CN102799267B - Ssvep及阻断和p300三特征多脑-机接口方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械领域。为能够大幅度的提高***信息传输率，本发明采取的技术方案是，SSVEP及阻断和P300三特征多脑-机接口方法，包括如下步骤：借助于包括脑电电极和脑电放大器、脑电滤波器的脑电采集***和计算机实现，其中计算机又包括EEG分析程序和刺激诱发用户界面；使用脑电采集***采集多通道的脑电数据：脑电信号在大脑皮层产生，由脑电电极探测后经过脑电放大器放大、滤波后输入计算机；采集到得脑电数据再经过后续的数据处理提取相应的SSVEP，SSVEP阻断和P300特征信号，从而将这些特征应用于实验任务的模式识别。本发明主要应用于医疗器械的设计制造。

Description

SSVEP及阻断和P300三特征多脑-机接口方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及医疗器械中采用的SSVEP及阻断和P300三特征多脑-机接口方法。

背景技术

正常人在受到某一频率(一般大于6Hz)的闪烁刺激时，对应的脑电里会出现和刺激频率或其谐波一致的响应，该响应就是所谓的稳态视觉诱发电位；P300则是在靶目标刺激后300ms左右在脑电中出现的一个正峰；SSVEP阻断(SSVEPB)则是在SSVEP和P300融合的新范式中出现的SSVEP信号的能量在目标刺激发生时受到抑制的现象。

第一次脑-机接口(Brain-Computer Interface，BCI)国际会议给出的BCI的定义是：“BCI是一种不依赖于大脑***神经与肌肉正常输出通道的通讯控制***。”目前的研究成果中，它主要是通过采集和分析不同状态下人的脑电信号，然后使用一定的工程技术手段在人脑与计算机或其它电子设备之间建立起直接的交流和控制通道，从而实现一种全新的信息交换与控制技术，可以为残疾人特别是那些丧失了基本肢体运动功能但思维正常的病人提供一种与外界进行信息交流与控制的途径。即可以不需语言或肢体动作，直接通过控制脑电来表达意愿或操纵外界设备。为此，BCI技术也越来越受到重视。

近年来，混合范式的BCI(hybrid BCI，HBCI)作为BCI***发展的一个新方向而受到了广泛的研究。HBCI***是将一个子BCI***与其他人-机接口***结合，从而更快、更准地输出控制命令。纯混合范式的BCI(pure hybrid BCI，PHBCI)***则是将多个子BCI***结合在一起。目前存在的PHBCI***大多结合SSVEP与ERD信号，或者结合P300与ERD信号。这类PHBCI***将多种不同EEG信号平行处理，即把不同的EEG信号用来处理不同的任务。这种混合方式虽然能够在多任务情况下提高执行效率，但是无法改善单一任务的判断正确率。

同为视觉诱发的P300电位与SSVEP脑电信号的结合存在着天然的便利性。P300电位是认知电位，而SSVEP是由外界刺激被动产生的，因此两者的出现不存在机制上的矛盾。另一方面，P300电位的产生区域与SSVEP信号的产生区域存在差别，这又避免了两种特征信号在空间上的冲突。Panicker等人提出了一种基于SSVEP和P300信号的异步PHBCI***。这种***的优势是利用SSVEP特征信号作为受试者的状态开关，然而对于提高任务的判断正确率和信息传输率仍然是无益的。

另外，传统的脑-机接口通常只有一个***，因此执行效率普遍较低。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，能够大幅度的提高***信息传输率，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，SSVEP及阻断和P300三特征多脑-机接口方法，包括如下步骤：借助于包括脑电电极和脑电放大器、脑电滤波器的脑电采集***和计算机实现，其中计算机又包括EEG分析程序和刺激诱发用户界面；使用脑电采集***采集多通道的脑电数据，受试者安静地坐于距屏幕约1m的靠椅上，注视计算机屏幕上的刺激范式的闪烁，闪烁过程中心中默数目标字符闪烁的次数；在此过程中受试者脑电会产生相应的变化：脑电信号在大脑皮层产生，由脑电电极探测后经过脑电放大器放大、滤波后输入计算机；采集到得脑电数据再经过后续的数据处理提取相应的SSVEP，SSVEP阻断和P300特征信号，从而将这些特征应用于实验任务的模式识别。

计算机屏幕上的刺激范式的闪烁具体为：当某一字符作为刺激即处于event时期，除该字符外，其他所有字符都亮暗交替呈现在屏幕上，交替呈现的频率在6Hz以上，处于event时期的字符亮度不变，但是字体形状发生变化；当受试者接受非target刺激时，能够诱发其产生SSVEP特征脑电；当受试者接受target刺激时，SSVEP信号将受到阻断，与此同时将产生P300电位。

每个SSVEP、SSVEP阻断和P300三特征的多脑-机接口都是一个独立的BCI***；计算机屏幕上的刺激范式是在使用者面前同时呈现多个不同命令集的刺激界面，每个刺激界面分别为一个SSVEP、SSVEP阻断和P300三特征的多脑-机接口的刺激界面；多个不同命令集的刺激界面除了闪烁频率和字符不同之外，其他的参数都完全一样；当使用者想选择一个字符而注视该字符时，通过判断使用者的SSVEP频段特征和SSVEPB频段特征而先确定使用者在注视哪个刺激界面，然后根据SSVEPB和P300的出现时间来确定使用者在注视哪个字符。

利用信息传输率来表示多脑-机接口的工作效率，其表达式如下

$\mathrm{ITR}=\frac{60(P{\log }_{2}P+(1-P){\log }_2\left(\frac{1-P}{N-1}\right)+{\log }_{2}N)}{T}$

式中：P为字符识别正确率，N为待选字符数，T为选择时间。

本发明的技术特点及效果：

与传统单一BCI***相比，能够大幅度的提高***信息传输率。该***能够诱发SSVEP，SSVEP阻断和P300特征，并且利用SSVEP和SSVEP阻断信号控制多个BCI***的切换，利用SSVEP阻断和P300信号实现对字符的选择，该项发明所涉及的三种信号特征诱发机制不同，避免了机制上的矛盾；SSVEP和SSVEP阻断信号的产生时间不同；SSVEP阻断和P300信号的产生空间位置和频率域不同；SSVEP和P300信号的产生时间、空间和频率域均不同。进一步研究可以得到完善的脑-机接口***，有望获得可观的社会效益和经济效益。

附图说明

图1本发明装置的结构框图。

图2P300-SSVEP-Speller范式。

图3P300-SSVEP-Speller时序图。

图4并行混合脑机接口***界面设计。

具体实施方式

本发明设计了一种基于SSVEP，SSVEP阻断和P300三特征的多模式脑-机接口(BCI)刺激范式，将SSVEP特征，SSVEPB特征和P300特征有效得结合起来，建立多个不同模式并行运作的BCI***，从而扩展了BCI命令集，大幅度的提高BCI的信息传输率。

其技术流程是：设计新范式实验，搭建好实验所需的脑电信号采集装置，然后在实验***指导下，采集操作者脑电信号数据，将其存储后再进行一定的预处理、特征提取，最后使用线性判别分析进行分类计算其判断正确率和信息传输率。

本发明提出了一种新的多PHBCI并行***，该***能够同时诱发SSVEP，SSVEPB与P300特征，并且可以在时间，空间和频率域上将三者分离开来，而这三种不同特征信号的有效结合能够明显的提高BCI***的信息传输率。

本发明的主旨是提出一种新的多BCI并行***诱发范式，与传统单一BCI***相比，能够大幅度的提高***信息传输率。该***能够诱发SSVEP，SSVEP阻断和P300特征，并且利用SSVEP和SSVEP阻断信号控制多个BCI***的切换，利用SSVEP阻断和P300信号实现对字符的选择，该项发明所涉及的三种信号特征诱发机制不同，避免了机制上的矛盾；SSVEP和SSVEP阻断信号的产生时间不同；SSVEP阻断和P300信号的产生空间位置和频率域不同；SSVEP和P300信号的产生时间、空间和频率域均不同。进一步研究可以得到完善的脑-机接口***，有望获得可观的社会效益和经济效益。

图1为本发明装置的结构示意图。该设计包括脑电电极和脑电放大器等脑电采集***和计算机等部分，其中计算机部分又包括EEG分析程序的设计和用户界面主要是刺激诱发界面的设计。使用Neurosean公司生产的脑电数字采集***采集脑电，采集多通道的脑电数据。受试者安静地坐于距屏幕约1m的靠椅上，注视计算机屏幕上的刺激范式的闪烁，闪烁过程中心中默数目标字符闪烁的次数(有利于集中受试者精力)。在此过程中受试者脑电会产生相应的变化：脑电信号在大脑皮层产生，由脑电电极探测后经过脑电放大器放大、滤波后输入计算机。采集到得脑电数据再经过后续的数据处理提取相应的SSVEP，SSVEP阻断和P300特征信号，从而将这些特征应用于实验任务的模式识别。

本发明要点在于视觉刺激诱发方案的设计。

1视觉刺激诱发方案的设计

P300-SSVEP-Speller在Farwell字符矩阵实验的基础上做了改进，如图2所示。每个字通过改变字体刺激其产生P300电位。与此同时，其他字符以一定频率稳定闪烁。当字符5作为刺激时，图2a和图2b分别在计算机屏幕上交替呈现，其频率为15Hz(可以为其他大于6Hz的频率)。因此，当受试者接受非target刺激时，能够诱发其产生SSVEP特征脑电；当受试者接受target刺激时，SSVEP信号将受到阻断，与此同时将产生P300电位。每个字符的位置是固定不变的，字符5刺激时如图2所示。Target刺激就是受试者所关注的字符发生了动作变化，如果受试者现在关注着字符2，那么只有字符2改变字体才是target刺激。

图3是P300-SSVEP-Speller范式的单个字符闪烁时序图。在字符发生event外，该字符一直以某个固定的频率闪烁。

每个P300-SSVEP-Speller都是一个独立的BCI***。本发明在基于P300-SSVEP-Speller的基础上，设计了多个并行运作的BCI***。以两个BCI***为例，其***界面设计示意图如图4所示。在使用者面前同时提供两个字符操作见面，分别为数字界面和字母界面，每个界面都是一个独立的P300-SSVEP-Speller***。这两个BCI***除了各种的闪烁频率(假设数字界面以15Hz闪烁，字符界面以16Hz闪烁)和字符命令不同之外，其他的参数都完全一样。那么当使用者想选择一个字符命令而注视该字符时，我们可以通过判断使用者的SSVEP频段特征和SSVEPB频段特征而先确定使用者在注视哪个BCI***，然后根据SSVEPB和P300的出现时间来确定使用者在注视哪个字符。

2信息传输率

通常利用信息传输率来表示BCI***的工作效率，其表达式如下

$\mathrm{ITR}=\frac{60(P{\log }_{2}P+(1-P){\log }_2\left(\frac{1-P}{N-1}\right)+{\log }_{2}N)}{T}$

式中：P为字符识别正确率，N为待选字符数，T为选择时间。

有益效果

本设计范式能够大幅度的提高BCI***的信息传输率，以5.1的两个独立***的多BCI并行***为例，比传统单一BCI***的信息传输率提高至少30％。如果利用3个独立P300-SSVEP-Speller构成多BCI并行***，那么其信息传输率至少提高49％。

本发明设计了一种基于SSVEP、SSVEP阻断和P300三特征的并行混合范式脑机接口***。该项发明可以用于残疾人康复、电子娱乐、工业控制等领域，进一步研究可以得到完善的脑机接口***，有望获得可观的社会效益和经济效益。

Claims (3)

1.一种SSVEP及阻断和P300三特征多脑-机接口方法，其特征是，包括如下步骤：借助于包括脑电电极和脑电放大器、脑电滤波器的脑电采集***和计算机实现，其中计算机又包括EEG分析程序和刺激诱发用户界面；使用脑电采集***采集多通道的脑电数据，受试者安静地坐于距屏幕1m的靠椅上，注视计算机屏幕上的刺激范式的闪烁，闪烁过程中心中默数目标字符闪烁的次数；在此过程中受试者脑电会产生相应的变化：脑电信号在大脑皮层产生，由脑电电极探测后经过脑电放大器放大、滤波后输入计算机；采集到得脑电数据再经过后续的数据处理提取相应的SSVEP，SSVEP阻断和P300特征信号，从而将这些特征应用于实验任务的模式识别；

计算机屏幕上的刺激范式的闪烁具体为：当某一字符作为刺激即处于event时期，除该字符外，其他所有字符都亮暗交替呈现在屏幕上，交替呈现的频率在6Hz以上，处于event时期的字符亮度不变，但是字体形状发生变化；当受试者接受非target刺激时，能够诱发其产生SSVEP特征脑电；当受试者接受target刺激时，SSVEP信号将受到阻断，与此同时将产生P300电位。

2.如权利要求1所述的SSVEP及阻断和P300三特征多脑-机接口方法，其特征是，每个SSVEP、SSVEP阻断和P300三特征的多脑-机接口都是一个独立的BCI***；计算机屏幕上的刺激范式是在使用者面前同时呈现多个不同命令集的刺激界面，每个刺激界面分别为一个SSVEP、SSVEP阻断和P300三特征的多脑-机接口的刺激界面；多个不同命令集的刺激界面只有闪烁频率和字符不同；当使用者想选择一个字符而注视该字符时，通过判断使用者的SSVEP频段特征和SSVEPB频段特征而先确定使用者在注视哪个刺激界面，然后根据SSVEPB和P300的出现时间来确定使用者在注视哪个字符。

3.如权利要求1所述的SSVEP及阻断和P300三特征多脑-机接口方法，其特征是，利用信息传输率来表示多脑-机接口的工作效率，其表达式如下：

$\mathrm{ITR}=\frac{60(P{\log }_{2}P+(1-P){\log }_2\left(\frac{1-P}{N-1}\right)+{\log }_{2}N)}{T}$

式中：P为字符识别正确率，N为待选字符数，T为选择时间。