[发明专利]一种基于源空间脑磁信号解码的脑机接口系统及应用方法

说明书

本发明公开了一种基于源空间脑磁信号解码的脑机接口系统及应用方法。本系统包括脑磁信号采集装置，用于佩戴于受试者头部，采集受试者脑磁信号并发送给数据采集工作站；数据采集工作站，用于同步接收脑磁信号采集装置采集到的多通道脑磁信号并发送给实时分析工作站；实时分析工作站，用于对收到的脑磁信号进行实时预处理、溯源和解码，并将解码信息发送给多模态刺激呈现装置和外部受控设备；多模态刺激呈现装置，用于呈现诱发受试者脑神经活动的刺激信息或者实时分析工作站解码后的神经反馈信号；外部受控设备，用于根据收到的解码信号进行相应处理。本发明能够实现对多通道高通量的全脑神经活动磁信号实时提取、预处理和溯源分析。

技术领域

本发明涉及脑机接口研究领域，具体涉及一种通过对溯源后脑磁信号进行解码，实现与外界的直接交互以及闭环神经调控的脑机接口系统及其使用方法。

背景技术

通过探测并解码脑神经活动，脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)能够直接建立人脑与外部设备的连接通路，构建脑机交互的神经信号闭合回路。随着可穿戴脑成像设备朝着小型化和便携化的飞速发展，脑机接口已经成为国际科学和产业布局的热点，是各个科技大国核心实力制高点的一个重要竞争领域。

早期的脑机接口应用主要为从人脑到外部设备的单向连接，比如辅助运动能力丧失或严重受损的人群(例如中风、脊椎损伤的瘫痪患者)重新建立与外界的连接，通常通过解码大脑运动感觉皮层的神经活动来操控外部设备，从而实现与外界的交互。近年来，脑成像和人工智能技术的突飞猛进极大地扩展了脑机接口技术的应用场景，使得脑机接口应用从感觉、知觉上升到高级认知活动层面。通过构建人脑与计算机之间的实时双向连接，既能实现人脑对外部设备的直接控制，反之也能对脑活动进行监测与调控。通过自动监测人脑的高级认知活动与状态(包括内心言语、情绪倾向、认知负荷和注意力状态等)。此外，凭借闭合环路神经反馈(closed-loop neurofeedback)，脑机接口技术还能用于神经康复、改善精神疾病症状(强迫症，情绪障碍，慢性疼痛)以及认知增强。实现这些高级脑机接口应用需要在全脑范围内实时地准确定位、提取并解码相关脑区或者脑网络的神经活动信号。

脑功能成像技术是脑机接口的基础，精准探测具有高度复杂性和动态特性的脑神经活动是实现高效人机交互的前提。临床上在颅骨下的大脑皮层放置/植入电极记录神经活动虽然同时具备高时间和空间分辨率的优点，但其作为一种侵入性的测量手段只能用于特殊病人群体(比如癫痫患者)。此外，受限于临床需求和安全考虑，植入电极(阵列)只能覆盖局部脑区，无法实现对全脑神经活动的同步记录，难以用于涉及多脑区高级认知活动的脑机接口应用。脑电图能够无创地在头皮外直接记录脑神经活动产生的电信号，具有时间分辨率高、可穿戴、便携性好的特点。但受制于大脑介质电导率差和各向异性的特点，神经活动电信号在大脑里的传播会受到极大的扭曲和损耗，使得脑电图的信噪比低、有效信号带宽受限(50Hz以上的信号经过颅骨后衰减严重)、空间分辨率差，难以准确回溯神经活动发生的脑区并提供空间信息，限制了其作为脑机接口的应用场景。与之相对，脑神经活动磁信号的传导几乎不受大脑介质的影响，因此能够较为准确地对神经活动的具体位置进行溯源，并在信号源空间完成兼顾时间与空间分辨率的神经活动解码。脑磁图的无创性、超高时间分辨率和溯源后优良的空间分辨率使其成为用于脑机接口高级应用的理想脑功能成像技术。