[发明专利]一种结合空间与频率的体感刺激脑机接口范式及实现方法

说明书

本发明公开一种结合空间与频率的体感刺激脑机接口范式及实现方法，本发明设计的脑机接口范式采用结合了频率和空间信息的实验范式，刺激方式为左右手交替进行。实验范式仅使用两个刺激器，以频率区分目标刺激和干扰刺激，以空间区分不同的目标刺激，且一个实验序列仅刺激一个目标部位，目标刺激和干扰刺激比例为1:5，实验任务更为简单，不需要对信号叠加平均，仅使用一个刺激的信号即可达到较高的分类精度，更适用于闭锁综合征等患者和老年人。采用基于二次CSP的BCI算法模型对脑电信号数据进行处理，分类结果的精度更高，进行应用时相应的控制信号更加可靠。

技术领域

本发明涉及脑机接口(BCI)范式，具体的，涉及一种结合空间与频率的体感刺激脑机接口范式及实现方法。

背景技术

许多疾病如中风、脑瘫、闭锁综合征等都会破环大脑与外部环境沟通和控制的神经通路，严重的患者甚至完全丧失了和外界交流的能力。这些患者无法正常的通过大脑输出途径与外界进行交流，这些问题严重影响了老年人的生存能力和生活品质。而脑机接口技术不依赖人体的外围神经肌肉通路，直接通过大脑与外界环境进行信息交流。因此，对于具有健康大脑思维但神经通路受损的患者来说，BCI技术为他们带来了恢复独立生活的希望。

根据EEG信号产生原理的不同，可以将BCI系统划分为自发式和诱发式。运动想象是最经典的自发式BCI系统，它通过检测用户运动意图的大脑信号，将其转化为输出控制指令，实现用户的控制目的。然而，MI-BCI往往需要不同程度的训练才能熟练使用，且想象任务容易引发脑疲劳。还有研究表明，很多人无法成功使用基于MI的BCI系统，这被称为“BCI文盲”现象。而基于P300的BCI具有操作简单，不需要初始训练的优势，所以，基于P300的BCI可能更适用于中风等患者和老年人。在P300 BCI系统中，视觉、听觉和触觉皆可诱发P300信号。但是基于视觉刺激的BCI系统存在一个很大的问题，尤其是对于老年人来说，长时间的闪烁刺激容易引起视觉疲劳，降低使用者的舒适度和准确率。基于听觉的BCI系统受环境干扰较大，准确率较低，因此国内外研究相对较少。基于触觉刺激的BCI的优点是不会增加视觉或听觉系统的负担，并且不易引起他人注意。

传统空间范式的体感刺激P300 BCI系统，其二分类的表现往往不如多分类，这是因为在二分类模式中，目标刺激和干扰刺激的比例相同，无法突出目标刺激的“小概率”性。Guger等人提出的二分类空间范式使用了三个刺激器，12名闭锁综合征患者经过两次训练可达到63.1％的平均分类精度。3名健康用户的平均精度达到了86.7％，但是需要12次叠加平均，输出一个指令需要38s。Zulay等人同样使用了三个刺激器，采用空间范式在6名闭锁综合征患者身上进行了二分类实验，经过4-7次叠加平均达到了55.3％的分类精度。在以上两种二分类的空间范式中均使用了三个刺激器，且需要一定的叠加平均次数才能达到较为满意的分类精度。

经过临床证明，将体感刺激与运动命令相结合具有改善中风后手功能的潜力。同时，BCI控制的准确性与康复结果呈正相关。但目前存在的范式多为复杂的多分类，实施较为困难，且往往需要经过一定的训练才能达到较好的分类精度。因此，开发一种范式简单，精度较高的体感刺激范式具有十分重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种结合空间与频率的体感刺激脑机接口范式及实现方法，该范式为P300空间范式，与传统空间范式不同的是，在一次实验中只刺激一个目标部位。这种模式对于老年人来说更加简单，不需要训练，且更容易将注意力集中于目标刺激。对17名健康受试者进行了测试，平均分类正确率达到了94.97％(分类精度如图7所示)。这表明了本范式用于BCI系统的可行性，且更适用于视觉或听觉受损的患者。