专利名称：牙齿动作状态的脑肌电的实时检测控制装置及方法
技术领域：
本发明属于认知与智能计算领域，特别涉及人机交互领域，具体是指ー种牙齿动作的多种状态的脑肌电的实时检测的方法。
背景技术：
目前，公知的人机交互领域，人机交互控制手段包括手工(含手脚动作)、语音、意念交互控制方式。手工交互控制方式是主流，应用广泛而且成熟；语音识别交互控制方式，也在不断发展完善；意念交互控制方式，还处于实验研究向实用转变的初级阶段。公知的，手工交互控制非常成熟，但在手脚被控制任务占用或手脚残疾等情形，就迫切需要补充其他交互控制手段。语音识别控制手段因个体差异、外界噪声等导致状态模糊、识别困难、准确度不高，虽然经过多年的研究与推广，仍无法满足实际应用需求。意念相比语音的控制识别研究，还处于非常初级的研究阶段。目前，意念交互控制手段，或者识别动作状态单一、准确度不高(比如运动想象)，或者准确度高、识别时间较长(比如P300，即视觉刺激下300毫秒后脑电波信号加強)。在手工交互控制手段外，语音、意念交互控制方式不能实现关键场合的多种状态、可靠、实时控制。公知的，对意念控制方式的认识，具体请參阅以下文献:
Gerwin Schalk (美)、Jurgen.Mellinger (美)著，胡三清译，《BCI2000 与脑机接ロ》,国防エ业出版社2011年6月。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的缺点，提供ー种信号特征明显、实时性強、可靠性高、数据处理简便、低成本、便于广泛推广的牙齿动作的多种状态实时检测控制装置及方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
该牙齿动作状态的脑肌电的检测控制装置，包括采集模块(I)和控制模块(2)，其特点是，所述的装置中还包括牙齿动作状态的脑肌电信号的传感模块(3)，所述的传感模块的输出端与采集模块的输入端连接。该装置的传感模块包括參考电极、C3和C4电极。根据牙齿动作的信号特征，分别利用神经网络和可变窗ロ方法来识别牙齿动作的不同状态。牙齿动作可分为牙齿上下运动、水平运动和组合运动。牙齿上下运动，简称为咬牙；牙齿水平运动，简称为磨牙；牙齿组合运动，简称为咬磨牙。根据牙齿动作的信号特征，产生可识别的直接命令很多(比如咬牙动作12种)，组合命令甚至更多。该对上述的牙齿动作状态的脑肌电的实时检测控制装置进行检测控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤:
步骤(I)采集牙齿动作产生的脑肌电信号。可采用几个相关的信号強度明显的采集电极(比如，根据国际10-20标准电极分布系统，咬牙采用3个电极:參考电极、C3和C4)的采集设备，从而降低数据处理量，提高数据实时处理算法的效率。步骤(2)牙齿动作的信号分析。具体步骤如下:
a.首先对于采集的数据进行带通滤波处理，去除信号基线漂移；
b.定位时序信号中牙齿动作产生信号的位置，并提取该信号；
c.量化提取的信号，并利用神经网络进行适当分类，比如，将咬牙动作区分为左边咬牙、右边咬牙、左右两边同时咬牙三种状态；将磨牙动作区分为左边磨牙、右边磨牙、中间磨牙ニ种状态；
d.分析时域信号持续时间，比如，咬牙动作时，若时长超过I秒，则表示长咬状态；若时长不超过I秒，则利用可变窗ロ方法，初始化窗口数量N计为I，逐渐调整窗ロ长度，若窗ロ长度大于阈值T，则N自动加I ;遍历整个咬牙时序信号后，若N是为1，则表示咬I次，若N是2，则表示咬了 2次，若N是3，则表示咬了 3次。磨牙、咬磨牙动作的持续时间分析步骤与咬牙动作类同。步骤(3)整合上述步骤c和d的分类结果，可以区分出不同的牙齿动作状态。比如，咬牙动作具体可分为:左咬一次、左咬两次、左咬三次、左长咬、右咬一次、右咬两次、右咬三次、右长咬、左右同时咬一次、左右同时咬两次、左右同时咬三次、左右同时长咬。磨牙、咬磨牙动作的动作状态区分步骤与咬牙动作类同。顺序完成步骤(I)、步骤(2)、步骤(3)即可实现对多种状态牙齿动作产生的脑肌电信号的实时检测。采用本发明的牙齿动作状态的脑肌电的实时检测控制装置方法，由于其牙齿动作迅速、隐蔽，获得的控制命令直接、可靠、实时、准确、丰富，可作为手工控制方式之外的有效补充，容易获得公众、厂商、用户、政府、军事的认可，可广泛应用于エ业、商业、通讯、交通、医疗、教育、军事、娱乐等领域，具有非常广阔的实用性和应用推广前景。
图1牙齿动作(以咬牙为例)信号采集原理图 图2牙齿动作(以咬牙为例)信号分析处理流程图 图3左咬一次波形图
图4左咬两次波形图 图5左咬三次波形图 图6左长咬波形图 图7右咬一次咬波形图 图8右咬两次波形图 图9右咬三次波形图 图10右长咬波形图 图11左右同时咬一次波形图 图12左右同时咬两次波形图 图13左右同时咬三次波形图 图14左右同时长咬波形图
具体实施例方式为了使对本发明内容有进ー步了解，下文中配合相关实施及附图作详细说明:
本发明牙齿动作信号采集装置如图1所示。该装置的主要信号电极包括:一个參考电极(11)、ー个C3脑电极(12)、ー个C4脑电极(13)以及起到固定作用且大小可调的支架
(14)。电极C3和电极C4分布在大脑左右两侧，采集记录自主产生的大脑信号。參考电极11与人体的左耳相连，从而排除使用者身上的静电以及エ频(50HZ)的干扰。支架14主要起到固定电极作用，由于每个人的头颅大小各异，采用可调节方式最大可能地使采集装置佩戴合理。根据采集分析结果，也可以筛选其他信号特征强的电极做主要电极。列举不同的牙齿动作控制方式，具体(以咬牙为例)如下:
Sll表示左边咬一次牙，采集的信号如附图3所示。S12表示左边咬两次牙，两次咬牙间隔不可过长，否则会被检测为两个左咬一次，其信号如图4所示。S13表示左边咬牙三次，毎次咬牙间隔也不可过长，但总的时间不可超过I秒，其信号如图5所示。S14表示左边长咬，长咬要求持续时间超过I秒，其信号如图6所示。S15表不左右两边同时咬一次，其信号如图11所不。S16表示左右两边同时咬两次，两次咬牙间隔不可过长，其信号如图12所示。S17表示左右两边同时咬三次，其信号如图13所示。S18表不左右两边同时长咬,其信号如图14所不。S19表示右边咬一次牙，其信号如图7所示。S20表示右边咬两次牙，两次咬牙之间的间隔不可过长，其信号如附图8所示。S21表示右边咬三次牙，总的咬牙时间不超过I秒，其信号如图9所示。S22表示右边长咬牙，咬牙持续时间要求I秒以上，其信号如图10所示。如图2所示，为本发明的信号处理流程图，其基本流程如下:
步骤(I)利用图1所示的信号采集装置，采集一段时序信号。对信号进行预处理，该过程主要包括:信号滤波，保留感兴趣频段；去除信号漂移。这些方法可以固化到硬件中，从而提高数据处理的效率。步骤(2)设定阈值Tl，并且遍历时序信号，提取信号幅值大于阈值Tl的信号段。那么该段信号就是咬牙产生的信号，为了确定该信号是属于哪ー种咬牙信号，采用神经网络以及可变窗ロ长度方法来对信号进行分类。由于这两者分类算法相对独立，可以采用并行设计方法，加快算法处理效率。步骤(3)对提取的信号进行量化，将量化后的信号通过神经网络进行分类。神经网络需要先验知识进行训练，得到一个分类模型。其训练过程如下:
a.构建神经网络模型结构，并对结构參数进行初始化。b.采集训练数据， 训练数据有3类:左边咬牙、右边咬牙、左右同时咬牙。c.利用训练数据来动态调整神经网络结构參数，并使误差低于预期值，利用训练数据检测分类结果的准确率在99%以上。最后，利用训练后的神经网络模型对咬牙信号进行分类，可以得到:左边咬牙、右边咬牙以及左右同时咬牙这些分类結果。同时神经网络模型还具有自适应学习能力，从而使分类结果更加准确。步骤(4)判断时序信号持续时间是否超过I秒，如果是，则该信号就是ー个长咬信号。将该判断结果与神经网络模型的分类结果结合即可得到相应的分类信号。否则利用可变窗ロ方法对信号进行分类，其过程如下:
a.初始化窗ロ，并设置窗ロ计数器N为I，设置窗ロ阈值T。b.遍历时序窗ロ，并逐渐增大窗ロ的长度，若窗ロ长度大于阈值T，则窗ロ计数器N加I，否则继续遍历窗ロ，直到遍历完整个时序窗ロ。c.根据N的值判断咬牙的次数，如果N为1，则表示咬I次牙，若N为2，则表示咬了 2次牙，若N为3，则表示咬了 3次牙。最后，将咬牙结果与神经网络分类结果结合，即可得到相应的咬牙分类信号。其他牙齿动作的采集分析步骤同上，不再赘述。综上所述，本发明提供一种牙齿产生的多种状态的脑肌电信号的实时检测控制装置及方法，通过个性化设计的信号采集装置选取主要电极，降低信号的数据处理量，同时牙齿动作信号稳定、并满足实时性，适用于日常生活以及众多领域中。在此说明书中，本发明已參照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
权利要求
1.一种牙齿动作状态的脑肌电的检测控制装置，包括采集模块(I)和控制模块(2)，其特征在于，所述的装置中还包括牙齿动作状态的脑肌电信号的传感模块(3)，所述的传感模块的输出端与采集模块的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的牙齿动作状态的脑肌电的检测控制装置，其特征在于，所述的传感模块包括參考电极、C3和C4电极。
3.一种对权利要求1所述的牙齿动作状态的脑肌电的实时检测控制装置进行检测控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤: (1)采集牙齿动作状态产生的脑肌电信号； (2)将采集信号进行处理转换为控制命令。
4.根据权利要求3所述的对牙齿动作产生的多种状态的脑肌电的实时检测的方法，其特征在于，所述的采集牙齿动作状态产生的脑肌电信号，包括以下步骤: (1)牙齿动作状态分为牙齿上下运动、水平运动和组合运动；牙齿上下运动，简称为咬牙；牙齿水平运动，简称为磨牙；牙齿组合运动，简称为咬磨牙； (2)咬牙按位置分为左边、右边、中间；磨牙按位置分为左边、右边、中边；咬牙、磨牙、咬磨牙的混合使用为组合状态； (3)安装脑肌电信号采集电扱，脑电极的安装位置采用国际10-20标准电极系统分布图； (4)根据信号強度特征，选取相关采集电极，減少电极数目，最大程度地对系统进行简化； (5)咬牙动作状态的相关脑电极为參考电极、C3和C4电极。
5.根据权利要求3所述的对牙齿动作产生的多种状态的脑肌电的实时检测的方法，其特征在于，所述的将采集信号进行处理转换为控制命令，包括以下步骤: (1)采用带通滤波保留4(T100Hz频段的信号，去除基线漂移； (2)分别利用神经网络和可变窗ロ方法来识别牙齿动作的不同状态及次数为控制命令。
全文摘要
本发明涉及一种牙齿动作产生的多种状态的脑肌电的实时检测控制装置及方法。本发明利用信号采集装置采集牙齿动作状态产生的脑肌电信号，将采集信号进行处理转换为多种控制命令。本发明使用简化的采集系统，并结合实时、高效的算法，有效地辨别出牙齿不同的动作状态，并依此作为不同的控制命令，具有广泛的实用性。由于牙齿动作迅速、隐蔽，本发明检测控制装置方法获得的命令直接、可靠、实时、准确、丰富，本发明可广泛应用于工业、商业、通讯、交通、医疗、教育、军事、娱乐等领域，具有非常广阔的实用性和应用推广前景。
文档编号G06F3/01GK103116405SQ20131007013
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月6日 优先权日2013年3月6日
发明者胡三清, 池剑峰, 赵化宾 申请人:胡三清, 池剑峰, 赵化宾