一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法技术

本发明专利技术提供了一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，包括以下步骤：S1、构建双自由度速度想象动作指令集，指令集基于左手肘关节和手指关节，对两个关节部位同步展开多指令速度想象；S2、构建基于脑电和近红外光谱的双模态同步采集系统，所述EEG为脑电，fNIRS为近红外光谱，完成EEG和fNIRS信号的同步采集；S3、构建基于多自由度的自发性速度想象多模态信号同步采集范式，利用范式同步采集肘关节和手指关节的EEG

【技术实现步骤摘要】
一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法


[0001]本专利技术属于信号采集领域，尤其是涉及一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法。

技术介绍

[0002]运动想象(motor imagery，MI)脑
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机接口(brain
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computer interface，BCI)系统作为一种非侵入式脑
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机接口系统能够通过想象肢体运动将大脑神经活动信息作为输入信号从而控制外部设备，进而降低了大脑对身体的依赖。运动想象脑
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机接口技术作为一种新型康复治疗方法，大大提升了脑损伤等患者康复的可能，已经广泛应用于康复治疗等领域，有着广阔的应用前景。然而，当前运动想象脑
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机接口系统大多采用单自由度、离散的肢体动作(例如双手，双脚和舌头等)来进行后续的控制指令分析，缺乏多自由度连续性大脑神经活动信息的捕获手段，而脑机接口外部被控设备往往需要多自由度连续控制(如在两个方向上连续控制机械手抓握力度等)，因此现有单自由度、离散运动想象脑
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机接口系统无法适用于真实应用场景。
[0003]速度这一物理量有着天然的连续特性，设置不同频率的速度想象为增强脑
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机接口系统的灵活性提供了一种可行的解决方案。为了获取更多的控制指令，已经有专家学者提出启发式速度想象范式，尽管这些方法能够在一定程度上提升指令数量但是仍然处于原理探究阶段，缺乏一种自发性速度想象诱发方法。
[0004]开展基于多自由度的双模态速度想象研究，对于克服基于单自由度的运动想象范式的局限性，增加脑机接口系统类别指令具有重要意义。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，首先设计了一种双自由度速度想象动作指令集，该指令集基于左手肘关节和手指关节，对两个关节部位同步展开多指令速度想象。其次，设计出一种基于脑电(EEG)和近红外光谱(fNIRS)的双模态同步采集系统，该系统能够完成EEG和fNIRS信号的同步采集。最后，设计出一套基于多自由度的自发性速度想象多模态信号同步采集范式，同步采集肘关节和手指关节的EEG
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fNIRS速度想象信号。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，包括以下步骤：
[0008]S1、构建双自由度速度想象动作指令集，指令集基于左手肘关节和手指关节，对两个关节部位同步展开多指令速度想象；
[0009]S2、构建基于脑电和近红外光谱的双模态同步采集系统，所述EEG为脑电，fNIRS为近红外光谱，完成EEG和fNIRS信号的同步采集；
[0010]S3、构建基于多自由度的自发性速度想象多模态信号同步采集范式，利用范式同步采集肘关节和手指关节的EEG
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fNIRS速度想象信号。
[0011]进一步的，在步骤S1中，利用指令集采用两个自由度的肢体部位，分别包括肘关节和手指关节，按照两个自由度对多种速度想象进行指令设计。
[0012]进一步的，在步骤S1中，将手指关节记作X，肘关节记作Y，将指令记作(X，Y)，在手指关节自由度上X可以选择0Hz至正无穷范围内的N1个速度，在肘关节自由度上Y可以选择0Hz至正无穷范围内的N2个速度，以N1＝3，X选择0Hz、0.5Hz、1Hz三个速度、N2＝3，Y选择0Hz、0.5Hz、1Hz三个速度为例，构建的指令集包括：(0Hz，0Hz)，(0Hz，0.5Hz)，(0Hz，1Hz)，(0.5Hz，0Hz)，(0.5Hz，0.5Hz)，(0.5Hz，1Hz)，(1Hz，0Hz)，(1Hz，0.5Hz)，(1Hz，1Hz)。
[0013]进一步的，在步骤S2中，系统包括光电一体检测帽，包括C1＝34个EEG通道和C2＝20个fNIRS通道，包含4个光源和16个探测器，光源和探测器之间的位置为fNIRS通道，检测布道分布在头皮的感觉运动区和辅助运动区。
[0014]进一步的，在步骤S2中，通过被试机发送打标信号，从而实现双模态信号同步打标；在进行范式动作训练时采用近红外信号反馈界面，帮助受试者完成指定的想象动作，实现速度想象捕获；双模态同步采集系统使用EEG和fNIRS同步采集设备进行数据记录及保存。
[0015]进一步的，在步骤S2中，具体包括：双模态信号同步采集：在实验进行时，被试机屏幕的右下角显示一个灰度值可调的圆形色块，为确保记录样本时间的准确性，将色块的显示时间与速度想象的时间进行同步设置，色块的灰度值随速度想象任务而变化，从而使得光电打标模块信号产生不同的数值，打标数值通过采集卡发送到fNIRS检测系统，然后通过无线串口发送到EEG采集系统，最终实现EEG和fNIRS信号的同步采样。
[0016]进一步的，在步骤S3中，采用肘关节进行N1个抬臂速度想象，采用手指关节进行N2个握拳握拳速度想象，并同步采集产生的EEG和fNIRS信号，采样频率分别为R1和R2。
[0017]进一步的，本方案公开了一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，所述处理器用于执行一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法。
[0018]进一步的，本方案公开了一种服务器，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法。
[0019]进一步的，本方案公开了一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法。
[0020]相对于现有技术，本专利技术所述的一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法具有以下有益效果：
[0021](1)本专利技术所述的一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，提出了多自由度的速度想象指令集，克服了脑机接口领域指令单一的缺点，增强了脑机接口系统对连续性神经活动的解码范围；
[0022](2)本专利技术所述的一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，构建双模态同步采集系统充分考虑光电联合检测原理，从而扩充了采集系统的多模态采集能力；
[0023](3)本专利技术所述的一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，采用自发性速度想象多模态信号同步采集范式，并将近红外信号作为反馈，进一步提升了信号质量；
[0024](4)本专利技术所述的一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，提出的基于多自由度的双模态速度想象信号采集方法提升了脑机接口系统的控制性能，对获取大脑中连续神经意图和推进脑
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机接口实际应用具有重要意义。
附图说明
[0025]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建双自由度速度想象动作指令集，指令集基于肘关节和手指关节，对两个关节部位同步展开多指令速度想象；S2、构建基于EEG和fNIRS的双模态同步采集系统，所述EEG为脑电，fNIRS为近红外光谱，从而完成EEG和fNIRS信号的同步采集；S3、构建基于多自由度的自发性速度想象多模态信号同步采集范式，利用范式同步采集肘关节和手指关节的EEG
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fNIRS速度想象信号。2.根据权利要求1所述的一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，其特征在于：在步骤S1中，利用指令集采用两个自由度的肢体部位，分别包括肘关节和手指关节，按照两个自由度对多种速度想象进行指令设计。3.根据权利要求2所述的一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，其特征在于，在步骤S1中，将手指关节记作X，肘关节记作Y，将指令记作(X，Y)，在手指关节自由度上X可以选择0Hz至正无穷范围内的N1个速度，在肘关节自由度上Y可以选择0Hz至正无穷范围内的N2个速度，构建指令集。4.根据权利要求1所述的一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，其特征在于，在步骤S2中，构建的基于EEG和fNIRS的双模态同步采集系统包括光电一体检测帽，所述光电一体检测帽包括C1个EEG检测通道和C2个fNIRS检测通道，同时包括光源和探测器，光源和探测器之间的空间构成fNIRS检测通道，检测通道分布在头皮的感觉运动区和辅助运动区。5.根据权利要求1所述的一种基于多自由度的速度想象双模态信号采集方法，其特征在于，在步骤S2中，通过被试机发送打标信号，从而实现双模态信号同步打标；在进行范式动作训练时采用近红外信号反馈界面，帮助受试者完成指定的想象...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙彪，郝晓倩，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：