[发明专利]一种面向左右脚运动意图侧向性识别的混合在线脑机接口方法

说明书

本发明公开了一种面向左右脚运动意图侧向性识别的混合在线脑机接口方法。该混合在线脑机接口方法在进行左右脚勾脚想象动作的同时对右脚施加一定频率的电刺激，通过结合人体下肢电刺激产生的SSSEP特征和MI产生的ERD特征相融合进行左/右脚运动意图的解码，这种混合式脑‑机接口可以成功解码人体足部的运动意图，分辨出大脑相近空间位置的肢体任务，提高MI‑BCI空间分辨率，扩大MI动作模式的指令集，为促进MI‑BCI在下肢康复领域的应用探索新途径、提供新方法。

技术领域

本发明涉及脑机接口技术领域，特别是涉及一种面向左右脚运动意图侧向性识别的混合在线脑机接口方法。

背景技术

脑机接口(Brain-computer interface，BCI)是指通过检测中枢神经系统活动，将其转化为人工输出的系统，它能够替代、修复、增强、补充或者改善中枢神经系统的正常输出，从而改变中枢神经系统与内外环境之间的交互作用。脑-机接口在大脑和环境之间建立起一种新型的连接通道，这种通道可以使大脑不依赖于常规外周神经系统，直接通过人脑的思维活动和内外环境之间进行信息交互，为大脑与外界的沟通提供了一种新模式。

根据BCI系统的不同应用方向，可以分为辅助型或康复型BCI。辅助型BCI系统主要用于控制外部设备，比如控制计算机光标，机械臂或智能轮椅等。康复型BCI系统，也称为恢复型或基于神经反馈的BCI系统，这种BCI旨在通过操纵或自我调节神经生理活动来促进大脑功能或行为的恢复。目前康复型BCI已经被应用于肌萎缩性侧索硬化(ALS)、脊髓损伤(SCI)、脑卒中患者的肢体运动能力康复和大脑运动区损伤的可塑性修复，被证实是一种很有潜力的康复方法。

运动想象(motor imagery，MI)，指大脑有动作意图但不执行实际肢体动作，是一种对运动行为的内心演练过程。大脑的神经电活动由神经元集群放电而产生，当大脑处于不同心理状态或思维认知过程时，神经电活动也会表现出不同特征的状态过程。想象运动电位通过具体的运动意识任务来对大脑的感觉运动节律进行调节。运动想象时大脑神经电活动的变化现象，大脑感觉运动皮层的神经元集群放电会产生同步性或去同步性的放电特征，导致某些特定频段脑电信号能量的增强或者减弱，即ERS和ERD现象。在想象动作模式下，出现ERS/ERD现象的特征频段主要为alpha节律(8-13Hz)和beta节律(14-30Hz)，不同频段的ERS/ERD现象是运动想象电位检测的主要特征之一。

MI是BCI的常用范式之一。由于大脑存在容积导体效应，从头皮采集的EEG信号往往信噪比较低，因此基于EEG的MI-BCI空间分辨率较差，很难识别出精细想象动作任务和邻近肢体运动意图，目前MI的运动模式较少，单一动作模式仅局限在左手、右手、舌、双脚这些大肢体动作，导致MI-BCI输出指令集较少。尤其对于人体下肢，由于左/右脚的大脑投影区域几乎重叠，造成下肢运动意图解码困难，所以目前双脚只能作为一个指令集，无法有效识别出更精细的侧向性运动意图。

大脑头皮采集的EEG信号由于容积导体效应的影响，具有较高的时间分辨率，但空间分辨率比较低，因此对于大脑感觉运动皮层相近空间位置的肢体任务，运动意图识别的难度极大，特别是对于人体下肢，比如人的双脚，根据肢体部位与运动感觉皮层的投影关系，左脚和右脚的运动功能区均重合于中央区沟回以里的有限区域，因而直接利用运动想象的ERD特征进行人体左/右脚相关动作的区分难度极大，目前比较成熟的运动想象肢体动作模式中，双脚被作为同一种动作模式，而不加以侧向性的区别。

已有的文献中对于下肢分类的相关报道尚不多见，已有的一些报道中对于运动意图识别的准确率也大多未达到70％的BCI阈值水平。而下肢运动意图难以识别的现状必然会影响MI-BCI下肢运动功能的康复效果。

发明内容