基于ssvep與osp的混合腦-機(jī)接口方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及腦-機(jī)接口炬rain-ComputerInte計(jì)ace,BCI)技術(shù)領(lǐng)域,具體設(shè)及基 于SSVEP與0SP的混合腦-機(jī)接口方法。
【背景技術(shù)】
[000引腦-機(jī)接口炬rainComputerInte計(jì)ace,BCI)是直接把大腦的活動信號轉(zhuǎn)化為 指令或控制信號的通訊系統(tǒng)。利用腦-機(jī)接口技術(shù),可W繞過神經(jīng)肌肉通路,直接把大腦活 動信號轉(zhuǎn)化為指令或控制信號來控制外部設(shè)備,該為因殘疾而喪失與外界溝通能力的人提 供了與外界進(jìn)行交流的可能性。因此,對腦-機(jī)接口的研究是近年來康復(fù)醫(yī)學(xué)研究的一個 熱點(diǎn)。另一方面,腦-機(jī)接口技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲娛樂和航天軍事等領(lǐng)域也展現(xiàn)了重要的 潛在應(yīng)用價值。
[0003] 視覺誘發(fā)電位是接受視覺刺激后在視覺皮質(zhì)上產(chǎn)生的大腦活動節(jié)律。當(dāng)刺激改變 的頻率在細(xì)ZW上時,大腦視覺系統(tǒng)產(chǎn)生的對外部持續(xù)周期性視覺刺激的響應(yīng),即為穩(wěn)態(tài) 視覺誘發(fā)電位(SteadyStateVisuallyEvoked化tential,SSVEF0?;赟SVEP的系統(tǒng) 主要優(yōu)點(diǎn)是無需訓(xùn)練,該類系統(tǒng)比較適合于多指令選擇的離散控制型應(yīng)用,如打字系統(tǒng)、操 作界面等。由于其能夠提供更多的指令、抗干擾能力強(qiáng)、所需訓(xùn)練時間短、記錄電極少等特 點(diǎn),在實(shí)用性BCI系統(tǒng)中展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用價值及應(yīng)用前景。在目前的SSVEP-BCI系統(tǒng) 應(yīng)用中,由于大腦的低通濾波效應(yīng),SSVEP主要利用30化W下的低頻區(qū)域。并且,受限于 顯示屏的刷新頻率W及響應(yīng)幅值等問題,可用于SSVEP識別的目標(biāo)頻率較少。因此,增加可 呈現(xiàn)的目標(biāo)數(shù)目、提高信息傳輸率對于將SSVEP-BCI推廣到實(shí)際應(yīng)用中有著重要的意義。
[0004] 重復(fù)性感官刺激的停止可W引起頭皮電位的一系列模式特征,該種缺省刺激電位 (omittedstimuluspotential,OSP),在視覺、聽覺W及感覺領(lǐng)域中都能夠被找到。0SP特 征根據(jù)刺激頻率的分別可W分為"快"、"慢"0SP兩種。"慢"0SP特征自1960年W來,就在 視覺和聽覺等領(lǐng)域得到了許多研究。"慢%SP特征通常出現(xiàn)在較低頻率化3-4HZ)重復(fù)性 刺激出現(xiàn)之后,有較長的潛伏期(一般〉〇.5s,但通常被稱為P300)。而"快"0SP特征出現(xiàn) 在較高頻率的閃爍刺激停止后,該兩種0SP特征都是在刺激缺失后有一個固定的波峰潛伏 期,與慢"0SP"的誘發(fā)不同,"快"0SP只需要受試者對刺激進(jìn)行盯視,不需要提供注意力。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的SSVEP-BCI系統(tǒng)提供目標(biāo)數(shù)較少的缺點(diǎn),本發(fā)明的目的 在于提供基于SSVEP與0SP的混合腦-機(jī)接口方法,實(shí)現(xiàn)了SSVEP特征與0SP特征的同時 誘發(fā)及識別,具有目標(biāo)數(shù)多、電極數(shù)目少、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0007] 基于SSVEP與0SP電位的混合腦-機(jī)接口方法,包括W下步驟:
[000引步驟1,受試者穿戴好電極帽,坐在計(jì)算機(jī)正前方,受試者頭部距離計(jì)算機(jī)屏幕為 60-80厘米,所有電極按照"國際10/20標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)"放置,記錄電極位于大腦枕部區(qū)域, 包括01、化、02、POz、P04、P08,參考電極位于左耳耳垂,地電極為巧z,給記錄電極及參考 電極、地電極注入導(dǎo)電膏,并確保其與頭皮接觸良好;
[0009] 步驟2,將SSVEP-0SP混合范式通過計(jì)算機(jī)屏幕在受試者面前播放,受試者選擇 一個刺激目標(biāo)進(jìn)行盯視,通過電極帽采集受試者盯視刺激目標(biāo)時產(chǎn)生的頭皮腦電信號, SSVEP-0SP混合范式在重復(fù)周期刺激中引入了刺激缺失,實(shí)現(xiàn)SSVEP和0SP特征的同時誘 發(fā),其中圓盤1、3W12hz的頻率閃爍,圓盤2、4WlOhz的頻率閃爍,圓盤1、2、3、4分別在 467ms、450ms、633、650ms時出現(xiàn)首次閃爍刺激缺失,閃爍刺激缺失有圓盤停頓在屏幕上一 個閃爍周期W及消失在屏幕上一個閃爍周期兩種缺失形式,任意選擇一種作為閃爍刺激缺 失方式,在一次刺激周期中,共出現(xiàn)四次閃爍刺激缺失,每次閃爍刺激缺失距上一次的缺失 間隔為四次閃爍周期,即lOhz下缺失間隔為333ms,12hz下缺失間隔為400ms,一次刺激周 期長度為2. 5s,經(jīng)過腦電采集儀放大、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換后,將數(shù)字化的腦電信號輸入計(jì)算 機(jī),其中,腦電信號的采集采用16導(dǎo)排SBamp放大器作為采集硬件,放大器的采樣頻率為 120化Z,硬件濾波包括了 0. 05-100hz的帶通濾波及48-52hz的帶阻濾波;
[0010] 步驟3,對腦電信號處理,包括腦電信號的預(yù)處理及對SSVEP特征及0SP特征的提 取識別;
[0011] 步驟4,計(jì)算機(jī)通過屏幕輸出識別結(jié)果,實(shí)現(xiàn)對受試者的視覺反饋;
[0012] 步驟5,計(jì)算機(jī)完成目標(biāo)識別反饋后,返回步驟2,重復(fù)步驟2、3、4,進(jìn)行下一步的 目標(biāo)識別。
[0013] 所述的步驟3對腦電信號的預(yù)處理及對SSVEP特征及0SP特征的提取識別,包括 W下步驟:
[0014] 步驟3-1,對腦電信號的預(yù)處理,去除時間序列中的直流成分W及l(fā)-45hz的帶通 濾波;
[0015] 步驟3-2,對SSVEP特征的特征提取及分類識別,實(shí)現(xiàn)方法為典型相關(guān)分析 (CanonicalCorrelationAnalysis,CCA),將經(jīng)過信號預(yù)處理后電極 01、0z、02、P0z、P04、 P08記錄到的數(shù)據(jù)分別與不同刺激頻率基頻及二倍頻、四倍頻的正余弦信號求取典型相關(guān) 系數(shù),在k個刺激頻率對應(yīng)的k個最大CCA系數(shù)Pk中,具有最大值的系數(shù)被識別為用戶注 視的目標(biāo)頻率對應(yīng)的CCA系數(shù);
[0016] 步驟3-3,對0SP特征的特征提取及分類識別,在SSVEP特征識別完成之后進(jìn)行,使 用支持向量機(jī)(SVM)及樸素貝葉斯分析完成0SP特征的提取W及識別,0SP特征提取及識 別包括W下幾個步驟:
[0017] 3-3-1)數(shù)據(jù)平均;根據(jù)SSVEP特征識別得到的結(jié)果,按識別頻率對應(yīng)目標(biāo)刺激缺 失時刻作為起始時標(biāo),對刺激缺失后0~500ms內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加平均;
[0018] 3-3-2) 0SP特征提?。粚τ谄骄蟮臄?shù)據(jù),定義在C電極在時間點(diǎn)t處記錄到的頭 皮電位為Xe(t),在給定時間點(diǎn)集T=咕,'''tT}的情況下,X(C,T) = [Xe(ti), . . .,Xe(tT)] 為在電極c處記錄的時域信息,在給定時間集T= {Ti, = {{125ms-150ms},..., {350ms-375ms}}及記錄電極集C= (01,Oz,02,POz,P04,PO到,的情況下,將在不同時間集 及不同記錄電極中記錄到的時空特征集{xi(C,Ti) = [x(Ci,Ti),...,x(Cm,Ti)],...,Xi〇(C ,Tio) =[X(c。Tio),. ..,X(Cm,Tio) ]}作為特征向量;
[0019] 3-3-3)特征訓(xùn)練及在線識別;在進(jìn)行在線判別前,對不同頻率的數(shù)據(jù)分別訓(xùn)練 產(chǎn)生訓(xùn)練樣本,每個頻率對應(yīng)14*16組訓(xùn)練樣本,對訓(xùn)練樣本中特征矩陣進(jìn)行分類生成 分類器,分別對xi佑Ti),. . .,Xw(C,Ti。)進(jìn)行SVM分類,得到第一層的分類結(jié)果dj (j= (1,2,...,10}),則;
[0020]Pjki= P(d j=k|c=l)k, 1=0, 1
[002U其中,c為正確的OSP標(biāo)簽,根據(jù)bayes公式,得到第一層SVM分類結(jié)果為盯視目 標(biāo)的概率:
[0022]
[002引其中,Pj0l,Pjll,Pjl0,Pj00通過bayes訓(xùn)練得到,dj通過第一層SVM分類得到,對比按照上述步驟3-2中閃爍頻率判別結(jié)果對應(yīng)不同刺激缺失時刻平均并分類后的結(jié)果,得到P 值較大的則判斷為最終識別目標(biāo);
[0024] 所述的SVM,naivebayes分類及判別函數(shù)均來自于DondersMachineLearning Too化ox工具箱,SVM采用的核函數(shù)為線性核函數(shù)。
[0025] 本發(fā)明的有益效果;針對目前基于SSVEP的BCI系統(tǒng)刺激目標(biāo)數(shù)目少、刺激時間 長、實(shí)驗(yàn)范式簡單導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性不高、信息傳輸率低的問題,提出了SSVEP特征與0SP 特征同時誘發(fā)的混合BCI范式,對各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化處理,并提出了相應(yīng)的SSVEP特征與0SP特 征提取識別方法,為實(shí)現(xiàn)構(gòu)建W高效和無損為最終目標(biāo),具有操作簡單、電極數(shù)目少、目標(biāo) 數(shù)多的腦-機(jī)接口技術(shù)開辟了新的思路,顯示了如下優(yōu)越性:
[0026] (1)提出了基于SSVEP與0SP的混合腦機(jī)接口范式,翻倍增加了可選目標(biāo)數(shù),并且 對范式參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,保證刺激目標(biāo)的閃爍與閃爍缺失對受試者SSVEP特征與0SP特征 的誘發(fā)有最高的效率。
[0027] (2)少次平均0SP特征的提取及識別方法:對0SP特征少次平均后特征提取及識 別方案,保證了在四次數(shù)據(jù)平均后對0SP特征的有效提取及識別,提高腦-機(jī)接口的辨識效 率,保障腦-機(jī)接口信息的高效傳輸。
【附圖說明】
[002引圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
[0029] 圖2是本發(fā)明中的電極放置示意圖。
[0030]圖3是本發(fā)明的刺激序列圖,其中圖A為刺激目標(biāo)在屏幕上的分布圖,圖B為刺激 形式圖。
[0031] 圖4是本發(fā)明中數(shù)據(jù)的在線處理方法流程圖。
[003引圖5是lOhz及12hz閃爍頻率下SSVEP響應(yīng)的幅度-頻率曲線圖。
[0033] 圖6是64次疊加平均后0SP特征的提取圖,淺色曲線為平均后的結(jié)果,深色曲線 為采用小波變換模極大值重構(gòu)后的0SP特征提取圖。
[0034] 圖7是采用SSVEP信息與0SP信息和單純采用SSVEP信息達(dá)到的信息傳輸率對比 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0036] 基于SSVEP與OSP的混合腦-機(jī)接口方法,包括W下步驟:
[0037] 步驟1,參照圖1,受試者穿戴好電極帽,坐在計(jì)算機(jī)正前方,受試者頭部距離計(jì)算 機(jī)屏幕為60-80厘米,所有電極按照"國際10/20標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)"放置,放置方式如圖2所 示,記錄電極位于大腦枕部區(qū)域,包括01、Oz、02、P化、P04、P08,參考電極位于左耳耳垂,地 電極為巧Z,給記錄電極及參考電極、地電極注入導(dǎo)電膏,并確保其與頭皮接觸良好;
[003引步驟2,將SSVEP-0SP混合范式通過計(jì)算機(jī)屏幕在受試者面前播放,如圖3所示,受 試者選擇一個刺激目標(biāo)進(jìn)行盯視,通過電極帽采集受試者盯視刺激目標(biāo)時產(chǎn)生的頭皮腦電 信號;
[0039] 系統(tǒng)刺激范式中刺激目標(biāo)分布如圖3A所示,四個圓盤按左、上、右、下等距分布在 屏幕的四個方位,電腦刷新頻率為60hz,圓盤1、3W12hz的頻率閃爍,圓盤2、4WlOhz的 頻率閃爍,圓盤1、2、3、4分別在467ms、450ms、633、650ms時出現(xiàn)首次閃爍刺激缺失,閃爍刺 激缺失有圓盤停頓在屏幕上一個閃爍周期W及消失在屏幕