基于點(diǎn)通濾波的頻率相位混合解碼腦機(jī)接口方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于點(diǎn)通濾波的頻率相位混合解碼腦機(jī)接口方法及其裝置，涉及數(shù)字信號處理領(lǐng)域，所述方法包括：用系數(shù)g(n)對SSVEP信號進(jìn)行濾波得到y(tǒng)(n)；對點(diǎn)通濾波輸出信號y(n)做FFT，得到最終的譜分析結(jié)果Y(k)；從峰值譜Y(m1)與Y(m2)上分別讀出相位值與并分別進(jìn)一步算出校正后的相位值和以f1、f2作為頻率解碼輸出，作為相位解碼輸出。裝置包括：將采集到的信號x(t)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化器采樣得到樣本序列x(n)，以并行數(shù)字輸入的形式進(jìn)入DSP器件，經(jīng)過DSP器件的內(nèi)部處理，得到信號的參數(shù)估計；再借助輸出驅(qū)動及其顯示模塊顯示受試者發(fā)出的命令，最后外部設(shè)備響應(yīng)對應(yīng)的命令。
【專利說明】基于點(diǎn)通濾波的頻率相位混合解碼腦機(jī)接口方法及其裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字信號處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于點(diǎn)通濾波的頻率相位混合解碼腦機(jī)接口方法及其裝置，具體涉及腦機(jī)接口裝置中采用任意頻率的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位作激勵源時，通過中心頻點(diǎn)可控的點(diǎn)通濾波器準(zhǔn)確濾出信號并進(jìn)行目標(biāo)識別。
【背景技術(shù)】
[0002]為了實現(xiàn)與外部環(huán)境的交流和控制[1]，提高生活質(zhì)量,腦機(jī)接口(Brain-ComputerInterface，簡記為BCI) [2]應(yīng)運(yùn)而生。腦機(jī)接口不依賴于大腦的正常輸出通路，而是在人腦和計算機(jī)或者其他電子設(shè)備之間建立一種直接的信息交流控制通道[3]。通過提取腦電信號的特征，并將識別出的大腦指令或者信息傳遞給被控制的外部設(shè)備，最終可完成大腦對外部設(shè)備的直接控制。
[0003]研究表明，當(dāng)外界對大腦視覺皮層進(jìn)行大于6Hz閃爍激勵時，通過提取枕區(qū)腦電信號(EEG)就會獲得穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位M。由于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(steady-state visualevoked potential (SSVEP) -based SSVEP)具有非侵犯性、系統(tǒng)配置簡單、訓(xùn)練時間短及其高信息轉(zhuǎn)化率等優(yōu)勢，近年來基于SSVEP的腦機(jī)接口發(fā)展迅速。
[0004]顯然，SSVEP信號蘊(yùn)含著豐富的病理、生理及心理信息，是醫(yī)學(xué)診斷、大腦意識和認(rèn)知等科研活動的重要工具。但實際在大腦頭皮處用電極采集的腦電信號非常微弱(只有微伏級)，還主要受到兩種干擾:一種是多種偽跡成分(如工頻干擾、眼電和肌電偽跡等)，該干擾非常不利于純凈腦電信號的提取及分析[5’6];另一種為當(dāng)受試者注視某激勵塊注意力不集中時，因顯示器屏幕同時呈現(xiàn)多個不同頻率或相位的激勵塊，這些干擾激勵塊對視覺神經(jīng)產(chǎn)生較大的干擾。因此，為實現(xiàn)高精度地目標(biāo)識別，必須引入預(yù)處理措施濾除以上各種干擾。
[0005]然而早期的大多SSVEP-BCI系統(tǒng)忽視了對干擾的預(yù)處理操作。例如文獻(xiàn)[7，8]直接使用典型相關(guān)分析(Cononical Correlation Analysisi, CCA)對不同SSEVP激勵頻率進(jìn)行目標(biāo)識別，然而CCA需要額外的參考信號才可實現(xiàn)；再如文獻(xiàn)[9]直接采用FFT方法對SSVEP信號作頻率及相位解碼，雖然FFT可以一定程度上將噪聲和有用激勵信號在頻率軸上區(qū)分開來，但FFT固有的譜泄漏效應(yīng)會降低區(qū)分度，導(dǎo)致后續(xù)的信號解碼不夠精準(zhǔn)。
[0006]目前也有學(xué)者對去除腦電信號中的噪聲干擾進(jìn)行了研究，如采用帶阻濾波器[1°]、梳狀濾波器[11]、帶通濾波器[12]、小波降噪[13’14]等方法。文獻(xiàn)[10]意圖采用帶阻濾波器來消除50Hz工頻干擾，但在采用FIR數(shù)字濾波器實現(xiàn)時，因技術(shù)所限，其濾波器僅能實現(xiàn)帶阻的傳輸特性(阻帶設(shè)為45至55Hz)，而無法實現(xiàn)精細(xì)到50Hz單頻點(diǎn)的陷波，這不可避免地會對50Hz周圍的有用腦電成分造成損傷；文獻(xiàn)[11]提出將梳狀濾波器應(yīng)用到腦機(jī)接口信號預(yù)處理環(huán)節(jié)，但梳狀濾波器同樣存在通帶過寬的缺點(diǎn)，且只能去除有限個特定頻點(diǎn)的干擾，無法實現(xiàn)去除任意頻率成分的干擾；在文獻(xiàn)[12]中，作者采用4階巴特沃斯帶通IIR濾波器去除噪聲干擾，該濾波器的傳輸通帶為29Hz?35Hz，故可去除該通帶外的干擾，而保留中心頻率為32Hz的激勵頻率成分，但很明顯，該濾波器通帶仍過寬，另外由于IIR濾波器存在非線性相位的固有缺陷，故容易造成附加相位失真，難以保證相位提取精度。對于文獻(xiàn)[13，14]的基于小波分解的降噪方法，因小波域降噪需要在多級分解來實現(xiàn)，步驟比較繁瑣，且每級分解所觀測的仍只是某個頻帶，而不是某個頻點(diǎn)，而SSVEP是采用單頻點(diǎn)激勵，故基于小波降噪的SSEVP目標(biāo)識別仍存在提升空間。
[0007]因此，為提高腦機(jī)接口系統(tǒng)的性能及特征識別的準(zhǔn)確率，其濾波預(yù)處理過程十分重要，基于對現(xiàn)有預(yù)處理的缺陷分析，為保證純凈、快速、不失真地提取SSVEP的編碼信息，以準(zhǔn)確識別出控制命令，濾波預(yù)處理措施應(yīng)盡量滿足如下幾點(diǎn):(I)濾波器帶寬越窄，濾出的信號則越干凈，后續(xù)的解碼精度則越高；(2)對于包含相位信息編碼的SSVEP-BCIs，預(yù)處理必須保證濾波器本身具有線性相位性，否則，測得的相位值則不準(zhǔn)確，嚴(yán)重影響到后續(xù)解碼精度；(3)干擾預(yù)消除措施應(yīng)盡量步驟簡單。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提 供了一種基于點(diǎn)通濾波的頻率相位混合解碼腦機(jī)接口方法及其裝置，本發(fā)明去除了因各種噪聲和激勵存在頻偏所產(chǎn)生的干擾，滿足了高準(zhǔn)確度識別SSVEP命令的需求，詳見下文描述:
[0009]一種基于點(diǎn)通濾波的頻率相位混合解碼腦機(jī)接口方法，所述方法包括以下步驟:
[0010](I)對輸入的SSVEP信號做N點(diǎn)FFT，得到初步譜分析結(jié)果X(k)，k = 0，I,…，N-1，并搜索最高的兩處FFT譜線，分別記錄每簇譜線的譜峰位置k = Hl1與k = m2 ;
[0011](2)從預(yù)先設(shè)定的激勵頻率表f1; f2至fn中分別選出與Hi1 Δ f，m2 Δ f最接近的2個頻率，假設(shè)為與f2，確定參數(shù)λ i與λ 2，Λ f為頻率分辨率；
[0012](3)利用HI1與入1值、!!12與入2值以及卷積窗值we(n)，配置長度為2N-1的點(diǎn)通FIR濾波器的系數(shù)g (η)；
[0013](4)用系數(shù)g(n)對SSVEP信號進(jìn)行濾波得到y(tǒng) (η)；
[0014](5)對點(diǎn)通濾波輸出信號y(n)做FFT，得到最終的譜分析結(jié)果Y (k)，k = 0，1，...,N-1 ；
[0015](6)從峰值譜Y(Hi1)與Y(m2)上分別讀出相位值的與巧’并分別進(jìn)一步算出校正后的相位值色和壚
[0016](7)以作為頻率解碼輸出，(色一多2)—朽'作為相位解碼輸出，其中％為預(yù)先設(shè)定。
[0017]所述參數(shù)入1與入2為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于點(diǎn)通濾波的頻率相位混合解碼腦機(jī)接口方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)對輸入的SSVEP信號做N點(diǎn)FFT，得到初步譜分析結(jié)果X(k)，k= O，1，…，N-1,并搜索最高的兩處FFT譜線，分別記錄每簇譜線的譜峰位置k = Hl1與k = m2 ; (2)從預(yù)先設(shè)定的激勵頻率表f1;f2至fn中分別選出與Hi1 Λ f，m2 Λ f最接近的2個頻率，假設(shè)為與f2，確定參數(shù)λ i與λ 2，Λ f為頻率分辨率； (3)利用Hi1與入1值、!!12與λ2值以及卷積窗值w。(n)，配置長度為2Ν-1的點(diǎn)通FIR濾波器的系數(shù)g (η)； (4)用系數(shù)g(n)對SSVEP信號進(jìn)行濾波得到y(tǒng)(η)； (5)對點(diǎn)通濾波輸出信號y(η)做？?1'，得到最終的譜分析結(jié)果￥(10，1^= 0，1，"％^1 ； (6)從峰值譜Y(Hi1)與Y(m2)上分別讀出相位值I與《V并分別進(jìn)一步算出校正后的相位值務(wù)和色； (7)以f\、f2作為頻率解碼輸出，(A-色)作為相位解碼輸出，其中％為預(yù)先設(shè)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點(diǎn)通濾波的頻率相位混合解碼腦機(jī)接口方法，其特征在于，所述參數(shù)入1與入2為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點(diǎn)通濾波的頻率相位混合解碼腦機(jī)接口方法，其特征在于，所述系數(shù)g (η)為

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點(diǎn)通濾波的頻率相位混合解碼腦機(jī)接口方法，其特征在于，所述校正后的相位值和色為
φ' = ^1-1) / N 與 ijh; φ2—λ2%{Ν—\) /N D
5.一種基于點(diǎn)通濾波的頻率相位混合解碼腦機(jī)接口裝置，包括:模數(shù)轉(zhuǎn)化器，DSP器件和輸出驅(qū)動及其顯示模塊，其特征在于， 將采集到的信號x(t)經(jīng)過所述模數(shù)轉(zhuǎn)化器采樣得到樣本序列X (η)，以并行數(shù)字輸入的形式進(jìn)入所述DSP器件，經(jīng)過所述DSP器件的內(nèi)部處理，得到信號的參數(shù)估計；再借助所述輸出驅(qū)動及其顯示模塊顯示受試者發(fā)出的命令，最后外部設(shè)備響應(yīng)對應(yīng)的命令。
【文檔編號】H03H17/02GK104007823SQ201410255543
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】黃翔東, 孟天偉, 呂衛(wèi) 申請人:天津大學(xué)