CN107390873B - 基于脑电控制的多尺度光标定位方法 - Google Patents

基于脑电控制的多尺度光标定位方法 Download PDF

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Abstract

基于脑电控制的多尺度光标定位方法，涉及一种基于脑电控制的光标定位方法。1)开始时，光标位于光标界面的中心，待定位区域为整个光标界面；2)将待定位区域按水平中心线和垂直中心线分成左上、左下、右上、右下四个大小相同的子区域；3)使用者通过脑电信号将光标定位到待定位区域中的某个子区域的中心；4)判断光标是否在目标位置，若是，则方法结束；否则，将光标当前所在的子区域当作新的待定位区域，然后返回步骤2)。采用多尺度定位的方式对基于脑电控制的光标进行定位，克服了传统的基于脑电控制的光标每次只能移动一小段距离的不足，大大提高了定位速度；只使用SSVEP一种脑电信号，操作简单、方便。

Description

基于脑电控制的多尺度光标定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于脑电控制的光标定位方法，尤其是涉及一种采用多尺度定位的方式对基于脑电控制的多尺度光标定位方法。
背景技术
脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)是近几年发展起来的一种新型人机交互方式，它不依赖于大脑的正常输出通路(即外周神经和肌肉组织)，可以将脑电信号直接转化成外部设备的操作命令。BCI研究涉及众多学科，如神经科学、信号处理、模式识别、控制理论等，这些学科的交叉发展推动了BCI研究的推进。BCI的基础理论与临床应用研究，已被纳入脑科学和神经工程学的范畴，也被国际上的很多权威机构认为是21世纪脑与神经科学研究中的最前沿与热点之一。
稳态视觉诱发电位(Steady-State Visual Evoked Potential,SSVEP)是目前BCI领域中研究较多的一种脑电信号，其生理基础是人眼注视某特定频率的周期性闪烁时，会在大脑皮层视觉区诱发一个连续的与刺激频率相同或成谐振关系的响应。SSVEP的刺激频率一般要大于6Hz，这样各次刺激引起的响应在时间上就不断重叠，从而加强了信号的特征。
现有技术中，使用BCI***完成光标控制的方法采用的定位方式是：每一次将光标沿着某个方向移动一定的距离。如中国专利201010509561.6公开一种脑机接口的二维光标控制方法及装置，分别利用运动想象电位和P300电位控制光标的水平移动和垂直移动。中国专利201510589210.3公开一种基于运动想象和mVEP信号控制的鼠标移动控制方法，分别利用运动想象信号和mVEP信号计算光标下一时刻在水平方向和垂直方向上的位移。这种定位方式虽然简单，但定位速度较慢。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供基于脑电控制的多尺度光标定位方法。
本发明包括以下步骤：
1)开始时，光标位于光标界面的中心，待定位区域为整个光标界面；
2)将待定位区域按水平中心线和垂直中心线分成左上、左下、右上、右下四个大小相同的子区域；
3)使用者通过脑电信号将光标定位到待定位区域中的某个子区域的中心；
4)判断光标是否在目标位置，若是，则方法结束；否则，将光标当前所在的子区域当作新的待定位区域，然后返回步骤2)。
在步骤3)中，所述使用者通过脑电信号将光标定位到待定位区域中的某个子区域的中心的具体方法包括以下步骤：
(1)使用者注视刺激界面，以诱发脑电信号中的SSVEP响应；
(2)将通过电极帽采集的脑电信号进行模数转换和放大，然后传输到信号处理***；
(3)信号处理***对接收的脑电信号进行处理，检测SSVEP的频率，并将该频率对应的命令发送给光标控制程序；
(4)光标控制程序根据接收的命令的类型，将光标定位到待定位区域中的相应子区域的中心。
在步骤3)第(1)部分中，所述刺激界面上分布着五个按照不同频率闪烁的发光块，分别代表“左上子区域”、“左下子区域”、“右上子区域”、“右下子区域”、“撤销”命令。
在步骤3)第(2)部分中，所述电极帽采集的通道有7个，按照“10～20国际标准导联”，7个采样通道分别为01、02、Pz、P3、P4、P7、P8。
在步骤3)第(3)部分中，所述信号处理***可采用典型相关分析(CanonicalCorrelation Analysis,CCA)检测SSVEP的频率。
在步骤3)第(4)部分中，所述光标控制程序根据接收的命令的类型，将光标定位到待定位区域中的相应子区域的中心，可包括以下五种情况：
若接收的是“左上子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的左上子区域的中心；
若接收的是“左下子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的左下子区域的中心；
若接收的是“右上子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的右上子区域的中心；
若接收的是“右下子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的右下子区域的中心；
若接收的是“撤销”命令，则撤销上一次定位，将光标返回到上一次定位前所在的位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用多尺度定位的方式对基于脑电控制的光标进行定位，克服了传统的基于脑电控制的光标每次只能移动一小段距离的不足，大大提高了定位速度；
本发明只使用SSVEP一种脑电信号，操作简单、方便，使用者不需要进行额外的训练，有效扩宽了BCI***的应用。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
图2为CCA算法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提出一种基于脑电控制的多尺度光标定位方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、开始时，光标位于光标界面的中心，待定位区域为整个光标界面；
步骤2、将待定位区域按水平中心线和垂直中心线分成左上、左下、右上、右下四个大小相同的子区域；
步骤3、使用者通过脑电信号将光标定位到待定位区域中的某个子区域的中心；
步骤4、判断光标是否在目标位置，若是，则方法结束；否则，将光标当前所在的子区域当作新的待定位区域，然后返回步骤2。
进一步地，上述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1、使用者注视刺激界面，以诱发脑电信号中的SSVEP响应；
步骤3.2、将通过电极帽采集的脑电信号进行模数转换和放大，然后传输到信号处理***；
步骤3.3、信号处理***对接收的脑电信号进行处理，检测SSVEP的频率，并将该频率对应的命令发送给光标控制程序；
步骤3.4、光标控制程序根据接收的命令的类型，将光标定位到待定位区域中的相应子区域的中心。
在本实施例中，上述步骤3.1所述的刺激界面上分布着五个按照不同频率闪烁的发光块，分别位于界面的左上方、左下方、右上方、右下方和中心。其中，左上方发光块的闪烁频率为7.5Hz，代表“左上子区域”命令；左下方发光块的闪烁频率为10Hz，代表“左下子区域”命令；右上方发光块的闪烁频率为12Hz，代表“右上子区域”命令；右下方发光块的闪烁频率为15Hz，代表“右下子区域”命令；中心发光块的闪烁频率为18Hz，代表“撤销”命令。
在本实施例中，上述步骤3.2所述的电极帽的采样通道有7个；按照“10～20国际标准导联”，7个采样通道分别为01、02、Pz、P3、P4、P7、P8。
在本实施例中，上述步骤3.3所述的信号处理***使用典型相关分析(CanonicalCorrelation Analysis,CCA)检测SSVEP的频率，具体步骤如图2所示：
第一步、定义X、Y两个多维随机变量：
X＝(x1 x2 … xn)Τ (1)
Y＝(sin(2πft) cos(2πft) …sin(2πNft) cos(2πNft))T (2)
其中，X是待检测的多通道脑电信号，长度为2秒；Y是与刺激频率f相关的参考信号，长度与X相同。式(1)中n为采样通道数，在本实施例中n＝7；式(2)中N为谐波阶数，在本实施例中N＝3。
第二步、考虑一对线性组合x＝XTwx和y＝YTwy，CCA的作用是找到权矢量wx和wy，使x与y之间的相关最大化。换句话说，下面的优化问题(3)可求解X与Y的CCA系数：
Figure BDA0001359107470000041
第三步、选取不同的刺激频率f来计算CCA系数，具有最大系数的频率被判定是SSVEP响应的频率。信号处理***根据上文所述的刺激频率与命令之间的映射关系，将该频率映射到相应的命令。
在本实施例中，上述步骤3.4所述的光标控制程序根据接收的命令的类型，将光标定位到待定位区域中的相应子区域的中心，包括以下五种情况：
若接收的是“左上子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的左上子区域的中心；
若接收的是“左下子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的左下子区域的中心；
若接收的是“右上子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的右上子区域的中心；
若接收的是“右下子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的右下子区域的中心；
若接收的是“撤销”命令，则撤销上一次定位，将光标返回到上一次定位前所在的位置。
上述实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，本领域的技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的变形和组合。

Claims (4)

1.基于脑电控制的多尺度光标定位方法，其特征在于包括以下步骤：
1)开始时，光标位于光标界面的中心，待定位区域为整个光标界面；
2)将待定位区域按水平中心线和垂直中心线分成左上、左下、右上、右下四个大小相同的子区域；
3)使用者通过脑电信号将光标定位到待定位区域中的某个子区域的中心，具体方法包括以下步骤：
(1)使用者注视刺激界面，以诱发脑电信号中的SSVEP响应；所述刺激界面上分布着五个按照不同频率闪烁的发光块，分别代表“左上子区域”、“左下子区域”、“右上子区域”、“右下子区域”、“撤销”命令；
(2)将通过电极帽采集的脑电信号进行模数转换和放大，然后传输到信号处理***；
(3)信号处理***对接收的脑电信号进行处理，检测SSVEP的频率，并将该频率对应的命令发送给光标控制程序；
(4)光标控制程序根据接收的命令的类型，将光标定位到待定位区域中的相应子区域的中心；
4)判断光标是否在目标位置，若是，则方法结束；否则，将光标当前所在的子区域当作新的待定位区域，然后返回步骤2)。
2.如权利要求1所述基于脑电控制的多尺度光标定位方法，其特征在于在步骤3)第(2)部分中，所述电极帽采集的通道有7个，按照“10～20国际标准导联”，7个采样通道分别为01、02、Pz、P3、P4、P7、P8。
3.如权利要求1所述基于脑电控制的多尺度光标定位方法，其特征在于在步骤3)第(3)部分中，所述信号处理***采用典型相关分析检测SSVEP的频率。
4.如权利要求1所述基于脑电控制的多尺度光标定位方法，其特征在于在步骤3)第(4)部分中，所述光标控制程序根据接收的命令的类型，将光标定位到待定位区域中的相应子区域的中心，包括以下五种情况：
若接收的是“左上子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的左上子区域的中心；
若接收的是“左下子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的左下子区域的中心；
若接收的是“右上子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的右上子区域的中心；
若接收的是“右下子区域”命令，则将光标定位到待定位区域中的右下子区域的中心；
若接收的是“撤销”命令，则撤销上一次定位，将光标返回到上一次定位前所在的位置。
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