多模态脑信息融合算法及穿戴式设备的研发与应用

成果基本信息
关键词：	应用脑科学;多模态脑信息;融合算法;穿戴式设备;脑机融合
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	9112018Y495	资源采集日期：	2018-12-10

研究情况
单位名称：	北京理工大学	技术水平：
评价证书号：		评价单位：
评价日期：		评价证书号：

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	0

联系方式
联系人（平台）：	孵化基地	联系人（平台）电话：	0771-3394012
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成果简介
1、课题来源与背景　　近年来，脑机制研究发展迅猛，高水平论文层出不穷，但仍缺乏能够真正提升神经系统疾病诊疗效果的研究成果；而在技术层级，脑机融合算法不断创新，但通过技术转化，具有实际应用意义的产品仍然不多。此领域，亟需对脑信息处理机制的应用建模，开发可服务于神经系统功能监测、诊疗的脑机信息融合技术。随着机器学习算法的发展，结合脑电和核磁数据构建模型成为一种可能。并且有望通过迁移学习在多模态数据模型基础上，训练出仅基于脑电数据的、可有效解读大脑信息的模型。　　2、研究内容　　本项目从大脑信息处理的最基本物理量“空间位置映射”入手，基于新型空间映射技术和体素级分析，重建了反应大脑空间映射机制的精细脑图谱，构建了输入（刺激）- 输出（脑区）的位置对应模型。基于模型，结合核融合稀疏学习，对时间、空间数据进行了特征级拟合、模型级融合，实现了脑电数据的输入（刺激）- 输出（特征信号）稳定特征提取算法，为脑机制研究的相关应用提供了可能性。进一步，结合基础研究所提出的空间映射模型和技术研究所建立的特征提取算法，研发了具有自主知识产权的穿戴式脑机信息融合设备和神经反馈设备。　　1）技术原理及性能指标　　基于“输入-脑-输出”自适应算法，项目实现了稀疏电极（5-10个电极）对脑信息处理表征机理的有效表达，并研发干电极智能可穿戴设备，实现了在较少电极、轻负担条件下，对人类情绪、注意、疲劳的客观量化。以大样本的数据常模为基础，专门用于脑与认知功能测评与选拔。算法融合多感觉脑电数据（时间维度）和核磁数据（空间维度）计算多模态脑网络模型，监测准确率可达到90%。针对便携式无线脑电测量仪采集、处理并输出的信息，上位机通过无线接收，以图形化界面实时显示脑电信号的各频段成分以及计算出的相关心理状态参数（专注度、放松度、情绪值、疲劳度），同时增加自定义参数设置，进行相关性研究。实时记录脑电数据并可自动生成认知功能数据分析结果。　　2）技术的创造性及先进性　　多模态脑信息融合处理技术融合了不同模态脑数据特点，通过迁移学习，使模型仅依靠脑电数据的输入，仍能有很好的分类效果。穿戴式脑电设备监测操作便捷、可监测时间长、使用频次多，结合脑成像技术定位脑区，简化装置。设备将采集和信息处理集成于便携设备中，通过无线通讯协议实现数据传输，使其能够在各类环境中进行快捷的脑电数据采集和分析工作。同时，为了有效记录实验过程中的信息，设备配套图像采集模块，以增加实验结果的匹配度。本研究对被试进行脑电检测，通过“脑-机接口”的研究，在大脑和外界之间建立起一种直接的交流通道，并由此实现相应的智能控制。　　3、技术应用及推广　　基于以上核心技术，项目开发了可用于个体化治疗的自适应神经反馈设备。依托该技术，申请人参加吉林省青年创新创业大赛，获得金奖。相关技术突破和设备研发，获得授权/公开国家发明专利33项，授权实用新型和软件著作权6项。其中，技术转化获CFDA认证（中华人民共和国医疗器械注册证：二类医疗器械资质认证）1项；研发的具有自主知识产权的智能穿戴式脑机融合设备，被国家公安部选为“列装设备”备选项目一项；研发的具有自主知识产权的神经反馈设备通过了国际CE、RoHS认证，并拥有教育部科技查新报告，转化于多家医院和公司，产生间接经济效益超过5000万元。相关产品受邀参展第二届国际城市科学节，并被央视详细报道。具体地，该硬件设备应用于医疗、教育、安防等领域。　　1）医疗：本研究开发的穿戴式脑电设备集成了多模态脑信息融合处理模型，提供的参数涵盖信息更广、对脑活动的信息解读更全面、实时检测和干预过程更灵敏。该设备在宣武医院、天坛医院、301医院、安定医院、回龙观医院等医院进行临床试验，为神经和精神类疾病的诊治提供定量化客观评判方法，为神经精神疾病提供无创个体化康复手段。　　2）教育：基于多模态脑信息融合处理技术的可穿戴脑电设备可用于课堂教学质量评估和优化过程。研究表明，额叶相关脑电活动可在一定程度上反映人的专注度、注意、情绪和疲劳情况，这些指标有助于课堂认知测评、教学质量评估和脑力疲劳预警。该设备已成功应用于在线课堂认知测评和教学治疗评估，用于学生的高效学习。　　3.安防：在安防方面，项目研发了适用于缉毒、防爆、救援警犬的穿戴式设备，以实现警犬意识的客观读取和高效辨识，提高安防效率，被国家公安部选为“列装设备”备选项目。对警犬脑活动的判断帮助出警人员了解警犬内心活动，更好地完成出警任务。该设备已成功应用于戒毒者脑活动和警犬脑活动的识别，有助于安防/防爆/救援的应用。　　4、现存问题及未来发展方向　　本项目成果创造了一定的经济效益。但由于设备成本较高，推广难度大，需提高制作工艺，研发自主知识产权传感器，降低成本，实现广泛产业化应用。

成果名称：	多模态脑信息融合算法及穿戴式设备的研发与应用	关键词：	应用脑科学;多模态脑信息;融合算法;穿戴式设备;脑机融合
成果类别：		一级分类名称：	医学生物工程
二级分类名称：		三级分类名称：
研究起止时间：	2016.05 至2018.03	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	北京理工大学	学科分类2：	460.40
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：	TH772	课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：	Z161100002616020
经费实际投入额（万元）：	1080.00	评价单位：
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：		转让范围：
评价证书号：		推荐单位：	北京理工大学
推广形式：	无	成果登记号：	9112018Y495
成果简介：	1、课题来源与背景　　近年来，脑机制研究发展迅猛，高水平论文层出不穷，但仍缺乏能够真正提升神经系统疾病诊疗效果的研究成果；而在技术层级，脑机融合算法不断创新，但通过技术转化，具有实际应用意义的产品仍然不多。此领域，亟需对脑信息处理机制的应用建模，开发可服务于神经系统功能监测、诊疗的脑机信息融合技术。随着机器学习算法的发展，结合脑电和核磁数据构建模型成为一种可能。并且有望通过迁移学习在多模态数据模型基础上，训练出仅基于脑电数据的、可有效解读大脑信息的模型。　　2、研究内容　　本项目从大脑信息处理的最基本物理量“空间位置映射”入手，基于新型空间映射技术和体素级分析，重建了反应大脑空间映射机制的精细脑图谱，构建了输入（刺激）- 输出（脑区）的位置对应模型。基于模型，结合核融合稀疏学习，对时间、空间数据进行了特征级拟合、模型级融合，实现了脑电数据的输入（刺激）- 输出（特征信号）稳定特征提取算法，为脑机制研究的相关应用提供了可能性。进一步，结合基础研究所提出的空间映射模型和技术研究所建立的特征提取算法，研发了具有自主知识产权的穿戴式脑机信息融合设备和神经反馈设备。　　1）技术原理及性能指标　　基于“输入-脑-输出”自适应算法，项目实现了稀疏电极（5-10个电极）对脑信息处理表征机理的有效表达，并研发干电极智能可穿戴设备，实现了在较少电极、轻负担条件下，对人类情绪、注意、疲劳的客观量化。以大样本的数据常模为基础，专门用于脑与认知功能测评与选拔。算法融合多感觉脑电数据（时间维度）和核磁数据（空间维度）计算多模态脑网络模型，监测准确率可达到90%。针对便携式无线脑电测量仪采集、处理并输出的信息，上位机通过无线接收，以图形化界面实时显示脑电信号的各频段成分以及计算出的相关心理状态参数（专注度、放松度、情绪值、疲劳度），同时增加自定义参数设置，进行相关性研究。实时记录脑电数据并可自动生成认知功能数据分析结果。　　2）技术的创造性及先进性　　多模态脑信息融合处理技术融合了不同模态脑数据特点，通过迁移学习，使模型仅依靠脑电数据的输入，仍能有很好的分类效果。穿戴式脑电设备监测操作便捷、可监测时间长、使用频次多，结合脑成像技术定位脑区，简化装置。设备将采集和信息处理集成于便携设备中，通过无线通讯协议实现数据传输，使其能够在各类环境中进行快捷的脑电数据采集和分析工作。同时，为了有效记录实验过程中的信息，设备配套图像采集模块，以增加实验结果的匹配度。本研究对被试进行脑电检测，通过“脑-机接口”的研究，在大脑和外界之间建立起一种直接的交流通道，并由此实现相应的智能控制。　　3、技术应用及推广　　基于以上核心技术，项目开发了可用于个体化治疗的自适应神经反馈设备。依托该技术，申请人参加吉林省青年创新创业大赛，获得金奖。相关技术突破和设备研发，获得授权/公开国家发明专利33项，授权实用新型和软件著作权6项。其中，技术转化获CFDA认证（中华人民共和国医疗器械注册证：二类医疗器械资质认证）1项；研发的具有自主知识产权的智能穿戴式脑机融合设备，被国家公安部选为“列装设备”备选项目一项；研发的具有自主知识产权的神经反馈设备通过了国际CE、RoHS认证，并拥有教育部科技查新报告，转化于多家医院和公司，产生间接经济效益超过5000万元。相关产品受邀参展第二届国际城市科学节，并被央视详细报道。具体地，该硬件设备应用于医疗、教育、安防等领域。　　1）医疗：本研究开发的穿戴式脑电设备集成了多模态脑信息融合处理模型，提供的参数涵盖信息更广、对脑活动的信息解读更全面、实时检测和干预过程更灵敏。该设备在宣武医院、天坛医院、301医院、安定医院、回龙观医院等医院进行临床试验，为神经和精神类疾病的诊治提供定量化客观评判方法，为神经精神疾病提供无创个体化康复手段。　　2）教育：基于多模态脑信息融合处理技术的可穿戴脑电设备可用于课堂教学质量评估和优化过程。研究表明，额叶相关脑电活动可在一定程度上反映人的专注度、注意、情绪和疲劳情况，这些指标有助于课堂认知测评、教学质量评估和脑力疲劳预警。该设备已成功应用于在线课堂认知测评和教学治疗评估，用于学生的高效学习。　　3.安防：在安防方面，项目研发了适用于缉毒、防爆、救援警犬的穿戴式设备，以实现警犬意识的客观读取和高效辨识，提高安防效率，被国家公安部选为“列装设备”备选项目。对警犬脑活动的判断帮助出警人员了解警犬内心活动，更好地完成出警任务。该设备已成功应用于戒毒者脑活动和警犬脑活动的识别，有助于安防/防爆/救援的应用。　　4、现存问题及未来发展方向　　本项目成果创造了一定的经济效益。但由于设备成本较高，推广难度大，需提高制作工艺，研发自主知识产权传感器，降低成本，实现广泛产业化应用。
联系人：	徐向平	成果登记日期：	2018-03-15
联系人email：	xuxiangping@bit.edu.cn	单位代码：	91100057
邮政编码222：	100081	联系人电话：	13910682009;010-68912113
单位传真：	010-68423234	单位通讯地址：	北京市海淀区中关村南大街5号
单位所在省市：		单位电话：	010-68913796;68912113;68914241
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：	北京薏然阳光电子技术有限公司;北京即刻叁全视觉科技有限公司;北京翼石科技有限公司;中央民族大学	已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2018	知识产权形式：
成果完成人：	闫天翼;陈端端;陈嵘;赵仑;程勇;唐晓英;邓晓涛;董小楠;刘田田;王永昊	资源采集日期：	2018-12-10

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