一種快速近紅外腦機(jī)接口方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種快速近紅外腦機(jī)接口方法。本發(fā)明的方法主要特征為：利用多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取使用者在腦機(jī)接口任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)，將該信號(hào)預(yù)處理后，進(jìn)行特征空間變換提取特征向量，并進(jìn)行模式識(shí)別，判斷使用者執(zhí)行的腦機(jī)接口任務(wù)類別。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于其腦機(jī)接口任務(wù)的識(shí)別率和識(shí)別速度比以幅值為特征向量進(jìn)行識(shí)別的傳統(tǒng)近紅外腦機(jī)接口方法顯著提高。
【專利說(shuō)明】-種快速近紅外腦機(jī)接口方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及腦機(jī)接口及殘疾人輔助康復(fù)領(lǐng)域，尤其涉及到快速近紅外腦機(jī)接口方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 功能近紅外光譜術(shù)（fNIR巧是近年來(lái)發(fā)展出的一種完全無(wú)損的在體光學(xué)檢測(cè)技 術(shù)。生物組織對(duì)近紅外波段的光具有低吸收、高散射的特性，近紅外光可W穿透生物組織幾 個(gè)厘米的厚度對(duì)深層生物組織進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)大腦激活時(shí)氧代謝率增加，腦血流也會(huì)增加，會(huì) 引起氧合血紅蛋白化b〇2)和還原血紅蛋白化b)的濃度變化?；突诮t外波段的 吸收光譜具有特異性，因此，近紅外光譜術(shù)可W根據(jù)出射光強(qiáng)度或者相位的變化來(lái)間接檢 測(cè)大腦神經(jīng)活動(dòng)。近紅外光譜術(shù)相比較于其他的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，具有使用靈活、便攜和 便宜等優(yōu)點(diǎn)，所W近紅外光譜術(shù)近年來(lái)在腦功能成像和檢測(cè)領(lǐng)域上有廣泛的應(yīng)用，也為無(wú) 損腦機(jī)接口炬CI)的發(fā)展提供了一種新的技術(shù)手段。
[0003] 腦機(jī)接口是將思維過(guò)程中的神經(jīng)生理信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，控制外部機(jī)器而不依 靠外周神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉的一種系統(tǒng)。腦機(jī)接口不僅能幫助嚴(yán)重痛疾患者與外界進(jìn)行交流溝 通，也可W輔助腦卒中患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。非侵入式腦機(jī)接口因其相對(duì)容易獲得的 信號(hào)和廣泛的使用者人群，顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。目前許多技術(shù)應(yīng)用到了非侵入式的 腦機(jī)接口領(lǐng)域，例如腦電巧EG)、腦磁圖（MEG)，功能磁共振（fMRI)和功能近紅外光譜術(shù)。腦 磁圖和功能磁共振由于其設(shè)備昂貴復(fù)雜、體積巨大，目前僅限于科學(xué)研究上的使用，而不具 有實(shí)際應(yīng)用的前景。腦電直接探測(cè)神經(jīng)活動(dòng)的電信號(hào)，是腦機(jī)接口領(lǐng)域最常用的一種技術(shù)， 其優(yōu)點(diǎn)在于使用簡(jiǎn)單、安全、便宜。但是腦電的缺點(diǎn)是空間分辨率低，無(wú)法進(jìn)行激活腦區(qū)的 定位，限制了其在腦機(jī)接口識(shí)別精度上的進(jìn)一步提高。并且基于腦電的腦機(jī)接口存在腦機(jī) 接口文盲現(xiàn)象，即有些使用者無(wú)論如何也無(wú)法操作腦機(jī)接口系統(tǒng)。所W有必要發(fā)展一種技 術(shù)彌補(bǔ)腦電的不足來(lái)拓展腦機(jī)接口領(lǐng)域。
[0004] 近紅外光譜術(shù)具有類似腦電的簡(jiǎn)單、安全、便宜的優(yōu)點(diǎn)，且空間分辨率高，可W對(duì) 激活腦區(qū)進(jìn)行定位。并且作為一種無(wú)損光檢測(cè)技術(shù)，近紅外光譜術(shù)對(duì)使用者和環(huán)境的限制 都比邸6要小。但是近紅外光譜術(shù)是通過(guò)神經(jīng)血管禪合間接探測(cè)神經(jīng)活動(dòng)，而血液動(dòng)力學(xué) 響應(yīng)在時(shí)間上比直接的神經(jīng)活動(dòng)有延遲，故近紅外光譜術(shù)的時(shí)間分辨率不高。目前國(guó)外 已有報(bào)道的基于近紅外光譜術(shù)的腦機(jī)接口系統(tǒng)為了避免近紅外光學(xué)腦信號(hào)的交疊，在實(shí) 驗(yàn)設(shè)計(jì)上都米用長(zhǎng)時(shí)間的刺激間距。Coyle等（Coyle,S.M.，T.E.WardandC.M.Marldiam (2007). "Br過(guò)in-computerinterfaceusing過(guò)simplifiedfunction過(guò) 1ne過(guò)r-infr過(guò)red spectroscopysystem."JournalofNeuralEngineering4(3) :219-226.)爭(zhēng)良道 了--種 單通道近紅外腦機(jī)接口，使用者根據(jù)提示完成左手或右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)，任務(wù)的刺激間 距為 30s。Power等人巧ower，S.D.，T?比Fa化andT.Qiau(2010)."Classificationof prefrontalactivityduetomentalarithmeticandmusicimageryusinghidden Markovmodelsandfrequencydomainnear-infraredspectroscopy."Journalof NeuralEngineering7 (2).)報(bào)道了一種多通道的近紅外腦機(jī)接口，使用者根據(jù)提示完成 也算和音樂(lè)想象任務(wù)，任務(wù)的刺激間距為35-45S。Sitaram等（Sitaram,R. ,H.Slang,C. Guan,M.Thulasidas,Y.Hoshi,A.Ishikawa,K.ShimizuandN.Birbaumer(2007)."Temporal classificationofmultichannelnear-infraredspectroscopysignalsof motorimageryfordevelopingabrain-computerinterface."NeuroImaRe 34(4):1416-1427.)報(bào)道的多通道近紅外腦機(jī)接口，同樣是完成左手或右手運(yùn)動(dòng)想象 任務(wù)，任務(wù)刺激間距為 20s。Holper等（Holper,LandM.Wolf(2011). "Single-trial classificationofmotorimagerydifferingintaskcomplexity:afunctional near-infraredspectroscopystudy."TournalofNeuroengineeringand Rehabilitation8.)報(bào)道的近紅外腦機(jī)接口，使用者完成想象簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的任 務(wù)，任務(wù)刺激間距為 35s。Luu和Qian(Luu,S.andT.Qiau(2009)."Decodingsubjective preferencefromsingle-trialnear-infraredspectroscopysignals."Tournalof NeuralEngineering6 (1).)報(bào)道的近紅外腦機(jī)接口，使用者從給出的飲料中用思維選擇 自己喜歡的飲料，任務(wù)刺激間距為45s。
[0005] 已有報(bào)道中用于模式識(shí)別的近紅外光學(xué)腦信號(hào)要么是光密度信號(hào)要么是光密度 信號(hào)轉(zhuǎn)換的血紅蛋白濃度變化信號(hào)，該兩種信號(hào)均可W看作是反映血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的原始 生理學(xué)信號(hào)。由于不可避免的血液動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)延遲（例如，文獻(xiàn)報(bào)道的運(yùn)動(dòng)想象的含氧 血紅蛋白濃度變化的峰值出現(xiàn)在任務(wù)開(kāi)始后的8-10砂），且缺乏有效的對(duì)該種原始生理學(xué) 信號(hào)進(jìn)行處理的手段，已有的近紅外腦機(jī)接口只能在使用中延長(zhǎng)每次任務(wù)時(shí)間來(lái)避免信號(hào) 交疊，所W現(xiàn)有近紅外腦機(jī)接口的信息傳輸速率很低，影響了其在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步 發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種快速近紅外腦機(jī)接口方法，能顯著提高腦 機(jī)接口任務(wù)的識(shí)別速度，提高系統(tǒng)信息傳輸速率。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種快速近紅外腦機(jī)接口方法，包括步驟如 下：
[0008] 步驟一：多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集使用者在腦機(jī)接口校準(zhǔn)階段 任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)。在此校準(zhǔn)階段，被試根據(jù)提示完成左側(cè)或右 側(cè)身體部位的運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)。
[0009]為了提高系統(tǒng)信息傳輸速率，需要一種快速的腦機(jī)接口任務(wù)呈現(xiàn)；即使用者進(jìn)行 左側(cè)和右側(cè)身體部位想象的時(shí)間可不超過(guò)4砂，休息時(shí)間不超過(guò)4砂。每個(gè)任務(wù)的刺激間 距可不超過(guò)8砂，小于該任務(wù)血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)從響應(yīng)開(kāi)始到峰值然后又恢復(fù)到基線所需要 的時(shí)間。
[0010] 步驟二：對(duì)多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。近紅外光學(xué)腦信號(hào)預(yù)處理模塊 首先將采集到的多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)進(jìn)行降頻，低通濾波去除噪聲。然后根據(jù)修正的 Beer-Lambed定律，將其轉(zhuǎn)換為含氧血紅蛋白濃度變化（A出b〇2])和去氧血紅蛋白濃度變 化（A出b])。方法如下；當(dāng)用強(qiáng)度為I。的近紅外光入射生物組織，出射光強(qiáng)為I，則光密度 (OD)可表示為（W= --1(巧f ?-C''其中，e表示生物組織內(nèi)血紅蛋白的摩爾吸收系 '* 。 數(shù)，C表示血紅蛋白的濃度（包括含氧和去氧血紅蛋白），L表示光源和探測(cè)器間距，B表示 考慮到散射而引入的微分光程因子。G表示與外層組織光學(xué)特性和幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的損耗因 子，通常為常數(shù)。當(dāng)出射光強(qiáng)從Ii變化到12時(shí)，由上式可得出血紅蛋白濃度的相對(duì)變化與 光密度的變化有如下關(guān)系：
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種快速近紅外腦機(jī)接口方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一：多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集使用者在腦機(jī)接口校準(zhǔn)階段任務(wù) 執(zhí)行過(guò)程中的多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)；在此校準(zhǔn)階段，被試根據(jù)提示完成左側(cè)或右側(cè)身 體部位的運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)； 步驟二：對(duì)多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；近紅外光學(xué)腦信號(hào)預(yù)處理模塊首 先將采集到的多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)進(jìn)行降頻，低通濾波去除噪聲；然后根據(jù)修正的 Beer-Lambert定律，將其轉(zhuǎn)換為含氧血紅蛋白濃度變化值Λ [HbO2]和去氧血紅蛋白濃度變 化值Δ [Hb]; 步驟三：將步驟二所得多通道的Λ [HbO2]或Λ [Hb]數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取 和分類器訓(xùn)練；用t秒長(zhǎng)度的時(shí)間窗對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)分段，這里t的取值可以根據(jù)需要從1秒取 到單個(gè)任務(wù)持續(xù)的總時(shí)間長(zhǎng)度；具體如下： (1) 在左側(cè)和右側(cè)身體部位想象條件下的單個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)片段分別用矩陣XiQ = 1，2)來(lái)表示，Xi的行數(shù)為采樣通道數(shù)，列數(shù)為采樣點(diǎn)數(shù)；計(jì)算XiS間協(xié)方差矩陣：
其中V表示Xi的轉(zhuǎn)置矩陣，trance (XiX/)表示XiXi'的 % 跡，即對(duì)角線元素的和； (2) 計(jì)算上述兩類條件下所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)片段的平均空間協(xié)方差矩陣f和^，以及混 合空間協(xié)方差矩陣Cc + ^ . ⑶Cc分解為Cc = Uc λ CUC'，其中Uc是Cc的特征向量矩陣，λ c是由特征值組成的對(duì)角 矩陣； (4) 進(jìn)行白化處理：尸=·即處理后，PCcP'所有的特征值都為1 ;如果將G和 €進(jìn)行如下變換：S1 = ，A = PC2P ;則S1和S2有相同的特征向量；如果將S1和S2 進(jìn)行分解：31 = 8入山'，52 = 8入28'，則有入1+入2 = 1，其中入1和入2分別是51和52的特 征值組成的對(duì)角矩陣，B是S1和S2的特征向量矩陣； (5) 計(jì)算空間濾波矩陣W= (B'P)' ； (6) 對(duì)Xi進(jìn)行變換，將其從時(shí)域空間變換到特征空間=Zi = WXi ; (7) 分類器選用支持向量機(jī)；用Zi (i = 1，2)的第一行分別作為左側(cè)和右側(cè)身體部位想 象數(shù)據(jù)片段的特征向量來(lái)訓(xùn)練支持向量機(jī)； 步驟四：多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集使用者在腦機(jī)接口任務(wù)識(shí)別階段 的多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)；在此識(shí)別階段，被試根據(jù)提示完成左側(cè)或右側(cè)身體部位的運(yùn) 動(dòng)想象任務(wù)； 步驟五：按照步驟二對(duì)步驟四采集的多通道近紅外光學(xué)腦信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到待識(shí) 別數(shù)據(jù)； 步驟六：對(duì)待識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和模式識(shí)別；識(shí)別階段的待識(shí)別數(shù)據(jù)用Y表示，也 將其用與步驟三同樣的t秒長(zhǎng)度時(shí)間窗分段，用步驟三（5)所得到的空間濾波矩陣WJfY 從時(shí)域空間變換到特征空間：T = WY ;取T的第一行作為待識(shí)別數(shù)據(jù)片段的特征向量，用步 驟三（7)訓(xùn)練好的支持向量機(jī)進(jìn)行模式識(shí)別，區(qū)分出使用者進(jìn)行的腦機(jī)接口任務(wù)的類別。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速近紅外腦機(jī)接口方法，其特征在于：所述將其轉(zhuǎn)換 為含氧血紅蛋白濃度變化值Λ [HbO2]和去氧血紅蛋白濃度變化值Λ [Hb]的方法如 下：當(dāng)用強(qiáng)度為Itl的近紅外光入射生物組織，出射光強(qiáng)為I，則光密度（OD)可表示為
其中，ε表示生物組織內(nèi)血紅蛋白的摩爾吸收系數(shù)，C表示血紅 蛋白的濃度（包括含氧和去氧血紅蛋白），L表示光源和探測(cè)器間距，B表示考慮到散射而引 入的微分光程因子；G表示與外層組織光學(xué)特性和幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的損耗因子，通常為常數(shù)； 當(dāng)出射光強(qiáng)從I1變化到I 2時(shí)，由上式可得出血紅蛋白濃度的相對(duì)變化與光密度的變化有如 下關(guān)系：
其中，分別為含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白對(duì)波長(zhǎng)為λ的光的摩爾吸收系 數(shù)，Βλ為波長(zhǎng)為λ的光的微分光程因子； 所以當(dāng)采用波長(zhǎng)為λ 1和λ2雙波長(zhǎng)的近紅外光入射時(shí)，通過(guò)求解上述方程組可以求 出含氧血紅蛋白濃度變化和去氧血紅蛋白濃度變化分別為：
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的快速近紅外腦機(jī)接口方法，其特征在于，所述腦機(jī)接口任 務(wù)為使用者進(jìn)行短時(shí)間左側(cè)或右側(cè)身體部位運(yùn)動(dòng)想象，想象時(shí)間不超過(guò)4秒，休息時(shí)間不 超過(guò)4秒。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速近紅外腦機(jī)接口方法，其特征在于，所述特征提取及模 式識(shí)別的數(shù)據(jù)片段長(zhǎng)度為秒級(jí)。
【文檔編號(hào)】G06F3/01GK104375635SQ201410400091
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】駱清銘, 龔輝, 李穎, 李鵬程 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)