一种基于摩擦触觉刺激诱发P300的脑机接口系统及其方法

一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统及其方法
技术领域
1.本发明涉及脑机接口技术领域，具体为一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统及其方法。


背景技术：

2.脑机接口指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。其信号来自中枢神经系统，传播中不依赖于外周的神经与肌肉系统。用于辅助、增强、修复人体的感觉-运动功能或提升人机交互能力。bci系统在早期阶段多被用于康复或辅助领域，旨在为患有神经或运动系统疾病的患者提供一种与外界进行交互的途径。随着对该技术不断探究，其在如神经医学和人工智能等诸多领域的应用潜力逐渐浮现。bci系统多采用头皮脑电信号作为系统输入，通过对脑电信号进行解码，实现对系统的控制。
3.p300波是一种事件相关电位，在300ms出现并被脑电图所记录的一个正峰值。脑机接口研究领域的一个主要方法是基于p300的oddball范式，受试者在一系列快速呈现的标准刺激中识别不常见的目标刺激。基于p300设计的bci系统按照刺激的类型可分为听觉、视觉、视听结合和感觉通道的bci系统。在实际应用中，基于p300的bci系统需要的训练少，且系统可靠稳定灵活性高，可适应多种控制任务.
4.0ddball范式是常用的相关电位实验范式之一。经典oddball范式为在一项实验中，随机呈现作用于同一感觉通道的两种刺激，刺激出现的概率有很大差别。概率大者我们称之为标准刺激，相当于是整个实验中的背景；概率小和偶然出现的刺激则为偏差刺激。
5.但是在现有的技术中，申请人发现上述存在以下问题：
6.1、传统的p300-bci多基于视觉和听觉刺激，这种刺激方式会影响使用者对周围环境的感知；
7.2、视觉或听觉受损的被试无法使用；
8.3、没有对摩擦触觉感知充分利用，限制了使用场景以及指令集数目。


技术实现要素：

9.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统及其方法，解决了脑机接口影响使用者对周围环境的感知的问题。
10.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统，包括摩擦触觉刺激模块，脑电信号采集模块、信号预处理模块和识别模块，所述摩擦触觉刺激模块包括步进电机和刺激序列带，在运行过程中步进电机匀速转动带动序列带移动，在移动过程中借由序列带对人产生摩擦触觉刺激，所述序列带上按照一定的顺序贴有若干个粗糙度不同的表面，在运行时，序列带在使用者手下进行转动，脑电信号采集模块用于采集整个实验过程中的头皮脑电信号并将信号传递给信号预处理模块，信号预处理模块用于脑电信号的预处理，识别模块用于脑电信号的特征提取、分类识别和解码使用者对不同粗糙度表面的注意选择。
11.优选的，所述脑诱发电位检测电路是通过体表电极作为传感器采集头皮脑电信号，并且头皮脑电信号的采集使用单极导联方式。
12.优选的，所述信号预处理模块其预处理操作包括数据分段、滤波和基线校准，完成预处理的信号将被传递给识别模块。
13.本发明还公开了一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口方法，具体包括以下步骤：
14.s1、按照一定的顺序在序列带上贴附粗糙平面，在此处应保证每种粗糙平面的数量相同且序列呈现伪随机；
15.s2、借由设计完成的序列带对人手施加刺激，使用者在注意到目标粗糙平面的刺激后，其脑电波形中可出现由此刺激所诱发的p300信号；
16.s3、在脑电采集设备中采集到脑电p300信号，并对信号进行预处理操作；
17.s4、对预处理后的脑电信号进行特征提取，得到特征向量并据此对信号进行分类对比不同粗糙平面刺激序列的时序，解码出使用者所注意的目标粗糙平面。
18.有益效果
19.本发明提供了一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统及其方法。与现有技术相比具备以下有益效果：
20.(1)、该基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统及其方法，通过摩擦触觉刺激模块包括步进电机和刺激序列带，在运行过程中步进电机匀速转动带动序列带移动，在移动过程中借由序列带对人产生摩擦触觉刺激，序列带上按照一定的顺序贴有若干个粗糙度不同的表面，在运行时，序列带在使用者手下进行转动，脑电信号采集模块用于采集整个实验过程中的头皮脑电信号并将信号传递给信号预处理模块，采用了摩擦摩擦触觉的刺激模式对p300信号进行诱发，这种方式不依赖于视觉刺激和听觉刺激在使用的过程中对使用者的干扰较小，使用负担更低。
21.(2)、该基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统及其方法，通过由于不依赖于听觉和视觉，其适用人群大大增加，且相较于听觉和视觉更不易受到外界环境的干扰。
附图说明
22.图1为本发明脑机接口系统结构图；
23.图2为本发明序列带示意图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统及其方法，首先参考图1，框图依照本发明的一个实施例示出了一个基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统。摩擦触觉刺激模块，脑电采集模块、信号处理模块和识别模块。在一个实施例中系统由多个模块组成。其中摩擦触觉刺激模块可产生摩擦触觉刺激，序
列带上不同的粗糙平面与手部直接接触，通过摩擦的方式进行刺激。序列带的运转速度、刺激序列、刺激材料均可自定义设置。
26.实验流程如下，使用者静坐于椅子上，左手置于序列带上，进入静息状态，当实验正式开始时，给予语音提示“实验正式开始”，随后进入10s的静息状态，静息结束后可听到“哔”声，发出“哔”声后，序列带开始运转，使用者选定目标刺激平面，每次感受到该刺激平面与手部接触时心中计数1。单试次持续3s，一个试次结束后进入静息状态，静息2s，当静息结束后使用者可听到“哔”声，再次进入新的试次。
27.一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统的实现方式如下：
28.(1)序列带长为20cm，宽为8cm，粗糙平面为1cm宽的窄带，其长与序列带宽度相同。在本实施例中共包含5种粗糙度不同的粗糙平面，其具体排布方式见图2，序列带转速为10cm/s，在系统运行时需要使用者将手置于序列带上。
29.(2)脑诱发电位检测电路采集到脑电信号；
30.(3)通过对脑电信号中p300信号和刺激序列的对比判断使用者的目标刺激。
31.摩擦触觉刺激模块，包括一个伺服电机和序列带，图2为序列带示意图。具体来讲人的手搭在扶手上时手掌前半段自然落于序列带上感受刺激，在整个运行过程中，手部始终接触序列带。
32.本发明实例中序列带长度可以是任意长度，任意宽度，任意速度，本实施例中优选长度为20cm，宽度为8cm，运转速度为10cm/s。
33.本发明实例中刺激的位置可以是指尖、手指、手掌的任意部分，本实施例中优选手掌前半部分。
34.本发明实例中单试次持续时间为至少1s，本实施例中优选3s
35.本发明实例中粗糙平面的种类为至少2种，在本实施例中优选5种，同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
36.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
37.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统，包括摩擦触觉刺激模块，脑电信号采集模块、信号预处理模块和识别模块，其特征在于：所述摩擦触觉刺激模块包括步进电机和刺激序列带，在运行过程中步进电机匀速转动带动序列带移动，在移动过程中借由序列带对人产生摩擦触觉刺激，所述序列带上按照一定的顺序贴有若干个粗糙度不同的表面，在运行时，序列带在使用者手下进行转动，脑电信号采集模块用于采集整个实验过程中的头皮脑电信号并将信号传递给信号预处理模块，信号预处理模块用于脑电信号的预处理，识别模块用于脑电信号的特征提取、分类识别和解码使用者对不同粗糙度表面的注意选择。2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统，其特征在于：所述脑诱发电位检测电路是通过体表电极作为传感器采集头皮脑电信号，并且头皮脑电信号的采集使用单极导联方式。3.根据权利要求1所述的一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统，其特征在于：所述信号预处理模块其预处理操作包括数据分段、滤波和基线校准，完成预处理的信号将被传递给识别模块。4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种基于摩擦触觉刺激诱发p300的脑机接口系统，其特征在于：其脑机接口方法具体包括以下步骤：s1、按照一定的顺序在序列带上贴附粗糙平面，在此处应保证每种粗糙平面的数量相同且序列呈现伪随机；s2、借由设计完成的序列带对人手施加刺激，使用者在注意到目标粗糙平面的刺激后，其脑电波形中可出现由此刺激所诱发的p300信号；s3、在脑电采集设备中采集到脑电p300信号，并对信号进行预处理操作；s4、对预处理后的脑电信号进行特征提取，得到特征向量并据此对信号进行分类对比不同粗糙平面刺激序列的时序，解码出使用者所注意的目标粗糙平面。

技术总结
本发明公开了一种基于摩擦触觉刺激诱发P300的脑机接口系统，包括摩擦触觉刺激模块，脑电信号采集模块、信号预处理模块和识别模块，所述摩擦触觉刺激模块包括步进电机和刺激序列带，在运行过程中步进电机匀速转动带动序列带移动，在移动过程中借由序列带对人产生摩擦触觉刺激，所述序列带上按照一定的顺序贴有若干个粗糙度不同的表面，在运行时，序列带在使用者手下进行转动，本发明涉及脑机接口技术领域。该基于摩擦触觉刺激诱发P300的脑机接口系统及其方法，采用了摩擦摩擦触觉的刺激模式对P300信号进行诱发，这种方式不依赖于视觉刺激和听觉刺激，在使用的过程中对使用者的干扰较小，使用负担更低。使用负担更低。使用负担更低。


技术研发人员：毛琳娜 刘培帅 李京扬 李婷
受保护的技术使用者：中国医学科学院生物医学工程研究所
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/12