一种智能空间下基于稳态视觉诱发的脑-机接口系统及方法

摘要

本发明公开了一种智能空间下基于稳态视觉诱发的脑—机接口方法，被试者通过观看LED视觉刺激显示器而产生的视觉诱发电位经EEG采集与处理后，输入到控制主机内，在智能空间下，摄像头获取被试者的位置信息和周围的环境信息，控制主机对脑电信号和位置环境信息进行计算处理，为被试者提供包括预估运动时间和规划运动路径的导航功能，控制主机产生控制命令控制下肢外骨骼协助被试者运动至预定目标。本发明可以消除视觉刺激器对被试者位置和方向的限制，强化被试者的主动运动意识和提高被试者生活的智能化水平。

说明书

【技术领域】

本发明涉及康复医学与信息学科交叉技术及脑—机接口技术领域，具体涉及一种智能空间下基于稳态视觉诱发的脑—机接口系统及方法。

【背景技术】

脑—机接口是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道，通过这种通道，被试者就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备，而不需要语言或动作，这可以有效增强被试者与外界交流或控制外部环境的能力。

稳态视觉诱发电位是指神经系统接受频率高于6Hz视觉刺激所产生的特定电活动，其中记录的脑电信号就会包含与刺激频率相同的节律成分。这种带有周期性成分的响应信号被称为稳态视觉诱发电位。稳态视觉诱发电位集中于特定频率，其信号检测和处理方法较简单且正确率较高。

在传统家居环境进行视觉刺激时，被试者必须在视觉刺激器100厘米范围内，而且传统的视觉刺激器通常都是单屏幕的。因此被试者就会受到视觉刺激器位置和维度的限制，而不能在家居环境中的任何位置或者从任意方向进行视觉诱发，这样很大程度上限制了被试者的活动范围。另外，稳态视觉诱发受到视觉刺激器刷新频率的限制，传统屏幕刷新率在60Hz左右。

【发明内容】

本发明的目的是为了解决以上技术问题，提供一种智能空间下基于稳态视觉诱发的脑—机接口方法，该方法消除了视觉刺激器对被试者的限制，提高了被试者生活的智能化水平。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种视觉刺激器，包括LED视觉刺激显示器，LED视觉刺激显示器通过连接棒安装在天花板上，LED视觉刺激显示器通过视觉刺激驱动系统与控制主机相交互；LED视觉刺激显示器上按照至少100Hz的刷新频率显示用于进行视觉诱发的刺激指令。

本发明进一步的改进在于：

所述LED视觉刺激显示器为由四个侧面发光块、一个底面发光块和顶部挡板围成的长方体，四个侧面发光块和底面发光块所显示的内容相同。

所述侧面发光块的长宽高尺寸为1.3m、1m和1.5m。

所述连接棒的顶部通过螺栓固定在天花板上，底部焊接在LED视觉刺激显示器的顶部挡板上。

所述视觉刺激驱动系统包括用于控制LED视觉刺激显示器中所有LED发光块显示相同的内容的单片机和用于驱动所有LED发光块发光的三极管。

所述LED发光块显示的内容包括文字、箭头或者牛顿环指令。

一种智能空间下基于稳态视觉诱发的脑—机接口系统，包括：

视觉刺激器，用于显示刺激指令；

控制主机，用于根据被试者的运动意图和位置环境信息计算最短路径，并将最短路径转换为控制指令发送给下肢外骨骼；

摄像头，用于采集被试者的位置信息和周围的环境信息；

EEG采集与处理装置，用于采集被试者在观察视觉刺激器后，大脑皮层产生的EEG信号，再将EEG信号处理后发送给控制主机；

下肢外骨骼，穿戴在被试者下肢上，用于接收控制主机的动作指令，根据动作指令协助被试者按照最短路径运动至目标点。

一种智能空间下基于稳态视觉诱发的脑—机接口方法，包括以下步骤：

1)被试者观看视觉刺激器上的目标点对应的刺激指令，大脑皮层产生的视觉诱发电位经处理后输入到控制主机，控制主机通过脑电信号识别被试者的运动意图；

2)摄像头获取被试者的位置信息和周围的环境信息；

3)控制主机对位置环境信息进行计算处理，将被试者和目标点根据其所在位置视为一个坐标点，将障碍物根据其所在位置视为一个多边形，控制主机再结合脑电信号，为被试者提供包括预估运动时间和规划运动路径的导航功能，获得最短路径；

4)控制主机控制下肢外骨骼协助被试者按照最短路径运动至目标点，完成指令。

所述步骤1)中，对视觉诱发电位的处理包括信号的预处理、特征提取以及识别分类，其中预处理包括去直流分量、信号滤波、去掉眼电和肌电伪迹以及ICA去除干扰成分，特征提取采用小波分析方法，识别分类采用人工神经网络方法。

所述步骤3)中，预估运动时间和规划运动路径具体为：

通过被试者开始位置和预定运动位置的距离与被试者的主观运动速度预估运动时间，根据被试者的位置信息和周围的环境信息利用可视图法实时规划躲避智能空间内障碍物的运动路径；

其中规划路径具体为：

将被试者、目标点均看成一个点，将障碍物看成由其顶点围成的多边形，被试者、目标点和障碍物的各顶点进行组合连接，并保证这些直线均不与障碍物相交，便形成一张可视图，然后用广度优先搜索算法搜索制定最短路径。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将LED视觉刺激显示器固定在天花板上，并且1采用.3m×1m×1.5m的尺寸，确保被试者可以在智能空间中任意位置进行视觉诱发，LED视觉刺激显示器的多面性确保被试者可以在智能空间内从任意方向进行视觉诱发，消除了对被试者的位置和方向的限制，由被试者的EEG信号来作为下肢外骨骼运动的依据，强化了被试者的主动运动意识，智能空间可以为被试者提供包括预估运动时间和规划运动路径的导航功能，提高了被试者生活的智能化水平。

【附图说明】

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明的结构示意图。

其中，1为天花板；2为视觉刺激驱动系统；3为连接棒；4为侧面发光块；5为LED视觉刺激显示器；6为底面发光块。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明设计智能空间用来弥补传统家居环境进行视觉刺激时的不足，智能空间具体是指具有摄像头、控制主机这种嵌入了计算装置和多模态的传感器的空间。如图2所示，视觉刺激器包括LED视觉刺激显示器5，LED视觉刺激显示器5通过连接棒3安装在天花板1上，LED视觉刺激显示器5通过视觉刺激驱动系统2与控制主机相交互；LED视觉刺激显示器5为由四个侧面发光块4、一个底面发光块6和顶部挡板围成的长方体，四个侧面发光块4和底面发光块6所显示的内容相同。侧面发光块4的长宽高尺寸为1.3m、1m和1.5m，可以保证被试者在智能空间的任意位置从任意方向进行视觉诱发，而且LED视觉刺激显示器刷新频率可达到100Hz甚至更高，高于传统屏幕刷新频率，消除视觉刺激器对被试者的频率限制。连接棒3的顶部通过螺栓固定在天花板1上，底部焊接在LED视觉刺激显示器5的顶部挡板上。视觉刺激驱动系统2包括用于控制LED视觉刺激显示器5中所有LED发光块显示相同的内容的单片机和用于驱动所有LED发光块发光的三极管。LED发光块显示的内容包括文字、箭头或者牛顿环指令。

本发明利用视觉刺激器，设计了一种智能空间下基于稳态视觉诱发的脑—机接口系统，包括：视觉刺激器5，用于显示刺激指令；控制主机，为被试者提供导航功能和控制下肢外骨骼协助被试者运动至预定目标；控制主机根据被试者的运动意图和位置环境信息计算最短路径，并将最短路径转换为控制指令发送给下肢外骨骼；摄像头，用于实时获取被试者的位置信息和周围的环境信息；EEG采集与处理装置，用于采集被试者在观察视觉刺激器5后，大脑皮层产生的EEG信号，再将EEG信号处理后发送给控制主机；下肢外骨骼，穿戴在被试者下肢上，用于接收控制主机的动作指令，根据动作指令协助被试者按照最短路径运动至目标点。

本发明还公开了一种智能空间下基于稳态视觉诱发的脑—机接口方法，包括以下步骤：

1)被试者观看视觉刺激器上的目标点对应的刺激指令，大脑皮层产生的视觉诱发电位经处理后输入到控制主机，控制主机通过脑电信号识别被试者的运动意图；对视觉诱发电位的处理包括信号的预处理、特征提取以及识别分类，其中预处理包括去直流分量、信号滤波、去掉眼电及肌电伪迹、人工去除不合适数据和ICA去除干扰成分，特征提取采用小波分析方法，识别分类采用人工神经网络方法。

2)摄像头获取被试者的位置信息和周围的环境信息；

3)控制主机对位置环境信息进行计算处理，将被试者和目标点根据其所在位置视为一个坐标点，将障碍物根据其所在位置视为一个多边形，控制主机再结合脑电信号，为被试者提供包括预估运动时间和规划运动路径的导航功能，获得最短路径；

预估运动时间和规划运动路径具体为：

通过被试者开始位置和预定运动位置的距离与被试者的主观运动速度预估运动时间，根据被试者的位置信息和周围的环境信息利用可视图法实时规划躲避智能空间内障碍物的运动路径；

其中规划路径具体为：

将被试者、目标点均看成一个点，将障碍物看成由其顶点围成的多边形，被试者、目标点和障碍物的各顶点进行组合连接，并保证这些直线均不与障碍物相交，便形成一张可视图，然后用广度优先搜索算法搜索制定最短路径。

4)控制主机控制下肢外骨骼协助被试者按照最短路径运动至目标点，完成指令。

本发明的原理：

本发明智能空间下基于稳态视觉诱发的脑—机接口方法，是在智能空间下通过LED视觉刺激显示器诱发产生视觉诱发电位经EEG采集与处理后，由控制主机控制下肢外骨骼的方法，LED视觉刺激显示器是由LED视觉刺激显示器、连接棒和LED视觉刺激驱动系统组成的，LED视觉刺激显示器由左面LED发光块、前面LED发光块、底面LED发光块、后面LED发光块、右面LED发光块和上面挡板构成，即由5个LED发光块和1个挡板包围而成的长方体，长宽高尺寸分别是1.3m、1m和1.5m，连接棒通过焊接与LED视觉刺激显示器相连，连接棒通过螺栓连接固定在智能空间中的天花板上，LED视觉刺激驱动系统是由三极管和单片机组成的，三极管驱动LED发光块发亮，单片机控制LED视觉刺激显示器中所有LED发光块显示相同的内容，包括文字、箭头或者牛顿环指令，对应被试者一天内所有的活动，来作为控制命令刺激。

被试者通过观看LED视觉刺激显示器而产生的视觉诱发电位经EEG采集与处理后，输入到控制主机内，在智能空间下，摄像头获取被试者的位置信息和周围的环境信息，控制主机对脑电信号和位置环境信息进行计算处理，为被试者提供包括预估运动时间和规划运动路径的导航功能，最后控制下肢外骨骼协助被试者运动至预定目标。

在智能空间内任意位置的被试者可以从任意方向观看LED视觉刺激显示器，LED视觉刺激显示器中的LED发光块足够大可以显示被试者一天内所有的活动指令，不同的指令以不同的频率闪烁，被试者想进行哪一项活动时，只需观看相应指令的刺激范式，随即产生的视觉诱发电位经EEG采集与处理后，输入到控制主机内，在智能空间下，摄像头获取被试者的位置信息和周围的环境信息，控制主机对脑电信号和位置环境信息进行计算处理，为被试者提供包括预估运动时间和规划运动路径的导航功能，即通过被试者开始位置和预定运动位置的距离与被试者的主观运动速度预估运动时间，根据被试者的位置信息和周围的环境信息实时规划运动路径，最后控制下肢外骨骼协助被试者运动至预定目标。

实施例

以被试者想去书房为例，在智能空间中，被试者观看LED视觉刺激显示器中代表到达书房命令的牛顿环刺激指令，该牛顿环闪烁频率是10Hz，随即产生的视觉诱发电位EEG经采集与处理后，输入到控制主机内，控制主机通过脑电信号识别被试者的运动意图，然后摄像头获取被试者的位置信息和周围的环境信息，控制主机对脑电信号和位置环境信息进行计算处理，为被试者提供包括预估运动时间和规划运动路径的导航功能，即通过被试者开始位置和预定运动位置的距离与被试者的主观运动速度预估运动时间，根据被试者的位置信息和周围的环境信息利用可视图法实时规划躲避智能空间内障碍物的运动路径。将被试者、书房均看成一个点，将障碍物看成由其顶点围成的多边形，被试者、书房和障碍物的各顶点进行组合连接，并保证这些直线均不与障碍物相交，便形成一张图，即为可视图。由于任意两直线的顶点都是可见的，从被试者所在点沿着这些直线到达书房的所有路径均是被试者在智能空间内的无碰路径，而后用广度优先搜索算法搜索制定最短路径。最后将最短路径输入至控制主机4，控制主机4控制下肢外骨骼协助被试者运动至书房，完成指令。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。