專利名稱：一種p300腦-機(jī)接口導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及BCI (Brain-Computer hterface，腦-機(jī)接口)技術(shù)領(lǐng)域，基于P300 特征信號(hào)的BCI是一類重要的BCI范式，導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化作為BCI技術(shù)的一個(gè)重要議題，有著十分重要的意義，特別涉及一種P300腦-機(jī)接口導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
第一次腦-機(jī)接口國(guó)際會(huì)議給出的BCI的定義是“BCI是一種不依賴于大腦外圍神經(jīng)與肌肉正常輸出通道的通訊控制系統(tǒng)。”目前的研究成果中，它主要是通過(guò)采集和分析不同狀態(tài)下人的腦電信號(hào)，然后使用一定的工程技術(shù)手段在人腦與計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備之間建立起直接的交流和控制通道，從而實(shí)現(xiàn)一種全新的信息交換與控制技術(shù)，可以為殘疾人特別是那些喪失了基本肢體運(yùn)動(dòng)功能但思維正常的病人提供一種與外界進(jìn)行信息交流與控制的途徑。即可以不需語(yǔ)言或肢體動(dòng)作，直接通過(guò)控制腦電來(lái)表達(dá)意愿或操縱外界設(shè)備。為此，BCI技術(shù)也越來(lái)越受到重視?；赑300特征信號(hào)的腦-機(jī)接口范式最先由Farwell和Donchin在1988年提出。其原理是基于Oddball實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，利用稀少的目?biāo)刺激誘發(fā)ERP(EVent Related Potential，事件相關(guān)電位)中的P300腦電成分。P300腦-機(jī)接口的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。Oddball實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞侵福瑢?duì)于兩種已有的視覺(jué)刺激(聽覺(jué)刺激或體感刺激等)，其中一種是稀少的目標(biāo)刺激target，另一種是相對(duì)較多的非目標(biāo)刺激nontarget，它們以一定的序列順序刺激受試者。當(dāng)受試者接受到目標(biāo)刺激時(shí)，會(huì)誘發(fā)ERP，其主要特征是刺激后 300ms左右出現(xiàn)一個(gè)幅值相對(duì)較大的正峰，這個(gè)正峰就叫做P300。P300特征圖如圖2所示， 其中實(shí)線代表target刺激，虛線代表nontarget刺激。圖3是符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的64導(dǎo)導(dǎo)聯(lián)排布圖。關(guān)于P300腦-機(jī)接口的一個(gè)重要議題是特征優(yōu)化，而導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化則是其中的一個(gè)方面。通常在監(jiān)測(cè)P300腦電信號(hào)的時(shí)候，會(huì)在受試者頭皮排布64導(dǎo)甚至1 導(dǎo)導(dǎo)聯(lián)，大量的導(dǎo)聯(lián)則會(huì)帶來(lái)巨大的數(shù)據(jù)量，這給后續(xù)的信號(hào)處理造成了很大的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響B(tài)CI系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。另外，腦電電極的安放要求較高，其工作穩(wěn)定性相對(duì)較差，因此，多一個(gè)導(dǎo)聯(lián)就多一份出錯(cuò)的可能性。而且，腦電電極對(duì)使用者的舒適度有一定的影響。所以，如何在保證信號(hào)特征有效性的情況下，盡可能的減少導(dǎo)聯(lián)數(shù)目是一個(gè)具有重要意義的課題。另一方面，由于個(gè)體差異性的存在，使得沒(méi)有一個(gè)通用的導(dǎo)聯(lián)組合能夠符合每一個(gè)受試者的個(gè)性需求， 這使得導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化更具挑戰(zhàn)性，也更有價(jià)值。目前，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化的通用方法有很多種，如遺傳算法和SVM-RFE等。但是沒(méi)有一種特別有效的方法專門針對(duì)P300腦-機(jī)接口的導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行優(yōu)化，而通用方法則不能完全滿足P300腦-機(jī)接口的需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了能夠?qū)300腦-機(jī)接口的導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行優(yōu)化，滿足P300腦-機(jī)接口的需求，本發(fā)明提供了一種P300腦-機(jī)接口導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化方法，詳見(jiàn)下文描述
一種P300腦-機(jī)接口導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化方法，所述方法包括以下步驟(1)根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)量L個(gè)導(dǎo)聯(lián)獲取導(dǎo)聯(lián)之間的事件相位鎖定值，L的取值為大于等于2的正整數(shù)；根據(jù)所述事件相位鎖定值建立各導(dǎo)聯(lián)間的距離系數(shù)矩陣，定義各導(dǎo)聯(lián)的相位同步性強(qiáng)度；(2)根據(jù)所述各導(dǎo)聯(lián)間的距離系數(shù)矩陣，通過(guò)層次聚類法獲取聚類樹；(3)根據(jù)所述聚類樹和所述各導(dǎo)聯(lián)的相位同步性強(qiáng)度建立導(dǎo)聯(lián)重要性排序表；(4)對(duì)所述導(dǎo)聯(lián)重要性排序表進(jìn)行正確率計(jì)算，獲取L個(gè)正確率值；(5)對(duì)所述L個(gè)正確率值進(jìn)行排序，將正確率值最高的導(dǎo)聯(lián)組合作為最優(yōu)導(dǎo)聯(lián)組合，輸出所述最優(yōu)導(dǎo)聯(lián)組合。步驟(1)中的所述根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)量L個(gè)導(dǎo)聯(lián)獲取導(dǎo)聯(lián)之間的事件相位鎖定值；根據(jù)所述事件相位鎖定值建立各導(dǎo)聯(lián)間的距離系數(shù)矩陣，定義各導(dǎo)聯(lián)的相位同步性強(qiáng)度具體為設(shè)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到η次目標(biāo)刺激的腦電數(shù)據(jù)和m次非目標(biāo)刺激的腦電數(shù)據(jù)，則導(dǎo)聯(lián) X和y之間的事件相位鎖定值具體為
權(quán)利要求
1.一種P300腦-機(jī)接口導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)量L個(gè)導(dǎo)聯(lián)獲取導(dǎo)聯(lián)之間的事件相位鎖定值，L的取值為大于等于2的正整數(shù)；根據(jù)所述事件相位鎖定值建立各導(dǎo)聯(lián)間的距離系數(shù)矩陣，定義各導(dǎo)聯(lián)的相位同步性強(qiáng)度；(2)根據(jù)所述各導(dǎo)聯(lián)間的距離系數(shù)矩陣，通過(guò)層次聚類法獲取聚類樹；(3)根據(jù)所述聚類樹和所述各導(dǎo)聯(lián)的相位同步性強(qiáng)度建立導(dǎo)聯(lián)重要性排序表；(4)對(duì)所述導(dǎo)聯(lián)重要性排序表進(jìn)行正確率計(jì)算，獲取L個(gè)正確率值；(5)對(duì)所述L個(gè)正確率值進(jìn)行排序，將正確率值最高的導(dǎo)聯(lián)組合作為最優(yōu)導(dǎo)聯(lián)組合，輸出所述最優(yōu)導(dǎo)聯(lián)組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種P300腦-機(jī)接口導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(1) 中的所述根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)量L個(gè)導(dǎo)聯(lián)獲取導(dǎo)聯(lián)之間的事件相位鎖定值；根據(jù)所述事件相位鎖定值建立各導(dǎo)聯(lián)間的距離系數(shù)矩陣，定義各導(dǎo)聯(lián)的相位同步性強(qiáng)度具體為設(shè)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到η次目標(biāo)刺激的腦電數(shù)據(jù)和m次非目標(biāo)刺激的腦電數(shù)據(jù)，則導(dǎo)聯(lián)χ和 y之間的事件相位鎖定值具體為ι ηι mTPLVxy (0 = -ΣPLVx’ (0 - — ΣpLVx’y’n。ntarget (0 η i=l m i=l其中，η和m的取值為大于等于1的正整數(shù)；PLVx，y(0 = ψ曜、τ < ·>τ代表對(duì)括號(hào)內(nèi)，的式子進(jìn)行時(shí)間平均；定義所述各導(dǎo)聯(lián)間的距離系數(shù)矩陣，對(duì)于任意的兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)χ和y，其距離系數(shù)矩陣具體為Distxj = αχ(ΤΡ ν^(0)根據(jù)所述各導(dǎo)聯(lián)間的距離系數(shù)矩陣，定義所述各導(dǎo)聯(lián)的相位同步性強(qiáng)度，對(duì)于與任意一個(gè)導(dǎo)聯(lián)X，其相位同步性強(qiáng)度為 Wgx=^Distx,iO
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種P300腦-機(jī)接口導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(3)中的所述根據(jù)所述聚類樹和所述各導(dǎo)聯(lián)的相位同步性強(qiáng)度建立導(dǎo)聯(lián)重要性排序表具體為假設(shè)有L個(gè)導(dǎo)聯(lián)的腦電數(shù)據(jù)，獲取一個(gè)L導(dǎo)的聚類樹，設(shè)有L-I個(gè)特征源的活動(dòng)反映在 L個(gè)導(dǎo)聯(lián)上，通過(guò)截取聚類樹，將L個(gè)導(dǎo)聯(lián)分成L-I類，則存在一個(gè)包含兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)的類，記為導(dǎo)聯(lián)X和導(dǎo)聯(lián)ι,當(dāng)導(dǎo)聯(lián)X的相位同步性強(qiáng)度大于導(dǎo)聯(lián)y的相位同步性強(qiáng)度時(shí)，則選擇導(dǎo)聯(lián) χ排除導(dǎo)聯(lián)y ；排除的導(dǎo)聯(lián)y的重要性排在第L位；對(duì)于剩余的L-I個(gè)導(dǎo)聯(lián)，設(shè)有L-2個(gè)特征源的活動(dòng)反映在L-I個(gè)導(dǎo)聯(lián)上，通過(guò)截取聚類樹，將L-I個(gè)導(dǎo)聯(lián)分成L-2類，則存在一個(gè)包含兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)的類，記為導(dǎo)聯(lián)χ和導(dǎo)聯(lián)1,當(dāng)導(dǎo)聯(lián)χ的相位同步性強(qiáng)度大于導(dǎo)聯(lián)y的相位同步性強(qiáng)度時(shí)，則選擇導(dǎo)聯(lián)χ排除導(dǎo)聯(lián)y ；排除的導(dǎo)聯(lián)y的重要性則排在第L-I位；以此類推，直到只剩一個(gè)導(dǎo)聯(lián)為止，最后剩下的導(dǎo)聯(lián)，排在第L-(L-I)位，得到一個(gè)L導(dǎo)聯(lián)重要性排序表。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種P300腦-機(jī)接口導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(4) 中的所述對(duì)所述導(dǎo)聯(lián)重要性排序表進(jìn)行正確率計(jì)算，獲取L個(gè)正確率值具體為對(duì)第L-(L-I)位的導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確率計(jì)算，得到第一正確率值A(chǔ)l ；對(duì)第L-(L-I)位和L-(LI)位的導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確率計(jì)算，得到第二正確率值A(chǔ)2;對(duì)第L-(L-I)位、 L-(L-2)位和L-(Lj)位的導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確率計(jì)算，得到第三正確率值A(chǔ)3;以此類推，直到得到第L個(gè)正確率值A(chǔ)L。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種P300腦-機(jī)接口導(dǎo)聯(lián)優(yōu)化方法，涉及BCI技術(shù)領(lǐng)域，包括根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)量L個(gè)導(dǎo)聯(lián)獲取導(dǎo)聯(lián)之間的事件相位鎖定值，根據(jù)事件相位鎖定值建立各導(dǎo)聯(lián)間的距離系數(shù)矩陣，定義各導(dǎo)聯(lián)的相位同步性強(qiáng)度；根據(jù)各導(dǎo)聯(lián)間的距離系數(shù)矩陣，通過(guò)層次聚類法獲取聚類樹；根據(jù)聚類樹和各導(dǎo)聯(lián)的相位同步性強(qiáng)度建立導(dǎo)聯(lián)重要性排序表；對(duì)導(dǎo)聯(lián)重要性排序表進(jìn)行正確率計(jì)算，獲取L個(gè)正確率值；對(duì)L個(gè)正確率值進(jìn)行排序，將正確率值最高的導(dǎo)聯(lián)組合作為最優(yōu)導(dǎo)聯(lián)組合，輸出所述最優(yōu)導(dǎo)聯(lián)組合。本發(fā)明融合事件相位鎖定值和層次聚類法，對(duì)特征源數(shù)目進(jìn)行推定決策，能夠有效的減少BCI系統(tǒng)的冗余導(dǎo)聯(lián)，降低BCI系統(tǒng)的不穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，簡(jiǎn)化操作程序。
文檔編號(hào)G06F3/01GK102184017SQ20111012638
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者萬(wàn)柏坤, 孫長(zhǎng)城, 安興偉, 明東, 綦宏志, 許敏鵬 申請(qǐng)人:天津大學(xué)