[发明专利]一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法

说明书

本发明公开了一种基于超声调制的脑‑机接口通讯方法，包括：安装由脑电电极、脑电放大器、脑电滤波器的脑电采集系统以及基于超声调制的脑电信号测量系统组成的脑电信号测量设备、以及由聚焦超声换能器和聚焦超声波驱动装置组成的聚焦超声波发射设备；利用水听器测量聚焦超声波特性；在所设定的实验范式下，将超声波聚焦于焦斑位置，同时测量脑电信号和基于超声调制的脑电信号；利用所测量的脑电信号和基于超声调制的脑电信号制定解码策略。本方法利用聚焦超声波预先对颅内激活源信号进行调制，从激活源源头增加脑电信号的空间位置信息，进而为BCI通讯提供高时空分辨率的脑电信号，以扩展BCI系统通讯宽带、增大其指令集。

技术领域

本发明涉及脑-机接口通讯技术领域，尤其涉及一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法。

背景技术

脑-机接口(Brain-computer Interface,BCI)是一个通过检测中枢神经系统(Central Nervous System，CNS)活动并将其转化为人工输出来替代、修复、增强、补充或改善CNS正常输出，由此改变CNS与其内外环境之间持续交互作用的系统。该定义突出了BCI替代、修复、增强、补充或改善CNS功能的关键作用，更强调了BCI在改变CNS传统对外交互机制、创造新型人机交互模式方面的重要意义。BCI通过采集和分析不同状态下人的脑电信号，使用一定的工程技术手段在人脑与计算机或其他电子设备之间建立起直接的交流和控制通道，从而实现一种新的信息交换和控制技术。例如：可以为残疾人特别是那些丧失了基本肢体运动功能但思维正常的病人提供一种与外界进行信息交流与控制的途径。为此，BCI技术越来越受到重视。

在BCI系统研究中，通讯协议的设计是其中一个重要的环节，它直接决定了BCI系统的通讯带宽。目前基于脑电信号的BCI通讯协议包括：单一时间的编码方式，例如：基于ERP(事件相关电位)的BCI；单一频率的编码方式，例如：基于SSVEP(稳态视觉诱发电位)的BCI；以及基于空间、时间和频率联合编码的BCI通讯方法(CN 103150017A)。这些编码方法、解码策略的研究大大提高了BCI系统的通讯效率。

然而，受限制于脑电信号空间分辨率低、空间分布信息不足，目前基于脑电信号的BCI通讯协议存在指令集小，解码深度差的问题。同时，BCI系统受限于脑电信息微弱，极易受到干扰，其性能几乎完全依赖于对脑电信号的解码算法，难以深入学习更多的信源。

发明内容

本发明提供了一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，本方法在传统脑电信号检测的基础上，利用聚焦超声波预先对颅内激活源信号进行调制，从激活源源头增加脑电信号的空间位置信息，进而为BCI通讯提供高时空分辨率的脑电信号，以扩展BCI系统通讯宽带、增大其指令集，详见下文描述：

一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，所述方法包括以下步骤：

安装由脑电电极、脑电放大器、脑电滤波器的脑电采集系统以及基于超声调制的脑电信号测量系统组成的脑电信号测量设备、以及由聚焦超声换能器和聚焦超声波驱动装置组成的聚焦超声波发射设备；利用水听器测量聚焦超声波特性；

在所设定的实验范式下，将超声波聚焦于焦斑位置，同时测量脑电信号和基于超声调制的脑电信号；利用所测量的脑电信号和基于超声调制的脑电信号制定解码策略。

进一步地，所述基于超声调制的脑电信号测量系统依次包括：差分放大装置、带通滤波装置、二次放大装置以及数字采集装置。

其中，所述利用水听器测量聚焦超声波特性具体为：

测量聚焦超声波谐振频率、聚焦超声波焦斑的位置、尺寸、以及聚焦超声波焦斑处声压。

具体实现时，所述测量脑电信号具体为：

根据导程场理论，在已知脑内神经元电活动和组织电阻率ρ情况下，脑电电极测量的脑电信号V满足如下数学关系：