[發明專利]一種基于經顱電刺激的增強型肌電人機接口

在審

• 申請號: 201410482712.1
• 申請日: 2014-09-19
• 公開（公告）號: CN104238754A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 朱向陽;潘立志;張定國;盛鑫軍
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06K9/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中;樊昕

技術領域

本發明涉及生物信息技術領域，尤其涉及一種人機接口系統。

背景技術

人機接口是以人與外界設備的交互方式，常見人機接口有如鼠標、鍵盤和語音識別等，對于殘疾等人士這些接口方式對于他們已經部分甚至全部失效。而在20世紀90年代以肌電(Electromyography,EMG)這種生物信號作為直接的人機接口的傳輸載體，開拓了全新的人機接口方式，這種人機接口方式不僅可以解放殘疾人士，對于一般正常人也是一種新穎的人機接口。這種以生機電一體化的人機交互方式是制造科學、神經工程學、信息科學交叉領域的前沿科技技術。

對于肌電信號，其測量、處理和解碼方法是研制相應人機接口的基礎，以肌電信號為載體的人機接口控制流程一般為信號獲取，預處理、特征提取、分類解碼、運動功能的實現。但對于如截肢的殘疾人相關腦區由于長期沒有使用，其活性已有一定程度的降低，進而使得其肌電信號區分性大大降低，使得基于肌電信號的人機接口方式帶來很大的挑戰。

當前肌電信號控制假肢體是肢體生理信號人機接口研究開發的典范，但對于殘疾人的肌電控制假肢在肌電模式識別率只有53.9％±14.2％(腕部運動),這與使用其作為假肢的控制接口還相距甚遠。而從肌電信號為特征作為人機接口方式的處理流程來看，已有大量的從關于特征提取、分類解碼、運動功能的實現的角度進行的研究，但對于增強信號源的研究還較少。已有部分研究表明通過重復的訓練可以提高殘肢對應腦運動區的皮層活性，同時提高肌電信號的可區分性。日本東京大學Ryu?Kato等人對于重復性訓練進行的評測表明，其能夠使得原有3種類別的識別數提高到6個類。美國約翰霍普京斯大學的M.Powell對重復性訓練的研究也表明對于9類動作的分類識別率可以從77.5％提升至94.4％。重復性訓練對于分類的識別率有顯著的提升，但是重復性訓練這種提高增強肌電信號的方式會大大增加人機接口的學習時間，給患者造成很多不必要的負擔，從而需要探究新的方式以提高增強肌電信號。

本領域技術人員致力于一種可以在較短時間內提高殘疾人的殘肢的肌電信號的分類識別率的增強型人機接口系統來解決上述問題。

經顱電刺激(Transcranial?Direct?Current?Stimulation,tDCS)由于其具有低成本、多功能和便攜等特性，近年來被廣泛應用在中風，帕金森癥，抑郁癥和癲癇等患者身上進行神經調理。然而對于殘疾人的肌電人機接口領域到目前為止沒有應用。德國的哥廷根大學的Nitsche和Paulus研究發現，tDCS刺激可以改變皮質興奮性，正極刺激可以使興奮提高，負極刺激可以使興奮降低。同時，他們的研究表明tDCS刺激的后效應可以持續60-90分鐘。因此，引入經顱電刺激，在原有的人機接口基礎上，在較短時間內提高殘疾人的殘肢的肌電信號的分類識別率，形成一種基于經顱電刺激的增強型肌電人機接口，成為本領域研究的方向。

發明內容

針對上述現有技術中存在的技術問題，本發明提供一種基于經顱電刺激的增強型肌電人機接口，通過對殘疾人殘肢對應的腦運動區進行經顱電刺激，可以在短時間內，顯著的提高殘肢的動作模式的分類識別率，使其達到與健肢的識別率無顯著差異的水平。

為達到上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種基于經顱電刺激的增強型肌電人機接口，包括依次連接的正極的經顱電刺激殘疾人受試者的殘肢對應腦運動區、殘疾人動作模式訓練和肌電信號處理三個部分，所述殘肢對應腦運動區接受正極刺激，提高其興奮性，所述殘疾人動作模式訓練在經顱電刺激完成后，讓殘疾人的殘肢進行多類動作模式的訓練，同時采集肌電信號，所述肌電信號處理用于衡量通過經顱電刺激后截肢患者的殘肢進行多類動作模式的肌電接口識別率水平。

所述多類動作模式包括10類，分別為握拳，展拳，拇指捏，3指捏，內翻，外翻，上切，下切，外旋和內旋。

所述肌電信號處理包括2個步驟：特征提取和分類器分類。

所述特征提取對于原始信號用滑動窗進行截取。

所述滑動窗的窗長設為200ms，滑動間隔設為50ms。