一种基于触听觉诱发电位的脑控轮椅系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及脑机接口技术及人工智能技术领域，特别设及一种基于触听觉诱发电 位的脑控轮椅系统。
【背景技术】
[0002] 大脑是人类神经系统的中屯、，负责控制人们的认知与感知、运动与协调等各种神 经活动。而对于患有严重运动功能障碍而脑功能正常的患者，尽管有正常的意识活动，但他 们无法与外界进行交流，处于一种"自锁"状态。此类疾病包括肌萎缩性侧索硬化、脊髓损 伤、脑干中风和脑擁，W及在病情晚期所产生的闭锁综合症等。患有类似疾病的患者不但其 自身处于一种极度痛苦的状态，同样也给其家庭和社会增添了沉重的负担。目前，改善残疾 人的生活状况和自理能力，提高其生活质量等问题已经得到社会各界的普遍关注。而利用 智能轮椅等辅助运动器械提升患者的运动能力，帮助其实现一定程度上的自理，将会大大 缓解社会医护资源不足的现状，市场潜力十分巨大。传统的智能轮椅的运动控制主要是通 过控制杆或者按钮来实现的，运种方法虽然有效，但是对于运动功能衰退的人来说，操控十 分困难。
[0003] BCI度rain-Computer Inte;rface，脑机接口）是一种新的不依赖于外周神经 和肌肉参与的人机通讯系统。BCI技术可W通过检测并判别大脑信号中对应不同神经 活动所体现出来的模式来识别人的意图，并可将其转换成计算机可W执行的控制指令， 从而实现人脑与外界交流和环境控制。对于无法通过医疗手段完全康复的、有严重运 动功能障碍疾病的患者来说，BCI技术是其当前实现与外部世界进行交流与控制的唯 一途径。随着人们对大脑工作机理不断深入的研究及信号处理技术的快速发展，基于 邸G(Elect;roenc巧halogram，脑电图）的无创BCI技术研究已经达到一定水平，并在准确 率、可靠性W及实用化方面有了很大的提高，运为智能轮椅的脑控系统研发及其相关产品 进入实际生活应用提供了重要的理论基础与技术支撑。
[0004] 近年来，国内外众多BCI研究机构已经展开了脑控智能轮椅的相关研究，并取得 了一批重要的研究成果。目前，该领域的研究主要集中在对由运动想象产生的感觉运动节 律（Senso巧Motor化ythm，SMR)和基于视觉刺激诱发的P300特征电位信号的利用上。其 中，虽然SMR-BCI方法不需要依赖外界刺激就可W实现对智能轮椅的控制，但是通常需要 对使用者进行大量的训练，而且"BCI盲"的比例较大（20% -30%)，很多人即使经过长时 间的训练仍不能提供可W实现稳定、有效控制的脑电特征信号。此外，由于EEG信号的空间 分辨率较低，通过增加运动想象任务种类来增加控制命令数是非常困难的，较为成熟有效 的应用仍是只能提供左转/右转两类控制指令的智能轮椅控制方法，大大制约了系统的实 用性。相比之下，基于视觉刺激的P300-BCI方法几乎不用对用户进行特殊训练便可W实现 稳定快速的多目标控制，但是由于运种BCI方法通常需要用户对眼部肌肉的自主控制，运 恰恰可能使其难W应用于患有严重运动功能障碍疾病，处于自锁状态的患者。另外，在智能 轮椅的操控过程中，用户的视线已经被占用，很难同时注视屏幕上视觉刺激。 阳0化]为了满足视觉刺激受限情况下对BCI技术的需要，学者们开始了基于听觉和触觉 刺激的P300-BCI研究。虽然随着研究的深入，运两种非视觉的P300-BCI系统性能有了明 显的提升，其中，Kaufmann等人更是验证了基于触觉的P300-BCI用于智能轮椅的控制的可 能性，但是当前基于听觉和触觉单模态刺激的P300-BCI的准确率和速度仍难W满足智能 轮椅的实际控制需要。我们人类拥有多种感知通道，用于感知和处理外部世界的信息。多 模态的刺激可W诱发大脑相应感知区域的神经活动，运种现象被称之为多模态感知整合现 象。由此可W推测，多模态的刺激可W同时诱发大脑相应感知区域的神经活动，进而诱发更 强的P300特征电位，提升解码速度和准确率，提高系统性能。然而，至今还未发现基于听觉 和触觉双模态刺激的脑控轮椅方法的相关报道。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0007] 为此，本发明的目的在于提出一种基于触听觉诱发电位的脑控轮椅系统，该系统 原理简单、实现简便、控制精度高、能够提高系统操控效率。
[0008] 为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种基于触听觉诱发电位的 脑控轮椅系统，包括：信号采集模块、初始化模块、参数离线训练模块、信号处理模块、触听 觉刺激模块和控制模块，其中，所述信号采集模块用于采集用户的脑电信号，并对所述脑电 信号进行预处理，并将预处理后的脑电信号发送至所述信号处理模块；所述初始化模块用 于对电极的电阻值进行检测，并对电极位置、最优Round数、P300分类器的参数进行设置； 所述参数离线训练模块用于获取最优电极通道和最优Round数，并对P300分类器进行训 练；所述信号处理模块用于对所述预处理后的脑电信号的P300特征进行提取和识别；所述 触听觉刺激模块用于生成触听觉随机刺激信号，并向用户施加触听觉双模态随机刺激，W 诱发所述用户的脑电信号中的P300特征电位；所述控制模块用于根据所述P300特征电位 生成相应的控制指令，并将所述控制指令转换为对应的电压信号，并根据所述电压信号控 制轮椅执行相应操作。
[0009] 另外，根据本发明上述实施例的基于触听觉诱发电位的脑控轮椅系统还可W具有 如下附加的技术特征：
[0010] 在一些示例中，所述采集信号采集模块包括：脑电采集器，用于采集所述用户的脑 电信号，所述脑电采集器包括可拆卸的干电极和标准32导国际10/20系统的电极帽；所述 脑电放大器，用于对所述脑电信号进行放大；A/D转换器，用于对放大后的脑电信号进行模 数转换。
[0011] 在一些示例中，所述参数离线训练模块包括：最优电极通道选择模块，用于根据Jumpwise回归方法和所述用户的脑电数据库离线训练得到最优电极通道；P300分类器训 练模块，用于采用贝叶斯线性判别分析方法或步进线性判别分析方法或支持向量机对P300 分类器进行训练；最优Round选择模块，用于采用留一法交叉检验的方法绘制信息传输率 曲线，并将所述信息传输率的最大值所对应的Round数选择为最优Round数。
[0012] 在一些示例中，所述信号处理模块用于对所述预处理后的脑电信号进行带通滤波 后，根据P300成分在时域上的特征，通过截取每个随机刺激事件发生后预设时间的脑电信 号的方式进行特征提取，并计算所述每个随机刺激事件对应的特征向量，并计算所述特征 向量对应的特征值，并计算所述特征值的平均值，并根据所述平均值得到相应指令对应的 特征值。
[0013] 在一些示例中，所述触听觉刺激模块用于在同一方向上同时向所述用户施加触听 觉双模态随机刺激。
[0014] 在一些示例中，所述触听觉刺激模块包括：随机编码生成模块、触觉刺激模块和听 觉刺激模块，其中，所述随机编码生成模块用于随机生成第一至第四随机刺激编码之一，并 将所述第一至第四随机刺激编码之一同时发送至所述触觉刺激模块和听觉刺激模块；所述 触觉刺激模块和听觉刺激模块用于根据所述第一至第四随机刺激编码在四个预设方向向 用户发送相应的刺激信号，其中，所述四个预设方向分别为所述用户的左侧、所述用户的前 方、所述用户的右侧及所述用户的后方。
[0015] 在一些示例中，所述听觉刺激模块为耳机或耳麦，用于播放特定声音文件W在四 个预设方向向所述用户发送相应的声音刺激信号，其中，所述声音文件采用声音的头外定 位技术实现，所述声音文件包括男声声音文件和女声声音文件。
[0016] 在一些示例中，所述触觉刺激模块包括纽扣电机和电机控制器，其中，所述纽扣电 机用于产生振动刺激信号，并在四个预设方向向所述用户发送振动刺激信号；所述电机控 制器用于调控所述电机振动的脉冲宽度。
[0017] 在一些示例中，所述控制器用于接收一组平均P300特征值，并将所述平均P300特 征值的最大值所对应的方向代表的指令设定为当前轮椅的控制指令，其中，所述当前轮椅 的控制指令所对应的当前速度或当前角度采用对侧P300特征值相减的方法计算求得，其 中，所述控制模块还用于判断所述当前角度的取值是否在预设范围之内，并在所述当前角 度的取值不在预设范围之内时将当前的角度作为角度最大值，并判断所述当前速度是否大 于速度最大值，并在所述当前速度大于速度最大值时将所述当前速度作为速度最大值，W 及在所述当前速度小于速度最大值时发送停止指令。 阳01引在一些示例中，所述控制指令包括：左转、加速、右转和减速。
[0019] 根据本发明实施例