步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法及系统

本发明涉及步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法及系统，属于脑机接口。

背景技术：

1、脑机接口(brain-computer interface,bci)是一种可以让用户使用脑电信号直接与计算机或其他外部设备进行交互的技术手段，经典的脑机接口系统主要包括运动想象(motor imagery,mi)、事件相关电位(event related potential,erp)和稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential,ssvep)三种范式。

2、对下肢运动障碍尤其是下肢瘫痪的患者来说，若能使用mi-bci进行运动想象辅助训练，重塑神经通路，由大脑直接控制外部机构牵引下肢相应部位运动，将对患者带来很大的便利，并且康复医学上认为由主动运动意识引导肢体运动的康复训练效果要好于完全被动的牵引训练。因此对病患人群来说，下肢mi-bci有着极大的应用价值和实用性。且有临床实验显示，运动功能恢复水平与bci康复训练过程的解码准确率成正相关关系，且不正确的反馈会降低在康复训练中的积极性和参与度。

3、目前，运动想象脑机接口主要依赖erd/ers的空间分布特征来区分不同的运动想象任务，例如基于左右手的运动想象，需要精细控制上肢(如手臂、手指等)映射到大脑皮层外表面，占据运动皮质较大区域。而下肢由于映射于皮层沟壑内，占据的空间较小，且不同受试者的运动想象能力存在显著的个体差异，因此，对于部分受试者来说，完成下肢运动想象任务是较难的，无论是患者还是健康被试都存在“bci盲”现象，通过训练后，解码准确率低于70％。

4、为了提升mi-bci的性能，现有技术有：通过在想象之前在下肢施加功能性电刺激(fes)，给受试者体验肌肉收缩的感觉，帮助他们更好地进行运动想象。但是该技术存在的问题是：刺激与运动想象任务是不同步的，受试者可能难以将该肌肉错觉与运动想象任务结合起来。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有下肢运动想象技术存在刺激与运动想象任务不同步的问题，提供了步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法及系统。

2、本发明所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，它包括：

3、s1、将两对电极贴分别置于下肢腓浅神经和腓肠神经处；

4、s2、根据想象步态动作的相位对电极贴的感觉电刺激等级进行相位编码，根据相位编码的感觉电刺激等级，在步态运动想象过程中向电极贴施加感觉电刺激；

5、s3、在感觉电刺激引导下进行步态运动想象，对脑电数据进行采集和预处理；

6、s4、采用共空间模式算法对预处理后的脑电数据进行特征提取和模式识别，获取单次任务脑电特征向量；

7、s5、将单次任务脑电特征向量输入线性判别分析训练分类器，采用十折交叉验证策略通过线性判别分析识别下肢运动意图。

8、优选的，s2所述根据想象步态动作的相位对电极贴的感觉电刺激等级进行相位编码，根据相位编码的感觉电刺激等级，在步态运动想象过程中向电极贴施加感觉电刺激的具体方法包括：

9、s2-1、将想象步态动作的不同相位映射至电极贴，分别获得相对应的电刺激等级；

10、s2-2、将想象步态动作的相位时间进行缩放，获得想象步态动作之间每个相位对应的时间比例；

11、s2-3、根据s2-2获得的是时间比例，将s2-1获得的电刺激等级在步态运动想象过程中同步施加至电极贴。

12、优选的，所述将s2-1获得的电刺激等级在步态运动想象过程中同步施加至电极贴的具体方法包括：通过改变电刺激器的脉宽改变电刺激等级。

13、优选的，s2所述想象步态动作的相位包括：足跟触地、全脚掌着地、足跟离地和摆动。

14、优选的，s3所述在感觉电刺激引导下进行步态运动想象的具体方法包括：

15、在腓浅神经处的电极贴上施加电刺激等级为1的弱刺激，在腓肠神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，想象步态动作为从静止站立到足跟触地相位；

16、在腓浅神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，在腓肠神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，想象步态动作为从足跟触地相位到全脚掌着地相位；

17、在腓浅神经处的电极贴上施加电刺激等级为2的强刺激，在腓肠神经处的电极贴上施加电刺激等级为1的弱刺激，想象步态动作为从全脚掌着地相位到足跟离地相位；

18、在腓浅神经处的电极贴上施加电刺激等级为1的弱刺激，在腓肠神经处的电极贴上施加电刺激等级为1的弱刺激，想象步态动作为从足跟离地相位到摆动相位。

19、优选的，s3所述对脑电数据进行预处理的具体方法包括：

20、采用5-40hz的带通滤波器对采集的脑电数据进行滤波；

21、采用50hz的陷波器进行去除工频干扰；

22、采用共平均参考空间滤波处理，并降采样至200hz；

23、提取任务开始后0-5s的数据，采用独立成分分析算法对眼动和肌肉伪影进行去除，完成预处理。

24、优选的，s4所述获取单次任务脑电特征向量的具体方法包括：

25、采用共空间模式算法，计算获得脑电数据的共空间模式投影矩阵w；

26、采用空间滤波器将脑电数据x进行变换，获得空间滤波后的脑电数据z：

27、z＝wtx；

28、进而，获得单次任务脑电特征向量：

29、

30、其中，fp表示特征向量，表示求解方差，k表示常数k＝1，

31、zp表示经过空间滤波后的脑电信号中前m行和后m行的向量，p＝1,2,…,2m，m＝3，前m行向量对应最大的m个特征值，后m行向量对应最小的m个特征值，

32、j表示中间变量，j＝1,2,…,2m，2表示步态运动想象的模式。

33、本发明所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口系统，它包括：

34、电极贴，用于产生电刺激；

35、电刺激器，通过改变脉宽改变电刺激等级，将相应等级的电刺激信号发送至电极贴；

36、脑电数据采集模块，在电刺激施加过程中对脑电数据进行采集，并对采集的数据进行预处理；

37、上位机模块，向电刺激器发送电刺激信号控制指令，以及对预处理后的脑电数据依次进行特征提取、模式识别和线性判别分析，获得下肢识别结果。

38、本发明提出的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法及系统，具有如下优点：

39、1、将下肢的一个步态周期划分为四个步态动作相位，根据不同的步态动作相位获取的步态相位序列编码施加序列性的感觉电刺激，提供了步态运动想象过程中的引导，使得在电刺激过程中完成相对应的想象步态动作；

40、2、在序列性的感觉电刺激的引导下，提高了分类的准确率，均值能够达到82％。

技术特征：

1.步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，它包括：

2.根据权利要求1所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，s2所述根据想象步态动作的相位对电极贴的感觉电刺激等级进行相位编码，根据相位编码的感觉电刺激等级，在步态运动想象过程中向电极贴施加感觉电刺激的具体方法包括：

3.根据权利要求2所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，s2-3所述将s2-1获得的电刺激等级在步态运动想象过程中同步施加至电极贴的具体方法包括：通过改变电刺激器的脉宽改变电刺激等级。

4.根据权利要求1、2或3所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，s2所述想象步态动作的相位包括：足跟触地、全脚掌着地、足跟离地和摆动。

5.根据权利要求4所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，s3所述在感觉电刺激引导下进行步态运动想象的具体方法包括：

6.根据权利要求1或5所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，s3所述对脑电数据进行预处理的具体方法包括：

7.根据权利要求6所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，s4所述获取单次任务脑电特征向量的具体方法包括：

8.步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口系统，该系统用于实现权利要求1所述的步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法，其特征在于，它包括：

技术总结
步态相位感觉引导的下肢运动想象脑机接口方法及系统，属于脑机接口技术领域，本发明为解决现有下肢运动想象技术存在刺激与运动想象任务不同步的问题。它包括：电极贴，用于产生电刺激；电刺激器，通过改变脉宽改变电刺激等级，将相应等级的电刺激信号发送至电极贴；脑电数据采集模块，在电刺激施加过程中对脑电数据进行采集，并对采集的数据进行预处理；上位机模块，向电刺激器发送电刺激信号控制指令，以及对预处理后的脑电数据依次进行特征提取、模式识别和线性判别分析，获得下肢识别结果。本发明用于下肢部位运动想象的脑机接口运动意图识别。

技术研发人员：刘源,张宇剑,王壮,桂卓蓝,丘世因,明东
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15