一种基于想象动作的在线脑‑机接口方法

一种基于想象动作的在线脑-机接口方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及脑-机接口领域，尤其涉及一种基于想象动作的在线脑-机接口方法。\n背景技术\n[0002] 脑-机接口(Brain-Computer Interface，BCI)是一种不依赖于大脑外围神经与肌肉正常输出通道的通讯控制系统。该定义由第一次脑-机接口国际会议给出。BCI系统能够通过判断大脑的活动模式来输出用户的指令意识。到目前为止，最常用的BCI系统大都是基于脑电信号。图1为一个完整的BCI系统示意图，由信号采集、信号处理、外部输出设备三部分组成。通过头皮电极或植入电极获得含有使用者控制意图的脑电信息，经过各种信号处理的手段提取脑电信息特征并进行模式识别，最后将之转化为控制外部设备的操作命令。\n[0003] 实际的肢体动作或者想象动作均可引起皮层运动中枢中大量神经元活动状态的改变，从而使得脑电信号中的某些频率成分(例如：alpha波、beta波和mu节律)同步减弱或者增强。上述现象被称之为事件相关去同步(Event-Related Desynchronization，ERD)以及事件相关同步(Event-Related Synchronization，ERS)。近年来有关想象动作的应用技术研究有显著进展，想象动作已应用于人机交互领域，成为了BCI控制的重要范式。\n[0004] 值得注意的是，目前基于想象动作的BCI系统对于想象状态的划分仍处于触发状态，即设定某一阈值，根据想象动作下的ERD值来判断受试者“想象”或者“静息”两种状态。\n现有的基于想象动作的BCI系统不能对使用者的“想象”状态进行分析，因而不能提供一种客观的反馈手段促使受试者提高自己的想象程度。而对于“想象”状态的划分，将有助于更加深入的了解想象过程的神经认知过程，探索动作想象的神经机制。\n发明内容\n[0005] 本发明提供了一种基于想象动作的在线脑-机接口方法，本发明根据想象不同上肢收缩力引起的脑电信号变化，搭建实时反馈的在线脑机接口方法，详见下文描述：\n[0006] 一种基于想象动作的在线脑-机接口方法，所述在线脑-机接口方法包括以下步骤：\n[0007] 使用者观看电脑屏幕上的刺激界面，想象上肢对应的肌肉收缩力，通过64导联脑电采集系统采集使用者在执行想象动作时产生的脑电信号数据；\n[0008] 实时读取脑电信号数据，判断脑电信号数据存储的时长是否超过1s，如果超过1s，则截取当前1s的脑电信号数据，执行下一步骤；如果没有超过1s，继续读取脑电信号数据；\n[0009] 通过短时傅里叶变换对当前1s的脑电信号数据进行处理，获取脑电信号数据的时频特征；通过相位耦合测量算法对当前1s的脑电信号数据进行处理，获取相位锁定值特征；\n[0010] 将两类特征数据送到训练好的分类器中进行模式识别，得到决策值；\n[0011] 根据当前决策值dv，并通过进度条的变化作为反馈输出。\n[0012] 所述使用者观看电脑屏幕上的刺激界面，想象上肢对应的肌肉收缩力具体为：\n[0013] 左侧为刺激界面，右侧为反馈界面；左侧进度条在10s内均匀的从0升高至100，同时，使用者根据进度条的提示想象上肢肌肉收缩，并且想象收缩力均匀的增大到最大收缩力。\n[0014] 所述根据当前决策值，并通过进度条的变化作为反馈输出具体为：\n[0015] 当dvt|  (5)\n[0044] 式中<·>t是对时间平均运算符。对于离散信号，相位锁定值PLV计算如下：\n[0045]\n[0046] 一个PLV等于一个时间窗中所有单位矢量eiΔθ(n)的平均长度。PLV被归一化，因此在\n0和1之间变化。PLV＝0意味着两个信号的相位不存在耦合，而PLV＝1意味着两个信号的相位完全耦合，因为两个信号在每个时间点相位差都是常数。\n[0047] 104：将两类特征数据送到训练好的分类器中进行模式识别(识别算法为支持向量机)，得到决策值；\n[0048] 模式识别是通过对提取的脑电信号特征分类来辨识出其中所携带的自主性动作信息。支持向量机(SVM)是近年来在模式识别与机器学习领域中出现的新工具，以统计学习理论为基础，有效地避免经典学习方法中过学习、维数灾难、局部极小等传统分类存在的问题，在小样本条件下仍然具有良好的范化能力。它通过构造最优超平面，使得对未知样本的分类误差最小。\n[0049] 模式识别的过程如下：在经过了特征提取阶段之后，将这些从样本中提取到的特征用来训练SVM分类器，训练后得到一个model，然后再利用这个model来对未知模式类型的想象动作进行分类，得到的结果即为未知模式想象动作的模式识别结果，决策值以及识别正确率。\n[0050] 105：根据当前决策值(dv)，并通过进度条的变化作为反馈输出。\n[0051] 在本发明中，由低到高分别设定了4个阈值(a,b,c,d)。当dv