[發明專利]基于臨床腦電信號控制機械手運動的腦機接口系統及其應用

有效

• 申請號: 201611052250.5
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106726030B
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發明（設計）人: 張韶岷;李悅;王東;蔡邦宇;朱君明;張建民;鄭筱祥;吳朝暉;潘綱
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: A61F2/72
• 分類號: A61F2/72;G06F3/01
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

1.一種基于臨床皮層腦電信號控制機械手運動的腦機接口系統，其特征在于，包括信號采集模塊、腦電特征提取及解碼模塊、機械手控制模塊以及外設模塊，所述的信號采集模塊將采集到的臨床腦電信號進行預處理后輸入到腦電特征提取及解碼模塊，腦電特征提取及解碼模塊提取預處理的腦電信號的特征，機械手控制模塊對預處理后的腦電信號的特征進行分類，并將類標發送到機械手，完成手勢運動；所述的外設模塊監督和反饋機械手執行的任務；

所述的信號采集模塊對臨床腦電信號進行的預處理包括：

首先，通過分線器對臨床腦電信號進行分流，將臨床腦電信號分成兩路，一路輸入醫院記錄系統，另一路輸入神經信號采集儀；

然后，通過神經信號采集儀對臨床腦電信號進行信號放大，帶通濾波；帶通濾波選用硬件濾波，帶通范圍為0.3-500Hz，陷波為50Hz，利用神經信號采集儀的顯示屏肉眼觀察每個通道的原始信號，除去受到噪聲干擾較大的通道；

最終，將濾波后的臨床腦電信號存儲于PC控制端；

所述的腦電特征提取及解碼模塊內置于PC控制端，提取預處理的腦電信號的特征的過程包括：

首先，對濾波后的臨床腦電信號通過多窗譜方法估計時間-頻率上的功率譜密度；

然后做歸一化后處理，得到每個通道上臨床腦電信號的時頻特征；

接下來，根據每個通道的時頻特性，挑選與運動功能相關的通道、臨床腦電信號激活時間以及頻段；挑選出的與運動相關的通道具有的特性為：通道在頻率范圍為0.3-15Hz的低頻和頻率范圍為70-135Hz的高頻上隨運動增高，在頻率范圍為15-35Hz的中頻上隨運動降低；

所述的外設模塊包括語音模塊、顯示模塊、數據手套以及攝像模塊，顯示模塊用于提示用戶需要執行的運動手勢；語音模塊用于提示用戶任務開始以及手勢執行情況的實時反饋；數據手套穿戴于用戶雙手上，用于用戶手部運動的實時記錄；攝像模塊用于用戶手部運動的記錄；

分為離線訓練階段和在線預測階段；離線測試階段用于構建最優的預判模型；在線預測階段用于實時在線的用構建好的腦機接口系統對用戶的腦電信號進行分析，并做出手勢類別預測，然后控制外部機械手做出相應的手勢；

離線訓練階段的步驟為：

(1)腦電采集模塊采集臨床腦電信號，并對臨床腦電信號進行預處理，得到濾波后特定頻域的腦電信號；

(2)腦電特征提取及解碼模塊提取濾波后特定頻域的臨床腦電信號的特征，得到通道特征量，并通過PC端獲取對應的手勢類別；

(3)將通道特征量和對應的手勢類別輸入到SVM分類器中，進行訓練，得到預判模型；

步驟(1)的具體步驟為：

(1-1)利用分線器對臨床腦電信號進行分流，將臨床腦電信號分成兩路，一路輸入醫院記錄系統，另一路輸入神經信號采集儀；

(1-2)利用神經信號采集儀對輸入的臨床腦電信號進行放大，帶通濾波，得到濾波后特定頻域的腦電信號；

(2-1)利用多窗譜方法對濾波后的臨床腦電信號進行估計，得到臨床腦電信號的時間-頻率上的功率譜密度；

(2-2)對功率譜密度做歸一化處理，得到每個通道上臨床腦電信號的時頻特征；

(2-3)根據每個通道的時頻特性，挑選與運動功能相關的通道、臨床腦電信號激活時間以及頻段，得到通道特征量；

在線預測階段的步驟為：

(a)腦電采集模塊采集臨床腦電信號，利用分線器對臨床腦電信號進行分流，然后通過神經信號采集儀對臨床腦電信號進行放大和帶通濾波，得到濾波后特定頻域的腦電信號；

(b)腦電特征提取及解碼模塊在得到PC控制端發來的任務開始提示后，從神經信號采集儀的緩沖區獲取臨床腦電信號并計算與運動相關通道頻段上的功率譜密度，并做歸一化處理；

(c)機械手控制模塊利用已經訓練好的預測模型對歸一化的特征進行分類，將類標通過PC串口發送到機械手，完成手勢運動，同時，外設模塊監督和反饋機械手執行的任務。