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(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為 指令或控制信號(hào)的通訊系統(tǒng)。利用腦-機(jī)接口技術(shù)，可W繞過(guò)神經(jīng)肌肉通路，直接把大腦活 動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為指令或控制信號(hào)來(lái)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(duì)腦-機(jī)接口的研究是近年來(lái)康復(fù)醫(yī)學(xué)研究的一個(gè) 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(lè)和航天軍事等領(lǐng)域也展現(xiàn)了重要的 潛在應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 視覺(jué)誘發(fā)電位是接受視覺(jué)刺激后在視覺(jué)皮質(zhì)上產(chǎn)生的大腦活動(dòng)節(jié)律。當(dāng)刺激改變 的頻率在細(xì)ZW上時(shí)，大腦視覺(jué)系統(tǒng)產(chǎn)生的對(duì)外部持續(xù)周期性視覺(jué)刺激的響應(yīng)，即為穩(wěn)態(tài) 視覺(jué)誘發(fā)電位（SteadyStateVisuallyEvoked化tential，SSVEF0?；赟SVEP的系統(tǒng) 主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)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(shí)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(jià)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(wèn)題，可用于SSVEP識(shí)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(duì)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(jué)、聽(tīng)覺(jué)W及感覺(jué)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(lái)，就在 視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)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(zhǎng)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(gè)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(duì)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(shí) 誘發(fā)及識(shí)別，具有目標(biāo)數(shù)多、電極數(shù)目少、操作簡(jiǎn)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(guó)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(guò)計(jì)算機(jī)屏幕在受試者面前播放，受試者選擇 一個(gè)刺激目標(biāo)進(jìn)行盯視，通過(guò)電極帽采集受試者盯視刺激目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的頭皮腦電信號(hào)， 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(shí)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(shí)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(gè)閃爍周期W及消失在屏幕上一個(gè)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(zhǎng)度為2. 5s，經(jīng)過(guò)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(hào)輸入計(jì)算 機(jī)，其中，腦電信號(hào)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(duì)腦電信號(hào)處理，包括腦電信號(hào)的預(yù)處理及對(duì)SSVEP特征及0SP特征的提 取識(shí)別；
[0011] 步驟4,計(jì)算機(jī)通過(guò)屏幕輸出識(shí)別結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)受試者的視覺(jué)反饋；
[0012] 步驟5,計(jì)算機(jī)完成目標(biāo)識(shí)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(shí)別。
[0013] 所述的步驟3對(duì)腦電信號(hào)的預(yù)處理及對(duì)SSVEP特征及0SP特征的提取識(shí)別，包括 W下步驟：
[0014] 步驟3-1，對(duì)腦電信號(hào)的預(yù)處理，去除時(shí)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(duì)SSVEP特征的特征提取及分類識(shí)別，實(shí)現(xiàn)方法為典型相關(guān)分析 (CanonicalCorrelationAnalysis,CCA)，將經(jīng)過(guò)信號(hào)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(hào)求取典型相關(guān) 系數(shù)，在k個(gè)刺激頻率對(duì)應(yīng)的k個(gè)最大CCA系數(shù)Pk中，具有最大值的系數(shù)被識(shí)別為用戶注 視的目標(biāo)頻率對(duì)應(yīng)的CCA系數(shù)；
[0016] 步驟3-3，對(duì)0SP特征的特征提取及分類識(shí)別，在SSVEP特征識(shí)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(shí)別，0SP特征提取及識(shí) 別包括W下幾個(gè)步驟：
[0017] 3-3-1)數(shù)據(jù)平均；根據(jù)SSVEP特征識(shí)別得到的結(jié)果，按識(shí)別頻率對(duì)應(yīng)目標(biāo)刺激缺 失時(shí)刻作為起始時(shí)標(biāo)，對(duì)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特征提取；對(duì)于平均后的數(shù)據(jù)，定義在C電極在時(shí)間點(diǎn)t處記錄到的頭 皮電位為Xe(t)，在給定時(shí)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(shí)域信息，在給定時(shí)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(shí)間集 及不同記錄電極中記錄到的時(shí)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(shí)別；在進(jìn)行在線判別前，對(duì)不同頻率的數(shù)據(jù)分別訓(xùn)練 產(chǎn)生訓(xùn)練樣本，每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)14*16組訓(xùn)練樣本，對(duì)訓(xùn)練樣本中特征矩陣進(jìn)行分類生成 分類器，分別對(duì)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(guò)bayes訓(xùn)練得到，dj通過(guò)第一層SVM分類得到，對(duì)比按照上述步驟3-2中閃爍頻率判別結(jié)果對(duì)應(yīng)不同刺激缺失時(shí)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(shí)別目標(biāo)；
[0024] 所述的SVM，naivebayes分類及判別函數(shù)均來(lái)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(duì)目前基于SSVEP的BCI系統(tǒng)刺激目標(biāo)數(shù)目少、刺激時(shí)間 長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)范式簡(jiǎn)單導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性不高、信息傳輸率低的問(wèn)題，提出了SSVEP特征與0SP 特征同時(shí)誘發(fā)的混合BCI范式，對(duì)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(shí)別方法，為實(shí)現(xiàn)構(gòu)建W高效和無(wú)損為最終目標(biāo)，具有操作簡(jiǎn)單、電極數(shù)目少、目標(biāo) 數(shù)多的腦-機(jī)接口技術(shù)開(kāi)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(duì)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(duì)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(shí)別方法：對(duì)0SP特征少次平均后特征提取及識(shí) 別方案，保證了在四次數(shù)據(jù)平均后對(duì)0SP特征的有效提取及識(shí)別，提高腦-機(jī)接口的辨識(shí)效 率，保障腦-機(jī)接口信息的高效傳輸。
【附圖說(shuō)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(duì)比 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對(duì)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?qǐng)D1，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(guó)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(guò)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(gè)刺激目標(biāo)進(jìn)行盯視，通過(guò)電極帽采集受試者盯視刺激目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的頭皮腦電 信號(hào)；
[0039] 系統(tǒng)刺激范式中刺激目標(biāo)分布如圖3A所示，四個(gè)圓盤按左、上、右、下等距分布在 屏幕的四個(gè)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(shí)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(gè)閃爍周期W及消失在屏幕