CN108829238A - 一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法 - Google Patents

一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法 Download PDF

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Abstract

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***以及基于超声调制的脑电信号测量***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***通讯宽带、增大其指令集。

Description

一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法
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***(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***。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***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***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***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***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***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***以及基于超声调制的脑电信号测量***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***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：
其中，是激活源电流密度；是电极在单位电流注入情况下对应的电流密度；Ω是全脑电活动区域。
具体实现时，所述测量基于超声调制的脑电信号具体为：
当聚焦超声波聚焦于焦斑时，聚焦区域电阻率的变化Δρ导致脑电电极测量的脑电信号的变化，产生超声调制的脑电信号VAE，该信号与聚焦超声波频率相同，与脑电信号幅值正相关，并且携带聚焦超声波焦斑空间位置信息，其数学关系如下：
进一步地，所述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具体为：
通过滤波、共空间模式特征提取、支持向量机模式识别后，将识别结果转换为相应的BCI命令输出。
所述带通滤波装置的中心频率为1MHz，总放大倍数为50-70分贝，所选用的数字采集板块为NI PXI-5101。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
(1)通过超声调制脑电信号，增加脑电信号的空间分布信息，进而扩展BCI***通讯宽带、增大其指令集，可以从根本上提高BCI的通讯效率；
(2)相比于基于脑电的BCI通讯方法，基于超声调制的BCI通讯方法可以根据基于超声调制脑电信号的空间位置信息，进行深度的解码，进而增加BCI***的解码深度。
附图说明
图1为基于超声调制的脑-机接口通讯的示意图；
图2为基于超声调制的脑-机接口通讯方法的流程图；
图3为聚焦超声波对脑电信号调制原理的示意图。
图中，将聚焦超声波触发信号施加给聚焦超声换能器进而发射聚焦超声波，将超声波聚焦于焦斑。焦斑位置记为L，图中以三个焦斑位置为例，分别记为L.1、L.2、L.3。聚焦超声波用于对颅内激活源信号进行调制，通过脑电电极对基于超声调制的脑电信号进行测量。
图4为基于超声调制的脑电信号测量***示意图。
其中，带通滤波中心频率由超声换能器中心频率决定，实施例中所用超声换能器中心频率为1MHz，所以此处带通滤波中心频率为1MHz。如果所使用超声换能器中心频率为0.5MHz，则对应带通滤波中心频率为0.5MHz；总放大倍数为50-70分贝；所选用的数字采集板块为NI PXI-5101，其采样频率为20MHz，其他更高采样频率的数字采集板卡亦可。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
声电效应是一种超声对电学调制的基本物理现象，具体指：聚焦超声波在介质中传播，造成局部区域(聚焦区域)电阻率的周期性变化(由超声波的频率决定)。基于声电效应作用，参考文献[1]-[4]中提出电流密度成像即声电成像方法，以实现电流源分布成像。这些工作为超声调制脑电信号的可行性进行了理论和实验验证，为本发明的提出提供了理论基础。
实施例1
一种基于超声调制的脑-机接口通讯新方法，参见图1和图2，该方法包括下列的步骤：
101：安装脑电信号测量装置以及聚焦超声波发射装置，并测量聚焦超声波特性；
102：在所设定的实验范式下，如运动想象实验范式，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；
具体实现时，还可以为其他的实验范式，本发明实施例对此不做限制。
103：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。
即，通过滤波、CSP(共空间模式)特征提取、SVM(支持向量机)模式识别后，将识别结果转换为相应的BCI命令输出。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤103实现了通过超声调制脑电信号，增加脑电信号的空间分布信息，进而扩展BCI***通讯宽带、增大其指令集，可以从根本上提高BCI的通讯效率。
实施例2
下面结合图3和图4对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
201：安装脑电信号测量装置以及聚焦超声波发射装置，并测量聚焦超声波特性；
其中，脑电信号测量装置包括：脑电电极、脑电放大器、脑电滤波器的脑电采集***以及基于超声调制的脑电信号测量***。其中，参见图4，基于超声调制的脑电信号测量***：包含：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，聚焦超声波发射装置包括：聚焦超声换能器、以及聚焦超声波驱动装置。
同时，利用水听器测量聚焦超声波特性，具体包括：聚焦超声波谐振频率、聚焦超声波焦斑的位置以及尺寸、聚焦超声波焦斑处声压
其中，P0聚焦超声波声压为；为聚焦超声波角频率。
进一步地，聚焦超声换能器可以选用型号为Panametrics A392S的换能器；聚焦超声波驱动装置包括：超声脉冲信号发射/接收器：可以选用型号为Panametrics 5077PR发射/接收器。
202：在所设定的实验范式(例如：运动想象实验范式)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；
根据导程场(或称引导场)理论(Lead field theory)，在已知激活源(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：
其中，是激活源电流密度；是电极在单位电流注入情况下对应的电流密度；Ω是全脑电活动区域。
根据声电效应作用，当聚焦超声波聚焦于ω区域(超声波的聚焦区域(或焦斑区域)时，聚焦区域电阻率的变化，满足：
其中，k为声电效应系数，数量级为1×10-9Pa-1。
当聚焦超声波聚焦于焦斑时，聚焦区域电阻率的变化Δρ导致脑电电极测量的脑电信号的变化，产生超声调制的脑电信号(VAE)，该信号与聚焦超声波频率相同，与脑电信号幅值正相关，并且携带聚焦超声波焦斑空间位置信息，其数学关系如下：
由该公式可见，由于积分域是焦斑而不是整个全脑电活动区域，相较于传统脑电信号，超声调制可以增加传统脑电信号的空间位置信息，因此可以扩展BCI***的通讯宽带、增大其指令集。
203：利用所测量的脑电信号和基于超声调制的脑电信号，通过滤波、特征提取、模式识别后，制定解码策略，转换为BCI命令输出，实现高效率BCI通讯。
综上所述，本发明实施例提供的基于超声调制的脑-机接口通讯新方法，能够极大的增加BCI***带宽、增大其指令集，进一步研究可以得到完善的脑-机接口***，有望获得可观的社会效益和经济效益。
参考文献
[1]Olafsson R,Witte R S,HuangS W,et al.Ultrasound current sourcedensity imaging.IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2008,55(7):1840-1848.
[2]Li Q,Olafsson R,Ingram P,et al.Measuring the acoustoelectricinteraction constant using ultrasound current source density imaging.Physicsin Medicine&Biology,2012,57(19):5929-5941.
[3]Qin,Y.,Ingram,P.,Burton,A.,et al.4D acoustoelectric imaging ofcurrent sources in a human head phantom.In Ultrasonics Symposium(IUS),2016IEEE International(pp.1-4).
[4]Qin Y,Ingram P,Xu Z,et al.Performance of a transcranial US arraydesigned for 4D acoustoelectric brain imaging in humans.In UltrasonicsSymposium(IUS),2017 IEEE International(pp.1-4).
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，其特征在于，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***以及基于超声调制的脑电信号测量***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。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，其特征在于，所述基于超声调制的脑电信号测量***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。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，其特征在于，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：
其中，是激活源电流密度；是电极在单位电流注入情况下对应的电流密度；Ω是全脑电活动区域。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，其特征在于，所述测量基于超声调制的脑电信号具体为：
当聚焦超声波聚焦于焦斑时，聚焦区域电阻率的变化Δρ导致脑电电极测量的脑电信号的变化，产生超声调制的脑电信号VAE，该信号与聚焦超声波频率相同，与脑电信号幅值正相关，并且携带聚焦超声波焦斑空间位置信息，其数学关系如下：
6.根据权利要求1所述的一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，其特征在于，所述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具体为：
通过滤波、共空间模式特征提取、支持向量机模式识别后，将识别结果转换为相应的BCI命令输出。
7.根据权利要求2所述的一种基于超声调制的脑-机接口通讯方法，其特征在于，所述带通滤波装置的中心频率为1MHz，总放大倍数为50-70分贝，所选用的数字采集板块为NIPXI-5101。
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