专利名称：一种基于脑-机接口的医患交互方法
技术领域：
本发明涉及生物医学信号处理的技术领域，具体涉及一种基于脑-机接口的医患交互方法。
背景技术：
渐冻人症是运动神经元疾病的一种，患者的运动能力逐渐丧失，直至呼吸衰竭。不过，这一切都在他们神志清醒、思维清晰的情况下发生，他们清晰地逼视着自己逐渐死亡的全过程。依据现有的科学技术帮助这些病人刻不容缓。采用基于脑-机接口(Brain-Computer Interface,BCI)技术设计的医患交互系统,可以帮助“渐冻人”群体有效 解决生活上的沟通问题，提高他们的生活质量、减少意外发生的可能性。另一方面中国I⑶建设与管理指南中指出“我国三级和有条件的二级医院均应设立重症医学科，重症医学科属于临床独立学科，直属医院职能部门直接领导。ICU是重症医学学科的临床基地。传统上，医护人员总是将所有精力放在患者生命的抢救和病情的监测上，忽视了患者的需求。同时，各大医院中很难能做到重症监护病房的人员配备的比例(2.5-3 I)。所以针对人员配备不足的问题，在病人需要帮助的情况下，尤其是夜间，很难能及时的得到帮助，但是即使在白天，人员配备还充足的情况下，病人有需求，医护人员也不能及时的了解病人的想法，有时还可能会得到相反的结果。目前重症监护中心主要是一些急救设备和检测生命信息指数的仪器，将医患交互系统应用到具有ICU重症监护中心的大型医院中，可以很好地解决肢体瘫痪或运动不变、说话不便(如使用呼吸机)的非脑瘫类重症病人与医生、护士、家庭护理人员间的沟通问题。脑电是来自大脑神经组织的电活动。临床上在头皮用双极或单极记录法来观察皮层的电位变化，记录到的脑电波称为脑电图。脑电包含有自发脑电信号和诱发脑电信号。自发脑电信号是大脑皮层持续的节律性电位改变；诱发脑电信号，也称为诱发电位(EvokedPotential, EP)，是神经系统(包括外周或中枢、感觉或运动系统)接受内、外界“刺激”所产生的特定电活动。诱发电位可分为两大类，一类是外源性刺激相关诱发电位，包括视觉诱发电位、听觉诱发电位、躯体感觉诱发电位和运动诱发电位等；另一类是内源性事件相关诱发电位，与大脑的认知功能有关。诱发电位可以应用于神经系统病损的研究，有重要的临床诊断价值，此外，诱发电位的研究有助于认识人类自身的高级神经活动本质。与自发脑电相比，诱发电位的波幅较低，通常淹没于自发脑电和其它各种伪迹中。诱发电位有一定的空间、时间和相位特征，诱发电位须在特定的部位才能检测出来。再者，诱发电位的潜伏期与刺激之间有较严格的锁时关系，而且是在给予刺激时，几乎可立即或在一定时间内瞬时出现。自发脑电和诱发电位都能从不同方面反映大脑的不同状态，可应用于脑-机接口。事实上并不是任意一种脑电信号都可用于脑-机接口。然而，在特定的情况下，通过训练，人们有可能产生某种稳定的脑电信号，或者对特定的刺激产生一种可靠的反应。只有这些容易被解释的脑电信号可以应用于脑-机接口。当人接受到一个视觉刺激时，在视皮层就会产生相应的电活动，这种信号被称为视觉诱发电位(Visual Evoked Potentials, VEP)。视觉诱发电位是人眼经过“集中注视”活动诱发大脑视觉皮层神经的特定电活动在头皮电位的反映。基于VEP的BCI系统依赖于使用者控制眼睛注视方向的能力。当受到频率恒定的外界刺激时，大脑将会产生一个和外界刺激频率或其谐波同频率的响应，该响应的强弱可以由头皮或皮层上测量得到的电压信号表征，即稳态诱发电位(Steady-State Evoked Potential, SSEP),在对视觉进行重复刺激的实验中，都能观察到稳态诱发电位的出现。这种明显的被刺激频率所调制的脑电信号被称为稳态视觉诱发电位(Steady State Visual Evoked Potentials, SSVEP)。对于许多严重瘫痪患者，其视觉功能常常是健全的，因此视觉诱发电位是一种比较适合于脑-机接 口的脑电信号。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于脑-机接口的医患交互方法，通过不同频率的视觉刺激，诱发大脑产生相应的稳态视觉诱发电位，通过电极加以采集，利用脑电放大器对采集到的微弱的脑电信号进行放大，并通过脑电放大器与计算机之间的数据传输线将数据传输至计算机进行分析、处理与识别，最终将识别结果通过计算机显示输出。实现本发明的基于脑-机接口的医患交互方法所采用的硬件系统，包括脑电采集模块和脑电分析及医患交互模块。所述脑电采集模块包括电极和脑电放大器，电极安置在受试者头皮表面，通过电极帽固定；脑电放大器采用现有器件，包括前置放大电路和后级放大电路，电极接至前置放大电路输入端，IU直放大电路输出端连接后级放大电路输入端，后级放大电路输出端连接计算机。该模块采集由视觉刺激诱发的脑电信号，获得分析需要的数据。所述脑电分析及医患交互模块，包括计算机、显示器和扬声器，该模块实现系统的脑电信号处理功能和医患交互功能，脑电信号处理包括脑电信号的预处理、特征提取和识别分类，将刺激模块诱发的脑电信号识别出来，以控制相应的命令，实现医患交互的功能，显示器用来显示视觉刺激信号和系统识别结果，预先录制所设定的患者需求相应的语音文件，根据识别结果选择相应的语音文件通过扬声器播报，完成病人和医护人员的有效沟通。本发明的基于脑-机接口的医患交互方法，具体步骤如下步骤I :设定不同频率的视觉刺激信号并显示在显示器上，视觉刺激信号包括报警、确定、删除和两个基本命令信号0和1，由0和I的两位编码组成4种不同医患交互命令；多个不同频率的闪光刺激会同时出现在受试者的视野中，而每个闪光都可能诱发相应频率的稳态视觉诱发电位(SSVEP)。如果受试者选择某个频率闪光所对应的按键，可以通过集中注视该按键，从而使该频率诱发的SSVEP最显著，这个过程可以称为频率编码。通过分析SSVEP的频谱，可以找出诱发最为明显的频率,从而完成对按键的识别,这一步叫做频率解码。步骤2 :电极实时采集受试者脑电信号，经放大后送至计算机；步骤3 :进行脑电信号分析处理，包括信号预处理、特征提取和识别分类。步骤3. I :信号预处理；
对采集到的实时脑电信号进行累加平均的预处理，提取出诱发脑电信号。假设提取的脑电信号满足两个条件(I)每次刺激所获得的诱发电位波形基本不变。(2)诱发电位和噪声是相互独立的，且噪声的均值为零。
定义视觉诱发电位信号的模型为Xi (t) = Si(t)+ni(t) (i = I, 2, . . . , N) (I)其中Xi⑴为第i次刺激后观察的信号，Si⑴为第i次待提取的视觉诱发电位信号，Iii⑴为第i次记录到的噪声信号。N次累加平均后的信号为Avg(t) = Z SiO)+ ZniO)(2)
^ V ^=I i=l J假设噪声信号的方差为O n，N次累加平均之后，噪声信号N次累加平均后的均值和方差分别为式(3)、式(4)= 0(3)
^=I J
(I wA 2 /Var :!>(/) = -L(4)
Vv ^=I JN次累加平均后，视觉诱发电位信号的功率信噪比(即信号功率与噪声功率之比)为SNRavg = <Sf/)'>=^<Si(f > =N-SNRmi(5)
INCJn其中，SNRini为原始功率信噪比，O n2/N为N次累加平均之后的方差，Si (t)为待提取的视觉诱发电位信号。经过N次叠加平均后，视觉诱发电位与N成正比，有很好的锁时关系，而噪声叠加后由于各次记录有正有负而部分抵消，平均响应的功率信噪比为单次响应功率信噪比的N倍，幅度信噪比改善了#倍。但是实际中并不能达到这样理想的情况，信噪比的提高值低于理论计算值。这样很容易将叠加后的诱发电位提取出来，最后再除以叠加的次数就能得到原来的视觉诱发电位，即公式(2)给出的N次累加平均后的信号。步骤3. 2 :对预处理后的脑电信号进行特征提取，具体步骤如下步骤3. 2. I :利用小波变换将脑电信号进行小波分解，提取小波分解系数作为初始特征参数；步骤3. 2. 2 :对小波变换后提取的小波分解系数进行AR功率谱估计，提取脑电信号功率特征参数，用X表示脑电信号功率特征参数矩阵，X = (x1； X2, , xn) ' ,Xt= (xlt,x2t, . . . , xpt) ' , t = 1,2, . . . , n, n 是脑电的样本个数；步骤3. 2. 3 :利用主成分分析方法(Principle Component Analysis, PCA)进行主要特征选择；主成分分析(Principle Component Analysis, PCA)是线性模型参数估计的一种常用方法，利用正交原理将原来的相关自变量变换为另一组相互独立的变量，即所谓的“主成分”，然后选择其中一部分重要成分作为自变量(此时丢弃了一部分不重要的自变量)，最后利用最小二乘方法对选取主成分后的模型参数进行估计。PCA是将输入数据从样本空间变换到坐标不相关的新坐标系的一种线性变换，且样本空间的最大方差只集中到新坐标系的少数几个坐标轴上，也是可作为数据压缩和去除噪声的工具，同时也是提取信号特征的一种途径。利用主成分分析方法进行主要特征选择，具体步骤如下步骤3. 2. 3. I :求训练样本(即脑电信号功率特征参数)AR参数估计之后的向量的协方差矩阵E；E=(Sij)pxp其中
权利要求
1.一种基于脑-机接口的医患交互方法，该方法所采用的基于脑-机接口的医患交互系统包括脑电采集模块和脑电分析及医患交互模块； 所述脑电采集模块包括电极和脑电放大器，电极安置在受试者头皮表面，通过电极帽固定；脑电放大器采用现有器件，脑电放大器连接计算机，该模块采集视觉刺激诱发的脑电信号，获得分析需要的数据； 所述脑电分析及医患交互模块，包括计算机、显示器和扬声器，该模块实现系统的脑电信号处理功能和医患交互功能； 其特征在于，包括以下步骤 步骤I:设定不同频率的视觉刺激信号并显示在显示器上，视觉刺激信号包括报警、确定、删除和两个基本命令信号O和1，由O和I的两位编码组成4种不同医患交互命令； 步骤2 :电极实时采集受试者脑电信号，经放大后送至计算机； 步骤3 :进行脑电信号分析处理，包括信号预处理、特征提取和识别分类； 步骤4 :将步骤3的识别结果对应的语音提示通过扬声器播报，并将结果显示在显示器上，医护人员根据显示和语音进行相应救护。
2.根据权利要求I所述的基于脑-机接口的医患交互方法，其特征在于步骤3所述的进行脑电信号分析处理，步骤如下 步骤3. I :信号预处理； 对采集到的实时脑电信号进行累加平均的预处理，提取出诱发脑电信号； 步骤3. 2 :对预处理后的脑电信号进行特征提取； 步骤3. 3 :利用K-近邻分类算法对选取的主要特征的特征向量进行识别分类。
3.根据权利要求2所述的基于脑-机接口的医患交互方法，其特征在于步骤3.2所述的对预处理后的脑电信号进行特征提取，步骤如下 步骤3. 2. I :利用小波变换将脑电信号进行小波分解，提取小波分解系数作为初始特征参数； 步骤3. 2. 2 :对小波变换后提取的小波分解系数进行AR功率谱估计，提取脑电信号功率特征参数； 步骤3. 2. 3 :利用主成分分析方法进行主要特征选择。
全文摘要
一种基于脑-机接口的医患交互方法，采用的基于脑-机接口的医患交互系统包括脑电采集模块和脑电分析及医患交互模块；该方法包括以下步骤设定不同频率的视觉刺激信号并显示在显示器上，通过0与1的不同组合编码(00，01，10，11)映射成四个命令的控制；电极实时采集受试者脑电信号，经放大后送至计算机；进行脑电信号分析处理；识别结果对应的语音提示通过扬声器播报，并将结果显示在显示器上，医护人员根据显示和语音进行相应救护。脑-机接口技术能够识别大脑状态进而及时准确地驱动外部设备，实现通信与控制。不同频率的视觉刺激能有效地激发大脑产生稳态视觉诱发电位，通过计算机的信号计算与处理功能，实现不同频率刺激下脑电信号的准确识别，并通过结果显示与语音提示方式实现真正意义上的医患交互。
文档编号G06F19/00GK102708288SQ201210131869
公开日2012年10月3日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者刘纪红, 孙宇舸, 许静 申请人:东北大学