一种利用随机共振增强脑电信号的脑机接口方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物医学工程和医疗仪器领域，设及一种脑机接口方法，尤其设及一 种随机共振增强脑机接口脑电节律信号的方法。
【背景技术】
[0002] 脑机接口技术是不依赖于外周神经和肌肉的信息传输通道，而直接通过获取脑部 信号实现与外界环境通讯的技术。在临床上，常用感觉运动皮层区的脑电节律信号作为控 制信号源，其应用可W概括为两种；一种是帮助残疾人实现与外界环境的通讯，如假肢和轮 椅的运动控制、使用家居环境控制器来操作各种电器等；另一种是为运动神经通路损伤的 人员提供主动康复辅助，该种康复手段不但可W帮助病人自我辅助按摩和运动，还可强化 相应的神经通路的功能，有助于恢复肢体的真实运动功能。除了该两种典型应用外，基于头 皮脑电信号的脑机接口系统还具有成本低、操作方便、对大脑无损伤等优点，是当前脑一机 接口研究的主要方向之一。
[0003] 由于大脑的复杂性，使得基于头皮脑电信号的脑机接口信号源微弱，并且稳定性 差。目前，W感觉运动皮层的自主节律为基础的脑机接口技术主要是通过反馈训练、引入 针对性的信号处理和模式分类方法、改变实验模式W及完善设备匹配等方法来克服该一问 题。尽管该些方法对系统性能有一定的提高，但仍有一些不足；如受试训练时间长，甚至无 效；信号检测受限于脑电节律信噪比低等缺点。该大大限制了脑机接口技术实用化的进程。
[0004] 随机共振现象是一种与人们通常认识上相反的、消除随机（噪声）的机制。它存在 于非线性系统中，典型特征是当随机扰动（噪声）加入非线性系统时，可出现系统输出信噪 比不降反升的现象。神经系统是典型的非线性系统，有大量研究证实了神经系统、感知觉、 认知W及脑皮层同步化等都存在随机共振的作用情况。受该些研究思路的启发，本发明从 随机共振调节脑电节律同步化的现象入手，引入感觉认知过程中的随机共振现象来增强相 应脑区的脑电节律的强度，从改善脑电信号源的方向开发提高W脑电节律信号脑机接口控 制信号的实用性的技术。专利[公布号，CN 103970273. A]采用了随机共振来增强视觉诱 发电位的响应强度，达到提升现有脑机接口的精度和效率的目的。诱发电位在脑机接口技 术中是一种重要的信号源，具有抗干扰强，且使用者无需过多训练等优点。W头皮脑电自发 节律（如皮层慢电位（SCP) W及y或0节律）为信号源的脑机接口技术不依赖于额外刺 激的输入，不会产生视觉疲劳，没有适应性的问题，具有更广阔和灵活的使用需求。但是 自发节律容易受到干扰，往往需要通过使用者进行长时间的训练来达到性能的稳定性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对感觉运动皮层区脑电节律作为信号源的脑机接口技术，利用 人脑感知过程中已发现的随机共振现象，通过随机共振调控皮层脑电同步化的方法，尝试 从源头上改善脑电信号的信噪比、减少被试者差异性W及提高信号源的稳定性，利用非线 性系统中随机共振原理来构建一种实用的脑电调控方法。
[0006] 所述的随机共振现象定义为：一种与人们通常认识上相反的消除随机（噪声）的 机制。它存在于非线性系统中，典型特征是当随机扰动（噪声）加入某些非线性系统时，可 出现输出信噪比不降反升的现象。宽泛的定义为；加入随机扰动（或是噪声）有利于系统 信息处理或是强化目标特征的现象。本发明所利用的基本原理为利用外部随机噪声，通过 调节内生噪声源进而调节神经系统的信息处理能力。
[0007] 为达到此目的，本发明采用的技术内容如下：
[000引本发明方法应用于W下运动感觉皮层区脑电信号的脑机接口系统，该系统包括脑 电信号采集模块、脑电信号分析模块、模式识别模块、随机共振反演模块、人机交互模块、反 馈调节模块；脑电信号采集模块的输出端与脑电信号分析模块的输入端信号连接；脑电信 号分析模块的一个输出端与模式识别模块的输入端信号连接，另一个输出端与随机共振反 演模块的输入端信号连接；模式识别模块的输出端与人机交互模块的输入端信号连接；随 机共振反演模块的输出端与反馈调节模块的输入端信号连接；反馈调节模块的输出刺激信 号作用于使用者；
[0009] 所述的脑电信号采集模块由电极、阻抗匹配和保护电路、信号放大器、低通和带阻 滤波器、模拟信号转数字信号单元W及控制和通信单元等组成，用于采集脑电信号。
[0010] 所述的脑电信号分析模块是通过USB接口或串行接口 RS-232接收脑电信号采集 模块输出的数字脑电信号，用于分析感觉运动皮层区脑电节律变化。
[0011] 所述的模式识别模块是对脑电信号分析模块输出的脑电信号进行数字滤波处理、 特征抽取和模式判别。
[0012] 所述的随机共振反演模块是基于随机共振原理的智能推理算法模块，该模块可W 软件形式运行于脑电信号分析模块中，也可W单独成为一个软硬件一体化的装置，该模块 能够根据脑电信号分析模块输出的脑电信号节律特征反推出是大脑由外部刺激引起随机 共振的最优模式，反演过程可由模糊推理、贝叶斯决策等方法实现。
[0013] 所述的人机交互模块由计算机显示屏及其上显示的内容构成，它用来指示使用者 完成左右手现象运动，并W图标等带有指示特征的标识来呈现反馈结果。
[0014] 所述的反馈调节模块由声音发生单元、经皮电刺激和振动刺激等其中之一的噪声 能量激励源和功率驱动器构成，该模块在接收随机共振反演模块的输出信息后，把信息转 化为各种输出信号进而刺激使用者相应的感觉通道。
[0015] 本发明提出一种基于上述系统的利用随机共振增强脑电信号的脑机接口方法，该 方法包含W下步骤：
[0016] 步骤（1)、按照10-20脑电电极佩戴方式，选择使用者左、右脑区C3、C4作为记录 区域；在记录区域中安放测量电极，并在单侧耳垂位置处安放参考电极，在头部前额处巧Z 处安放地电极，然后将上述电极测得的脑电信号送入脑电信号采集模块，经放大和模数转 换后送往脑电信号分析模块；
[0017] 所述的左、右脑区C3、C4即为头皮两侧运动皮层区域。
[0018] 步骤（2)、通过想象左手和想象右手运动，可在左、右脑区C3、C4出现去同步化引 起的脑电能量变化；脑电信号分析模块分析感觉运动皮层区脑电节律变化，其中所述的脑 电节律为Mu节律和Beta节律，具体是：
[0019] 2. 1首先设定一个滑动时间窗口，脑电信号分析模块针对同一时间窗口测量电极 上的脑电信号进行滤波前处理，其中滤波前处理采用具有空间滤波特性的拉氏变换法，具 体是用位于中间位置电极的脑电强度值巧1)减去周围电极的平均脑电强度值获得中间位 置电极的脑电强度值E' 1，即马=与- Ei+E^+E,牛Es+Es+E,，此运算可^突出中间位 6 置电极获得的信号强度，滤除周围信号的干扰。
[0020] 2. 2针对某一测量电极，对任务起点后的脑电节律信号能量进行量化，具体是取任 务起点后的第一个时间窗口节律能量作为基准，然后W固定步长滑动时间窗口，求取该测 量电极的各个时间窗口内节律能量与基准节律能量的相对值。
[0021] 步骤（3)、预先构建使用者的随机共振参数模型：
[0022] 所述的随机共振参数模型采用经典的Graz-BCI运动想象实验范式构建，其中在 确定随机共振模式（即输入刺激源）后，通过多维拟合函数法，根据噪声值与上述步骤