一種基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，包括依次連接的正極的經(jīng)顱電刺激殘疾人受試者的殘肢對(duì)應(yīng)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)、殘疾人動(dòng)作模式訓(xùn)練和肌電信號(hào)處理三個(gè)部分，所述殘肢對(duì)應(yīng)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)接受正極刺激，提高其興奮性，所述殘疾人動(dòng)作模式訓(xùn)練在經(jīng)顱電刺激完成后，讓殘疾人的殘肢進(jìn)行多類(lèi)動(dòng)作模式的訓(xùn)練，同時(shí)采集肌電信號(hào)，所述肌電信號(hào)處理用于衡量通過(guò)經(jīng)顱電刺激后截肢患者的殘肢進(jìn)行多類(lèi)動(dòng)作模式的肌電接口識(shí)別率水平。本發(fā)明通過(guò)對(duì)殘疾人殘肢對(duì)應(yīng)的腦運(yùn)動(dòng)區(qū)進(jìn)行經(jīng)顱電刺激，可以在短時(shí)間內(nèi)，顯著的提高殘肢的動(dòng)作模式的分類(lèi)識(shí)別率，使其達(dá)到與健肢的識(shí)別率無(wú)顯著差異的水平。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物信息【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種人機(jī)接口系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]人機(jī)接口是以人與外界設(shè)備的交互方式，常見(jiàn)人機(jī)接口有如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)和語(yǔ)音識(shí)別等，對(duì)于殘疾等人士這些接口方式對(duì)于他們已經(jīng)部分甚至全部失效。而在20世紀(jì)90年代以肌電(Electromyography, EMG)這種生物信號(hào)作為直接的人機(jī)接口的傳輸載體,開(kāi)拓了全新的人機(jī)接口方式，這種人機(jī)接口方式不僅可以解放殘疾人士，對(duì)于一般正常人也是一種新穎的人機(jī)接口。這種以生機(jī)電一體化的人機(jī)交互方式是制造科學(xué)、神經(jīng)工程學(xué)、信息科學(xué)交叉領(lǐng)域的前沿科技技術(shù)。
[0003]對(duì)于肌電信號(hào)，其測(cè)量、處理和解碼方法是研制相應(yīng)人機(jī)接口的基礎(chǔ)，以肌電信號(hào)為載體的人機(jī)接口控制流程一般為信號(hào)獲取，預(yù)處理、特征提取、分類(lèi)解碼、運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于如截肢的殘疾人相關(guān)腦區(qū)由于長(zhǎng)期沒(méi)有使用，其活性已有一定程度的降低，進(jìn)而使得其肌電信號(hào)區(qū)分性大大降低，使得基于肌電信號(hào)的人機(jī)接口方式帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。
[0004]當(dāng)前肌電信號(hào)控制假肢體是肢體生理信號(hào)人機(jī)接口研究開(kāi)發(fā)的典范，但對(duì)于殘疾人的肌電控制假肢在肌電模式識(shí)別率只有53.9% ±14.2% (腕部運(yùn)動(dòng))，這與使用其作為假肢的控制接口還相距甚遠(yuǎn)。而從肌電信號(hào)為特征作為人機(jī)接口方式的處理流程來(lái)看，已有大量的從關(guān)于特征提取、分類(lèi)解碼、運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)的角度進(jìn)行的研究，但對(duì)于增強(qiáng)信號(hào)源的研究還較少。已有部分研究表明通過(guò)重復(fù)的訓(xùn)練可以提高殘肢對(duì)應(yīng)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)的皮層活性，同時(shí)提高肌電信號(hào)的可區(qū)分性。日本東京大學(xué)Ryu Kato等人對(duì)于重復(fù)性訓(xùn)練進(jìn)行的評(píng)測(cè)表明，其能夠使得原有3種類(lèi)別的識(shí)別數(shù)提高到6個(gè)類(lèi)。美國(guó)約翰霍普京斯大學(xué)的M.Powell對(duì)重復(fù)性訓(xùn)練的研究也表明對(duì)于9類(lèi)動(dòng)作的分類(lèi)識(shí)別率可以從77.5%提升至94.4%。重復(fù)性訓(xùn)練對(duì)于分類(lèi)的識(shí)別率有顯著的提升，但是重復(fù)性訓(xùn)練這種提高增強(qiáng)肌電信號(hào)的方式會(huì)大大增加人機(jī)接口的學(xué)習(xí)時(shí)間，給患者造成很多不必要的負(fù)擔(dān)，從而需要探究新的方式以提高增強(qiáng)肌電信號(hào)。
[0005]本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于一種可以在較短時(shí)間內(nèi)提高殘疾人的殘肢的肌電信號(hào)的分類(lèi)識(shí)別率的增強(qiáng)型人機(jī)接口系統(tǒng)來(lái)解決上述問(wèn)題。
[0006]經(jīng)盧頁(yè)電刺激(TranscranialDirect Current Stimulat1n, tDCS)由于其具有低成本、多功能和便攜等特性，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用在中風(fēng)，帕金森癥，抑郁癥和癲癇等患者身上進(jìn)行神經(jīng)調(diào)理。然而對(duì)于殘疾人的肌電人機(jī)接口領(lǐng)域到目前為止沒(méi)有應(yīng)用。德國(guó)的哥廷根大學(xué)的Nitsche和Paulus研究發(fā)現(xiàn)，tDCS刺激可以改變皮質(zhì)興奮性，正極刺激可以使興奮提高，負(fù)極刺激可以使興奮降低。同時(shí)，他們的研究表明tDCS刺激的后效應(yīng)可以持續(xù)60-90分鐘。因此，引入經(jīng)顱電刺激，在原有的人機(jī)接口基礎(chǔ)上，在較短時(shí)間內(nèi)提高殘疾人的殘肢的肌電信號(hào)的分類(lèi)識(shí)別率，形成一種基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，成為本領(lǐng)域研究的方向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，通過(guò)對(duì)殘疾人殘肢對(duì)應(yīng)的腦運(yùn)動(dòng)區(qū)進(jìn)行經(jīng)顱電刺激，可以在短時(shí)間內(nèi)，顯著的提高殘肢的動(dòng)作模式的分類(lèi)識(shí)別率，使其達(dá)到與健肢的識(shí)別率無(wú)顯著差異的水平。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0009]一種基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，包括依次連接的正極的經(jīng)顱電刺激殘疾人受試者的殘肢對(duì)應(yīng)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)、殘疾人動(dòng)作模式訓(xùn)練和肌電信號(hào)處理三個(gè)部分，所述殘肢對(duì)應(yīng)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)接受正極刺激，提高其興奮性，所述殘疾人動(dòng)作模式訓(xùn)練在經(jīng)顱電刺激完成后，讓殘疾人的殘肢進(jìn)行多類(lèi)動(dòng)作模式的訓(xùn)練，同時(shí)采集肌電信號(hào)，所述肌電信號(hào)處理用于衡量通過(guò)經(jīng)顱電刺激后截肢患者的殘肢進(jìn)行多類(lèi)動(dòng)作模式的肌電接口識(shí)別率水平。
[0010]所述多類(lèi)動(dòng)作模式包括10類(lèi)，分別為握拳，展拳，拇指捏，3指捏，內(nèi)翻，外翻，上切，下切，外旋和內(nèi)旋。
[0011]所述肌電信號(hào)處理包括2個(gè)步驟:特征提取和分類(lèi)器分類(lèi)。
[0012]所述特征提取對(duì)于原始信號(hào)用滑動(dòng)窗進(jìn)行截取。
[0013]所述滑動(dòng)窗的窗長(zhǎng)設(shè)為200ms,滑動(dòng)間隔設(shè)為50ms。
[0014]所述特征提取采用四個(gè)時(shí)域特征:絕對(duì)平均值，過(guò)零點(diǎn)數(shù)，波形長(zhǎng)度和斜率符號(hào)變化數(shù)，絕對(duì)值平均:胸F =去Z卜J ；過(guò)零點(diǎn)數(shù):ZC = [ sgn( ,):
八 I=Ii=2

I N
[0015]波形長(zhǎng)度:WL= ■—ΣΝ —A il.i￥ — I
[0016]斜率符號(hào)變化數(shù):

il if X > O—
SSC = ^SgnHx1.-)(χ.4 -χ,,..2)] , Sgn(X) = 1.，Xi, Xi+X^2 分別表示其中



L O olh^r'wis^
某一通道肌電信號(hào)在i，i_l，1-2采樣點(diǎn)時(shí)刻的值，N表示滑動(dòng)窗長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)。
[0017]將肌電電極貼在殘肢的四個(gè)通道上:尺側(cè)腕屈肌，橈側(cè)腕屈肌，尺側(cè)腕伸肌，橈側(cè)腕伸肌，每個(gè)通道肌電信號(hào)提取所述四個(gè)時(shí)域特征，四個(gè)通道肌電信號(hào)提取的特征組成一個(gè)16維的特征向量。
[0018]所述分類(lèi)器分類(lèi)采用線(xiàn)性判別(LDA)分類(lèi)器。
[0019]用前5組的數(shù)據(jù)提取的特征向量來(lái)訓(xùn)練LDA分類(lèi)器，然后用后5組的數(shù)據(jù)提取的特征向量來(lái)測(cè)試訓(xùn)練的LDA分類(lèi)器的分類(lèi)效果，計(jì)算各個(gè)動(dòng)作模式的識(shí)別率，看是否能達(dá)到實(shí)用的肌電人機(jī)接口的水平。
[0020]本發(fā)明中，表面肌電信號(hào)不僅記錄了在肌肉自主收縮時(shí)由肌肉纖維產(chǎn)生的電生理活動(dòng)，還包含了神經(jīng)控制信息。因此它作為生物/機(jī)械人機(jī)接口的一種重要輸入信號(hào)在電動(dòng)假肢手控制中得到了廣泛地應(yīng)用，該方法也被稱(chēng)作肌電控制。肌電人機(jī)接口的主要功能是識(shí)別肌電信號(hào)的動(dòng)作模式，從而為肌電控制提供準(zhǔn)確的動(dòng)作指令。為能控制多自由度靈巧假肢手，人機(jī)接口系統(tǒng)需要從肌電信號(hào)中解碼出多種手部和腕部動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的肌電模式，并保證其具有足夠的分類(lèi)精度。
[0021]由于目前對(duì)于正常受試者在進(jìn)行10類(lèi)動(dòng)作模式分類(lèi)的識(shí)別率可以達(dá)到95%以上，但是對(duì)于殘疾人的模式識(shí)別識(shí)別率一直處于比較低的水平(低于80%)。為了解決殘疾人的肌電人機(jī)接口的分類(lèi)識(shí)別率較低的問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)引入經(jīng)顱電刺激這種神經(jīng)調(diào)理的方式，從殘疾人的腦運(yùn)動(dòng)皮層提高了其皮質(zhì)興奮性，進(jìn)而提高了其殘肢進(jìn)行各種動(dòng)作模式產(chǎn)生肌電信號(hào)的質(zhì)量，可以在短時(shí)間內(nèi)大幅提高殘疾人的肌電人機(jī)接口的動(dòng)作模式識(shí)別率。使得殘疾人的肌電人機(jī)接口的性能，從信號(hào)源頭上得到了本質(zhì)的提高，使其達(dá)到與健肢的識(shí)別率無(wú)顯著差異的水平。讓殘疾人可以擺脫長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行訓(xùn)練才能使用肌電人機(jī)接口的困擾，可以很大程度地提高殘疾人對(duì)于肌電人機(jī)接口進(jìn)行控制多模式假肢的接受率。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0023]圖1為本發(fā)明的工作原理圖；
[0024]圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)組成示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明所提供的基于經(jīng)顱電刺激的肌電人機(jī)接口系統(tǒng)，包括經(jīng)顱電刺激器、肌電采集儀、信號(hào)處理PC。經(jīng)顱電刺激器采用的是德國(guó)neu1Conn公司生產(chǎn)的經(jīng)顱電刺激器DC-SHMULATOR，肌電采集儀采用的是美國(guó)Delsys公司生產(chǎn)的Trigno WirelessSystem。肌電信號(hào)的采樣頻率設(shè)為2000Hz，20_500Ηζ帶通濾波去除干擾。
[0027]經(jīng)顱電刺激的正極放置在殘肢對(duì)應(yīng)的腦運(yùn)動(dòng)區(qū)，負(fù)極放置在對(duì)側(cè)的眶前區(qū)。
[0028]肌電電極貼在殘肢的四塊肌肉上:尺側(cè)腕屈肌，橈側(cè)腕屈肌，尺側(cè)腕伸肌，橈側(cè)腕伸肌。
[0029]如圖2所示，實(shí)驗(yàn)按照如下順序分為3個(gè)部分:
[0030]tDCS刺激:對(duì)殘疾人的殘肢對(duì)應(yīng)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)進(jìn)行20分鐘的ImA的tDCS正極刺激，提高殘肢對(duì)應(yīng)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)的興奮性。
[0031]動(dòng)作訓(xùn)練:在進(jìn)行完tDCS刺激后，讓殘疾人的殘肢進(jìn)行10類(lèi)動(dòng)作模式各持續(xù)10s，共完成10組，同時(shí)采集殘肢的肌電信號(hào)。
[0032]10類(lèi)動(dòng)作模式包括:握拳，展拳，拇指捏，3指捏，內(nèi)翻，外翻，上切，下切，外旋，內(nèi)旋。
[0033]肌電信號(hào)處理:與傳統(tǒng)的肌電人機(jī)接口一樣，分為兩個(gè)步驟:1、特征提取，2、分類(lèi)器分類(lèi)。在肌電人機(jī)接口的研究中，國(guó)際上很多機(jī)構(gòu)在特征提取和分類(lèi)器的算法上進(jìn)行了研究，對(duì)于模式識(shí)別的解碼正確率有一定的提高。但是對(duì)于截肢患者，由于其肌電信號(hào)本身的可分性比較差，目前的模式識(shí)別算法還不能足以把解碼正確率提高到可以實(shí)用的水平。為了便于與其他的研究效果進(jìn)行比較，本發(fā)明采用的是最簡(jiǎn)單、實(shí)用的時(shí)域特征和線(xiàn)性判別(LDA)分類(lèi)器。通過(guò)這兩種最簡(jiǎn)單和應(yīng)用最廣泛的特征和分類(lèi)器，來(lái)衡量通過(guò)經(jīng)顱電刺激這種神經(jīng)調(diào)理的方式以后截肢患者的殘肢進(jìn)行多類(lèi)動(dòng)作模式的肌電接口識(shí)別率是否能達(dá)到實(shí)用的水平。本發(fā)明的特征提取采用4個(gè)時(shí)域特征，對(duì)于原始信號(hào)用滑動(dòng)窗進(jìn)行截取，窗長(zhǎng)設(shè)為200ms,滑動(dòng)間隔設(shè)為50ms。


1..v
[0034]絕對(duì)值平均:MAV= —Y|λ.;I;


N i=i

N
[0035]過(guò)零點(diǎn)數(shù)-.ZC=工SgnC^TiXi ,)；


1=2

J -*V
[0036]波形長(zhǎng)度:WL= ——xMI 5


X
[0037]斜率符號(hào)變化數(shù):SSC= ^sgu[-(jr,.-1,)(? -?)]，



1=3

ii if jc > ο
[0038]sgn(x) = < 'O

[O otherwise
[0039]Xi, X^1, X^2分別表不其中某一通道肌電信號(hào)在i，1-1，i~2米樣點(diǎn)時(shí)刻的值，N表示滑動(dòng)窗長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)，在本實(shí)施例中，N = 400。
[0040]每個(gè)通道肌電信號(hào)提取4個(gè)特征，4個(gè)通道肌電信號(hào)提取的特征就可以組成一個(gè)16維的特征向量。
[0041]分類(lèi)器采用了模式識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的線(xiàn)性判別(LDA)分類(lèi)器。
[0042]用前5組的數(shù)據(jù)提取的特征向量來(lái)訓(xùn)練LDA分類(lèi)器，然后用后5組的數(shù)據(jù)提取的特征向量來(lái)測(cè)試訓(xùn)練的LDA分類(lèi)器的分類(lèi)效果，計(jì)算各個(gè)動(dòng)作模式的識(shí)別率，看是否能達(dá)到實(shí)用的肌電人機(jī)接口的水平。
[0043]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，其特征在于，包括依次連接的正極的經(jīng)顱電刺激殘疾人受試者的殘肢對(duì)應(yīng)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)、殘疾人動(dòng)作模式訓(xùn)練和肌電信號(hào)處理三個(gè)部分，所述殘肢對(duì)應(yīng)腦運(yùn)動(dòng)區(qū)接受正極刺激，提高其興奮性，所述殘疾人動(dòng)作模式訓(xùn)練在經(jīng)顱電刺激完成后，讓殘疾人的殘肢進(jìn)行多類(lèi)動(dòng)作模式的訓(xùn)練，同時(shí)采集肌電信號(hào)，所述肌電信號(hào)處理用于衡量通過(guò)經(jīng)顱電刺激后截肢患者的殘肢進(jìn)行多類(lèi)動(dòng)作模式的肌電接口識(shí)別率水平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，其特征在于，所述多類(lèi)動(dòng)作模式包括10類(lèi)，分別為握拳，展拳，拇指捏，3指捏，內(nèi)翻，外翻，上切，下切，外旋和內(nèi)旋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，其特征在于，所述肌電信號(hào)處理包括2個(gè)步驟:特征提取和分類(lèi)器分類(lèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，其特征在于，所述特征提取對(duì)于原始信號(hào)采用滑動(dòng)窗進(jìn)行截取。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，其特征在于，所述滑動(dòng)窗的窗長(zhǎng)設(shè)為200ms,滑動(dòng)間隔設(shè)為50ms。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，其特征在于，所述特征提取采用四個(gè)時(shí)域特征:絕對(duì)平均值，過(guò)零點(diǎn)數(shù)，波形長(zhǎng)度和斜率符號(hào)變化數(shù)，絕對(duì)值平均:MAF =七[|!',| ；過(guò)零點(diǎn)數(shù):ZC = J^sgn1-XiXi ,):
^ 1-Ιi=2
I N 波形長(zhǎng)度:狐=τττΣΚ ；

/V — I
^fl if x>0 斜率符號(hào)變化數(shù):SSC = XsgnHxf )(xiA -Xf...,)]，Sgn(JT) = I '.,其



[O otherwise中，xi； Xi_1; Xi_2分別表示其中某一通道肌電信號(hào)在i，i_l，1-2采樣點(diǎn)時(shí)刻的值，N表示滑動(dòng)窗長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，其特征在于，將肌電電極貼在殘肢的四個(gè)通道上:尺側(cè)腕屈肌，橈側(cè)腕屈肌，尺側(cè)腕伸肌，橈側(cè)腕伸肌，每個(gè)通道肌電信號(hào)提取所述四個(gè)時(shí)域特征，四個(gè)通道肌電信號(hào)提取的特征組成一個(gè)16維的特征向量。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，其特征在于，所述分類(lèi)器分類(lèi)采用線(xiàn)性判別分類(lèi)器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于經(jīng)顱電刺激的增強(qiáng)型肌電人機(jī)接口，其特征在于，用前5組的數(shù)據(jù)提取的特征向量來(lái)訓(xùn)練線(xiàn)性判別分類(lèi)器，然后用后5組的數(shù)據(jù)提取的特征向量來(lái)測(cè)試訓(xùn)練的線(xiàn)性判別分類(lèi)器的分類(lèi)效果，計(jì)算各個(gè)動(dòng)作模式的識(shí)別率，看是否能達(dá)到實(shí)用的肌電人機(jī)接口的水平。
【文檔編號(hào)】G06F3/01GK104238754SQ201410482712
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】朱向陽(yáng), 潘立志, 張定國(guó), 盛鑫軍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)