基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法
【專利摘要】基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法，先在使用者頭部安放電極，測(cè)得的腦電信號(hào)送往計(jì)算機(jī)，然后將運(yùn)動(dòng)刺激單元通過計(jì)算機(jī)屏幕同時(shí)呈現(xiàn)在使用者面前，以服從高斯分布的二維噪聲點(diǎn)掩蔽運(yùn)動(dòng)刺激單元，噪聲點(diǎn)更新頻率同步于屏幕刷新率，噪聲強(qiáng)度以高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差表征，形成運(yùn)動(dòng)刺激單元后，使用者注視運(yùn)動(dòng)刺激單元中的任意一個(gè)，計(jì)算機(jī)同步采集刺激開始與結(jié)束標(biāo)志位，并通過測(cè)試電極采集腦電信號(hào)，計(jì)算出不同刺激目標(biāo)的顯著性概率，判定并通過屏幕指示出目標(biāo)，再進(jìn)行下一次目標(biāo)識(shí)別，本發(fā)明能夠顯著增強(qiáng)使用者大腦響應(yīng)的強(qiáng)度，提升現(xiàn)有腦機(jī)接口的精度和效率，創(chuàng)新提高腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)用化水平。
【專利說明】基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程中神經(jīng)工程及腦-機(jī)接口【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法。
【背景技術(shù)】
[0002]腦機(jī)接口是人腦-計(jì)算機(jī)接口的簡(jiǎn)稱，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信號(hào)作為一種重要的信息載體，具有抗干擾能力強(qiáng)、信息傳輸率高及所有使用者無需訓(xùn)練均可誘發(fā)較強(qiáng)響應(yīng)的特點(diǎn)，因而是腦機(jī)接口應(yīng)用中最具實(shí)用意義的信號(hào)類型。針對(duì)其誘發(fā)需較高光強(qiáng)度的光閃爍，易造成使用者不適，特別是在較低刺激頻率下光閃爍周期較長(zhǎng)及單周期內(nèi)亮度變化明顯，更易引起使用者視覺疲勞造成大腦響應(yīng)信號(hào)降低的特點(diǎn)，基于運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法，采用人對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的視覺感知能力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位下的腦機(jī)接口應(yīng)用，顯著提升了腦機(jī)接口的抗疲勞、抗干擾能力。但基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位的腦機(jī)接口依然受到使用者個(gè)體差異和生理噪聲的影響，多依賴具體軟件算法的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升，性能拓展空間小，不利于腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展。
[0003]20世紀(jì)80年代提出的隨機(jī)共振理論表明噪聲能夠增強(qiáng)某些特定的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的可測(cè)性，即在隨機(jī)噪聲的作用下系統(tǒng)響應(yīng)能夠得到增強(qiáng)而非減弱。這種“噪聲增益”作用廣泛存在于非線性系統(tǒng)如神經(jīng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究中，研究表明神經(jīng)元發(fā)放的同步化能夠借助施加噪聲的強(qiáng)度優(yōu)化得以增強(qiáng)，以至在頭皮表面形成高信噪比的腦電信號(hào)，通過采用噪聲誘導(dǎo)人為實(shí)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)興奮性增強(qiáng)的方式為當(dāng)前腦機(jī)接口技術(shù)提供了創(chuàng)新發(fā)展思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法，利用一定強(qiáng)度下的視覺高斯白噪聲點(diǎn)以二維視覺刺激形式呈現(xiàn)于使用者，通過腦神經(jīng)元固有的隨機(jī)共振機(jī)制實(shí)現(xiàn)視覺噪聲參與下穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位響應(yīng)興奮性的增強(qiáng)，能更好地復(fù)原和增強(qiáng)頭皮腦電信號(hào)的強(qiáng)度，提升腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)用化水平。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0006]基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1，在使用者頭部視覺枕區(qū)安放測(cè)量電極，在其單側(cè)耳垂位置處安放參考電極，在其頭部前額處安放地電極，電極測(cè)得的腦電信號(hào)經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后送往計(jì)算機(jī)；
[0008]步驟2，將2個(gè)以上的按不同刺激頻率進(jìn)行穩(wěn)態(tài)振蕩的運(yùn)動(dòng)刺激單元通過計(jì)算機(jī)屏幕同時(shí)呈現(xiàn)在使用者面前，使用者頭部距離計(jì)算機(jī)屏幕為50?100厘米，運(yùn)動(dòng)刺激單元采用白色單環(huán)，其寬度在運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)過程中保持不變，為其擴(kuò)張至最大時(shí)的外圓半徑的一半，這使得環(huán)形收縮至最小時(shí)其寬度不會(huì)因收縮而壓縮，以服從高斯分布的二維噪聲點(diǎn)掩蔽運(yùn)動(dòng)刺激單元，噪聲點(diǎn)更新頻率同步于屏幕刷新率，噪聲點(diǎn)的灰度級(jí)在0-255之間，噪聲點(diǎn)的二維灰度均值為128，噪聲強(qiáng)度以高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差表征，通過選用不同噪聲強(qiáng)度驗(yàn)證不同視覺噪聲對(duì)大腦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響；
[0009]步驟3，形成2個(gè)以上運(yùn)動(dòng)刺激單元后，按以下步驟進(jìn)行:
[0010]步驟3-1，使用者注視2個(gè)以上運(yùn)動(dòng)刺激單元中的任意一個(gè),使用者注視的運(yùn)動(dòng)刺激單元稱為目標(biāo)，而其他運(yùn)動(dòng)刺激單元稱為非目標(biāo)；
[0011]步驟3-2，計(jì)算機(jī)同步采集刺激開始與結(jié)束標(biāo)志位，并通過測(cè)試電極采集腦電信號(hào)，使用GT2cto檢驗(yàn)法判別出刺激目標(biāo)，具體包含以下操作:首先，對(duì)腦電信號(hào)作濾波和陷波處理；其次，對(duì)原始腦電信號(hào)作預(yù)白化處理，消除低頻腦電成份的影響；再次，獲得腦電數(shù)據(jù)中依照刺激起始標(biāo)志位按不同的運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)刺激整周期進(jìn)行截?cái)嗟臄?shù)據(jù)段，經(jīng)快速傅里葉變換得到包含多個(gè)諧波分量的傅里葉向量；最后，將傅里葉向量代入GT2cd,。假設(shè)檢驗(yàn)中，得到相應(yīng)統(tǒng)計(jì)量，通過比較統(tǒng)計(jì)量相對(duì)于絕對(duì)零值的顯著程度，計(jì)算出不同刺激目標(biāo)下的顯著性概率；
[0012]步驟3-3，根據(jù)計(jì)算得到的每個(gè)刺激頻率對(duì)應(yīng)的顯著性概率，若其中最小值小于預(yù)設(shè)的顯著度水平，將最小值對(duì)應(yīng)的刺激頻率所屬的運(yùn)動(dòng)刺激單元判定為使用者所注視的目標(biāo)；
[0013]步驟4，計(jì)算機(jī)通過屏幕指示出使用者所注視的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者的視覺反饋；
[0014]步驟5，計(jì)算機(jī)完成目標(biāo)識(shí)別后，返回步驟3，重復(fù)步驟3和步驟4，進(jìn)行下一次目標(biāo)識(shí)別任務(wù)。
[0015]本發(fā)明針對(duì)頭皮腦電信號(hào)容易受到各種電生理信號(hào)以及其他噪聲的干擾，造成頭皮誘發(fā)電位信號(hào)微弱、辨識(shí)困難、限制腦機(jī)接口性能的問題，提出了基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口范式。大腦作為一種典型的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其輸出在理論上能夠通過無序視覺刺激的隨機(jī)共振方式等到增強(qiáng)，目前神經(jīng)系統(tǒng)的隨機(jī)共振研究多停留在現(xiàn)象觀察階段，尚未轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用。本發(fā)明是隨機(jī)共振技術(shù)在腦機(jī)接口中的創(chuàng)新應(yīng)用，以視覺運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位作為視覺系統(tǒng)的典型輸出形式，通過在穩(wěn)態(tài)周期視覺輸入中引入噪聲的方式，實(shí)現(xiàn)一定程度上對(duì)大腦動(dòng)力學(xué)特性的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位的有效增強(qiáng)，由此，為優(yōu)化視覺響應(yīng)并實(shí)現(xiàn)高性能腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)用化開辟了新的思路，顯示了如下優(yōu)越性:
[0016](I)相比于傳統(tǒng)的腦-機(jī)交互方式，本發(fā)明首次將神經(jīng)系統(tǒng)隨機(jī)共振機(jī)制引入腦機(jī)接口應(yīng)用實(shí)施中，采用噪聲掩蔽的視覺刺激范式實(shí)現(xiàn)了使用者大腦響應(yīng)的增強(qiáng)；
[0017](2)實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)共振增強(qiáng)機(jī)制下大腦輸出響應(yīng)逼近輸入信號(hào)特征的現(xiàn)象，確保了腦電信號(hào)在神經(jīng)系統(tǒng)傳輸過程中的不失真；
[0018](3)實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)共振增強(qiáng)機(jī)制下腦機(jī)接口精度和效率的同步提升，保障了腦機(jī)接口信息的高效傳輸，腦-機(jī)交互過程更加友好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為腦電電極位置圖。
[0020]圖2為結(jié)合視覺噪聲的腦機(jī)接口刺激范式圖。
[0021]圖3為運(yùn)動(dòng)刺激單元布置示意圖。
[0022]圖4為GT2ete假設(shè)檢驗(yàn)算法流程圖。[0023]圖5為隨機(jī)共振增強(qiáng)機(jī)制下大腦響應(yīng)波形及幅值譜圖，圖5(a)為15Hz刺激頻率下大腦響應(yīng)波形及幅值譜圖；圖5(b)為12Hz刺激頻率下大腦響應(yīng)波形及幅值譜圖；圖5(c)為8.57Hz刺激頻率下大腦響應(yīng)波形及幅值譜圖。
[0024]圖6為腦機(jī)接口在線性能圖，縱坐標(biāo)代表正確率，橫坐標(biāo)為該正確率下不同次實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的正確檢測(cè)時(shí)間的分布，圖6(a)為使用者SI操作腦機(jī)接口時(shí)的在線性能圖；圖6(b)為使用者S2操作腦機(jī)接口時(shí)的在線性能圖；圖6(0)為使用者S3操作腦機(jī)接口時(shí)的在線性能圖；圖6((1)為使用者S4操作腦機(jī)接口時(shí)的在線性能圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0026]基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法，包含以下步驟:
[0027]步驟1，參照?qǐng)D1，在使用者頭部視覺枕區(qū)Oz位置安放測(cè)量電極，在其單側(cè)耳垂位置Al或A2處安放參考電極，在其頭部前額處Fpz位置安放地電極，電極測(cè)得的腦電信號(hào)經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后送往計(jì)算機(jī)；
[0028]步驟2，參照?qǐng)D2和圖3，將3個(gè)按不同刺激頻率進(jìn)行穩(wěn)態(tài)振蕩的運(yùn)動(dòng)刺激單元通過計(jì)算機(jī)屏幕同時(shí)呈現(xiàn)在使用者面前，使用者頭部距離計(jì)算機(jī)屏幕約為70厘米，3個(gè)運(yùn)動(dòng)刺激單元按上、左下、右下位置呈等邊三角形分布呈現(xiàn)于計(jì)算機(jī)屏幕上，運(yùn)動(dòng)刺激單元直徑為300像素，其中心距屏幕中心距離為450像素，運(yùn)動(dòng)刺激單元采用白色單環(huán)，其寬度在運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)過程中保持不變，為其擴(kuò)張至最大時(shí)的外圓半徑的一半，這使得環(huán)形收縮至最小時(shí)其寬度不會(huì)因收縮而壓縮，以服從高斯分布的二維噪聲點(diǎn)掩蔽運(yùn)動(dòng)刺激單元，噪聲點(diǎn)更新頻率同步于屏幕刷新率，即1/60秒更新一次，噪聲點(diǎn)的灰度級(jí)在0-255之間，噪聲點(diǎn)的二維灰度均值為128，噪聲強(qiáng)度以高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差表征，通過選用不同噪聲強(qiáng)度驗(yàn)證不同視覺噪聲對(duì)大腦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響，每個(gè)噪聲點(diǎn)為邊長(zhǎng)4個(gè)像素點(diǎn)的方形區(qū)域，
[0029]刺激呈現(xiàn)過程中，運(yùn)動(dòng)刺激單元按正弦調(diào)制方式進(jìn)行收縮和擴(kuò)張，形成兩個(gè)方向上的周期往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)，據(jù)此形成3個(gè)運(yùn)動(dòng)刺激單元，由于可選刺激頻率受到屏幕刷新率的限制，在實(shí)驗(yàn)用60Hz計(jì)算機(jī)屏幕刷新率的條件下，在7~15Hz高信噪比頻段選用的刺激頻率如表1所示，
[0030]表1:運(yùn)動(dòng)刺激單元的刺激頻率與刷新幀數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系
[0031]
【權(quán)利要求】
1.基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法，其特征在于，含有以下步驟: 步驟1，在使用者頭部視覺枕區(qū)安放測(cè)量電極，在其單側(cè)耳垂位置處安放參考電極，在其頭部前額處安放地電極，電極測(cè)得的腦電信號(hào)經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后送往計(jì)算機(jī)； 步驟2，將2個(gè)以上的按不同刺激頻率進(jìn)行穩(wěn)態(tài)振蕩的運(yùn)動(dòng)刺激單元通過計(jì)算機(jī)屏幕同時(shí)呈現(xiàn)在使用者面前，使用者頭部距離計(jì)算機(jī)屏幕為50?100厘米，運(yùn)動(dòng)刺激單元采用白色單環(huán)，其寬度在運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)過程中保持不變，為其擴(kuò)張至最大時(shí)的外圓半徑的一半，這使得環(huán)形收縮至最小時(shí)其寬度不會(huì)因收縮而壓縮，以服從高斯分布的二維噪聲點(diǎn)掩蔽運(yùn)動(dòng)刺激單元，噪聲點(diǎn)更新頻率同步于屏幕刷新率，噪聲點(diǎn)的灰度級(jí)在0-255之間，噪聲點(diǎn)的二維灰度均值為128，噪聲強(qiáng)度以高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差表征，通過選用不同噪聲強(qiáng)度驗(yàn)證不同視覺噪聲對(duì)大腦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響； 步驟3，形成2個(gè)以上運(yùn)動(dòng)刺激單元后，按以下步驟進(jìn)行: 步驟3-1，使用者注視2個(gè)以上運(yùn)動(dòng)刺激單元中的任意一個(gè)，使用者注視的運(yùn)動(dòng)刺激單元稱為目標(biāo)，而其他運(yùn)動(dòng)刺激單元稱為非目標(biāo)； 步驟3-2，計(jì)算機(jī)同步采集刺激開始與結(jié)束標(biāo)志位，并通過測(cè)試電極采集腦電信號(hào)，使用GT2cto檢驗(yàn)法判別出刺激目標(biāo)，具體包含以下操作:首先，對(duì)腦電信號(hào)作濾波和陷波處理；其次，對(duì)原始腦電信號(hào)作預(yù)白化處理，消除低頻腦電成份的影響；再次，獲得腦電數(shù)據(jù)中依照刺激起始標(biāo)志位按不同的運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)刺激整周期進(jìn)行截?cái)嗟臄?shù)據(jù)段，經(jīng)快速傅里葉變換得到包含多個(gè)諧波分量的傅里葉向量；最后，將傅里葉向量代入GT2cto假設(shè)檢驗(yàn)中，得到相應(yīng)統(tǒng)計(jì)量，通過比較統(tǒng)計(jì)量相對(duì)于絕對(duì)零值的顯著程度，計(jì)算出不同刺激目標(biāo)下的顯著性概率； 步驟3-3，根據(jù)計(jì)算得到的每個(gè)刺激頻率對(duì)應(yīng)的顯著性概率，若其中最小值小于預(yù)設(shè)的顯著度水平，將最小值對(duì)應(yīng)的刺激頻率所屬的運(yùn)動(dòng)刺激單元判定為使用者所注視的目標(biāo)；步驟4，計(jì)算機(jī)通過屏幕指示出使用者所注視的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者的視覺反饋； 步驟5，計(jì)算機(jī)完成目標(biāo)識(shí)別后，返回步驟3，重復(fù)步驟3和步驟4，進(jìn)行下一次目標(biāo)識(shí)別任務(wù)。
【文檔編號(hào)】G06F3/01GK103970273SQ201410195978
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】徐光華, 謝俊, 張慶, 張鋒, 韓丞丞, 李葉平 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)