信号；读取数字脑电信号并判断是否超过预设时段,是则截取，否则继续读取；进行带通滤波，采用快速傅里叶变换计算得到数字脑电信号的时频特征并提取频率能量最高的频率值作为主频率；并采用希尔伯特变换计算得到数字脑电信号的瞬时相位；以主频率和瞬时相位分别作为正弦波的频率和初相，生成预测正弦波且预测获取实时相位信息；判断是否在施加振动刺激的相位区间，并生成和输出控制指令，根据控制指令控制振动电机振动刺激受试者的感觉通道。本发明提高了脑机接口系统的信噪比，增强了运动想象信号的识别率。

技术领域

本发明涉及一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法及系统，属于脑机接口技术领域。

背景技术

1999年召开的第一次脑机接口国际会议给出了脑机接口的定义，即脑-机接口是一种不依赖于正常的由外周神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统。脑机接口的生物学原理是大脑在进行思维活动、产生动作意识或受外界刺激时。神经细胞将产生几十毫伏的微电活动，大量神经细胞的电活动传到头皮表层形成脑电波。脑-机接口(BCI)是以脑电信号或其他相关技术为基础，将大脑活动特征转化为预定义的命令，从而实现与外界交流或者控制其他外部设备的先进技术。

由头皮上放置电极方法提取的脑电信号称为头皮脑电信号(EEG)，由于从大脑到头皮之间存在脑膜、颅骨和多层组织的阻隔，所以EEG信号的信噪比很低，难以提取到稳定可靠的信号，这在对外部设备的控制中是一个较严重的问题，严重影响了脑机接口的应用范围。同时不同个体间的脑电信号也存在差异，研究表明大约有30％的人使用脑机接口时解码率较低，以至于难以实现大脑与外界环境的交流和控制，我们把这一类人称为‘’BCI盲‘’。所以如何提高BCI的解码率等实际表现是脑机接口的一个关键问题。

BCI用户可以通过简单地执行想象左手或右手运动来启动大脑控制。手部运动的动觉想象在受试者的感觉运动皮层中产生事件相关同步(ERD/ERS)。事件相关同步定义为特定频带(例如α波段8-13Hz)的功率减少或增加。通常，运动想象诱导的ERD活动侧向对侧半球，即运动想象诱导对侧感觉运动皮层中的ERD，这些侧向皮质活动构成了基于运动想象的脑机接口的神经生理学基础。

解决BCI发展所面临问题的潜在方法是采用触觉。与视觉刺激相比，触觉感觉产生较少的视觉疲劳，让使用者不会过度疲劳。人的触觉感受器主要是分布于表层皮肤中的麦斯纳小体，感受皮肤的轻压刺激；梅氏小体主要负责感受触觉；较为深层的巴西尼环层小体，主要感受压觉；还有品库斯小体及许多神经末梢、触盘等。其中，梅氏小体位于与主脊相邻并且最靠近皮肤表面的尖端。这些在低频振动(1-40Hz)信号传导中特别有效，因此在检测感觉振动中起着重要作用。

越来越多的研究表明，非侵入性的电刺激可以在锁定潜在的大脑节律时更有效地调节神经活动。振动刺激有可能潜在的与自然震荡同相位，但由于EEG信号的复杂性与时变性，匹配人体自发的震荡是一项具有挑战性的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，针对脑电信号本身的非线性、非平稳、非高斯过程等特征的问题，提供一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法及系统，提高了脑机接口系统的信噪比，增强脑源信号。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于实时闭环振动刺激增强的脑机接口方法，包括以下步骤：

将运动想象任务显示提供于受试者，并采集受试者运动想象时产生的数字脑电信号；

读取所采集的数字脑电信号并判断是否超过预设时段,是则截取预设时段内的数字脑电信号，否则继续读取所采集的数字脑电信号；