专利名称：基于稳态诱发电位的异步脑机接口系统及其实现方法
技术领域：
本发明属于生物医学工程、计算机领域的一种脑电信号分类处理方案及系统设计方案，特别涉及一种基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ系统及其实现方法。
背景技术：
近年来，脑-机接ロ技术备受关注。脑-机接ロ(BCI)是ー种直接将人的脑电活动模式转换成外部控制命令的新颖的人-机接ロ技木，该技术下送到外部世界的信息和命令不是通过脑部正常外围神经和肌肉输出途径。BCI系统可以帮助患有瘫痪、中风的病人向看护人员表达他们的意愿，甚至可以控制外界辅助设备来完成日常活动。异步BCI可以使个人按照自己的意愿去控制，是未来BCI的发展方向。·基于稳态诱发电位(SSVEP)的BCI利用固定频率闪烁的视觉刺激所诱发的电位将受试者的视觉活动转换成实际命令，具有较高的速度和稳定性，是目前BCI的研究的ー个热点。但是目前的异步SSVEP系统在准确性和速度性两方面还不足，达不到实际应用的需要。而且其基本上都是针对特定应用的，一旦算法更改，就需要大量的时间来测试系统的性能，这使异步SSVEP系统的开发，改进周期较长。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ系统及其实现方法，能够方便进行系统的测试，并且能够普遍适用于各种控制应用，同时提高SSVEP转换实际命令时的准确率和反应速度。为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供ー种基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ系统，所述系统包含
刺激器，其向受试者发送刺激信号；
信号采集器，其获取采集受试者的脑部经过所述刺激信号诱发形成的稳态诱发电位信
号;
信号处理器，其与所述信号采集器信号连接，并将所述稳态诱发电位信号转化成相应的指令；
任务提示器，其向受试者发送与所述刺激信号相匹配的任务提示信号；
输出结果及反馈装置，其与所述信号处理器信号连接，将所述指令与所述任务提示信号进行比较，并将比较结果向受试者反馈；
控制命令转换接ロ，其与所述信号处理器信号连接，将所述指令进ー步转化成能够控制外部设备的控制命令；
其中，所述刺激器、任务提示器、信号采集器、信号处理器、输出结果及反馈装置形成所述系统的测试系统部分；所述刺激器、信号采集器、信号处理器、控制命令转换接ロ形成所述系统的控制系统部分。优选的，所述刺激器是ー个视觉刺激器，其包含在显示器的显示界面上环形分布的四个具有不同闪烁频率的刺激模块；
所述任务提示器在所述显示界面上随机时间出现能够具有不同方向的箭头，所述箭头的方向与其中一个所述刺激模块在显示界面上所处的位置相对应，以提示受试者注视与箭头所指方向相对应的那ー个刺激模块。所述信号采集器包含在线采集设备，其中设置有放大设备，能够将经由多个电极从大脑头皮上采集的稳态诱发电位信号转化成离散数字信号；所述信号采集器采集枕骨区域的P03，POz, PO4, O1, Oz, O2电极通道作为信号采集通道，还采集左右任意一侧的耳垂作为參考通道，并将Fz电极通道作为接地通道；
所述信号采集器还包含离线载入设备，能够将以前实验获得的信号数据直接载入到系统中，以替代在线采集设备采集的数据，便于在实验后对受试者的数据进行分析处理。所述信号处理器进ー步包含
基于拉普拉斯组合的信号预处理器，其与所述信号采集器信号连接，并从所述稳态诱发电位信号中去除噪声；
基于典型相关分析的特征提取器，其与所述信号预处理器信号连接，并从所述稳态诱发电位信号中提取反映受试者意图的信号特征；
基于阈值分类来区分受试者脑部的工作与空闲状态的模式分类器，其与所述特征提取器信号连接，并将所述信号特征转化为指令进行输出。本发明的另ー个技术方案是提供一种基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ的实现方法，使用上述的系统实现；
所述方法包含对受试者使用测试系统部分来验证异步脑机接ロ系统的性能的以下若干步骤
步骤Al、使用刺激器向受试者发送刺激信号，并且使用任务提示器向受试者发送与所述刺激信号相匹配的任务提示信号；
步骤A2、使用信号采集器获取采集受试者的脑部经过所述刺激信号诱发形成的稳态诱发电位信号；
步骤A3、使用信号处理器将所述稳态诱发电位信号转化成相应的指令；
步骤A4、使用输出结果及反馈装置，将所述指令与所述任务提示信号进行比较，并将比较结果向受试者反馈；
所述方法还包含使用控制系统部分向外部设备发送控制命令的以下若干步骤
步骤BI、使用刺激器向受试者发送刺激信号；
步骤B2、使用信号采集器获取采集受试者的脑部经过所述刺激信号诱发形成的稳态诱发电位信号；
步骤B3、使用信号处理器将所述稳态诱发电位信号转化成相应的指令；
步骤B4、使用控制命令转换接ロ将所述指令进ー步转化成控制命令井向外部设备发送。所述刺激器控制四个刺激模块在显示器的显示界面上呈环形分布，并以不同的刺激频率进行闪烁；
所述任务提示器基于随机算法，使一箭头以不同的方向出现在所述显示界面上，所述箭头的方向与其中一个所述刺激模块在显示界面上所处的位置相对应，以提示受试者注视与箭头所指方向相对应的那ー个刺激模块；
所述输出结果及反馈装置比较所述信号处理器输出的指令所代表的方向信息及所述任务提示器的箭头所示的方向，当比较结果不一致时，提示受试者调整下一次的注视状态。所述信号采集器在ー种在线采集方式中，通过放大设备将经由多个电极从大脑头皮上采集的稳态诱发电位信号转化成离散数字信号；所述信号采集器采集枕骨区域的P03，POz, PO4, O1, Oz, O2电极通道作为信号采集通道，还采集左右任意一侧的耳垂作为參考通道，并将Fz作为接地通道；所述信号采集通道的稳态诱发电位信号幅度大于所述參考通道的稳态诱发电位信号幅度；
所述信号采集器在另ー种离线载入方式中，能够将以前实验获得的信号数据直接载入到异步脑机接ロ系统中，以替代在线采集的数据，便于在实验后对受试者的数据进行分析处理。所述信号处理器包含信号预处理环节的两个步骤
第一歩是对采集到的稳态诱发电位信号进行滤波和陷波，将信号集中在特定的频率范围内，并且去除エ频信号；
第二步是使用拉普拉斯组合方法对信号进行增強，同时减弱共同噪声，即在P03，POz,PO4, O1, Oz, O2电极通道中，将Oz作为中心电极，与从PO3, POz, PO4, O1, O2中依次选取的4个外周电极组成対称的差分来处理信号；形成权重矩阵r为
权利要求
1.一种基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ系统，其特征在于，所述系统包含 刺激器，其向受试者发送刺激信号； 信号采集器，其获取采集受试者的脑部经过所述刺激信号诱发形成的稳态诱发电位信号; 信号处理器，其与所述信号采集器信号连接，并将所述稳态诱发电位信号转化成相应的指令； 任务提示器，其向受试者发送与所述刺激信号相匹配的任务提示信号； 输出结果及反馈装置，其与所述信号处理器信号连接，将所述指令与所述任务提示信号进行比较，并将比较结果向受试者反馈； 控制命令转换接ロ，其与所述信号处理器信号连接，将所述指令进ー步转化成能够控制外部设备的控制命令； 其中，所述刺激器、任务提示器、信号采集器、信号处理器、输出结果及反馈装置形成所述系统的测试系统部分；所述刺激器、信号采集器、信号处理器、控制命令转换接ロ形成所述系统的控制系统部分。
2.如权利要求I所述基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ系统，其特征在干， 所述刺激器是ー个视觉刺激器，其包含在显示器的显示界面上环形分布的四个具有不同闪烁频率的刺激模块； 所述任务提示器在所述显示界面上随机时间出现能够具有不同方向的箭头，所述箭头的方向与其中一个所述刺激模块在显示界面上所处的位置相对应，以提示受试者注视与箭头所指方向相对应的那ー个刺激模块。
3.如权利要求2所述基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ系统，其特征在干， 所述信号采集器包含在线采集设备，其中设置有放大设备，能够将经由多个电极从大脑头皮上采集的稳态诱发电位信号转化成离散数字信号；所述信号采集器采集枕骨区域的PO3, POz, PO4, O1, Oz, O2电极通道作为信号采集通道，还采集左右任意一侧的耳垂作为參考通道，并将Fz电极通道作为接地通道； 所述信号采集器还包含离线载入设备，能够将以前实验获得的信号数据直接载入到系统中，以替代在线采集设备采集的数据，便于在实验后对受试者的数据进行分析处理。
4.如权利要求3所述基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ系统，其特征在干， 所述信号处理器进ー步包含 基于拉普拉斯组合的信号预处理器，其与所述信号采集器信号连接，并从所述稳态诱发电位信号中去除噪声； 基于典型相关分析的特征提取器，其与所述信号预处理器信号连接，并从所述稳态诱发电位信号中提取反映受试者意图的信号特征； 基于阈值分类来区分受试者脑部的工作与空闲状态的模式分类器，其与所述特征提取器信号连接，并将所述信号特征转化为指令进行输出。
5.一种基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ的实现方法，使用权利要求I所述的系统实现，其特征在干， 所述方法包含对受试者使用测试系统部分来验证异步脑机接ロ系统的性能的以下若干步骤 步骤Al、使用刺激器向受试者发送刺激信号，并且使用任务提示器向受试者发送与所述刺激信号相匹配的任务提示信号； 步骤A2、使用信号采集器获取采集受试者的脑部经过所述刺激信号诱发形成的稳态诱发电位信号； 步骤A3、使用信号处理器将所述稳态诱发电位信号转化成相应的指令； 步骤A4、使用输出结果及反馈装置，将所述指令与所述任务提示信号进行比较，并将比较结果向受试者反馈； 所述方法还包含使用控制系统部分向外部设备发送控制命令的以下若干步骤 步骤BI、使用刺激器向受试者发送刺激信号； 步骤B2、使用信号采集器获取采集受试者的脑部经过所述刺激信号诱发形成的稳态诱发电位信号； 步骤B3、使用信号处理器将所述稳态诱发电位信号转化成相应的指令； 步骤B4、使用控制命令转换接ロ将所述指令进ー步转化成控制命令井向外部设备发送。
6.如权利要求5所述基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ的实现方法，其特征在干， 所述刺激器控制四个刺激模块在显示器的显示界面上呈环形分布，并以不同的刺激频率进行闪烁； 所述任务提示器基于随机算法，使一箭头以不同的方向出现在所述显示界面上，所述箭头的方向与其中一个所述刺激模块在显示界面上所处的位置相对应，以提示受试者注视与箭头所指方向相对应的那ー个刺激模块； 所述输出结果及反馈装置比较所述信号处理器输出的指令所代表的方向信息及所述任务提示器的箭头所示的方向，当比较结果不一致时，提示受试者调整下一次的注视状态。
7.如权利要求6所述基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ的实现方法，其特征在干， 所述信号采集器在ー种在线采集方式中，通过放大设备将经由多个电极从大脑头皮上采集的稳态诱发电位信号转化成离散数字信号；所述信号采集器采集枕骨区域的P03，POz,PO4, O1, Oz, O2电极通道作为信号采集通道，还采集左右任意一侧的耳垂作为參考通道，并将Fz作为接地通道；所述信号采集通道的稳态诱发电位信号幅度大于所述參考通道的稳态诱发电位信号幅度； 所述信号采集器还在ー种离线载入方式中，将以前实验获得的信号数据直接载入到异步脑机接ロ系统中，以替代在线采集的数据，便于在实验后对受试者的数据进行分析处理。
8.如权利要求7所述基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ的实现方法，其特征在干， 所述信号处理器包含信号预处理环节的两个步骤第一歩是对采集到的稳态诱发电位信号进行滤波和陷波，将信号集中在特定的频率范围内，并且去除エ频信号； 第二步是使用拉普拉斯组合方法，对信号进行增强同时减弱共同噪声，即在P03，POz,PO4, O1, Oz, O2电极通道中，将Oz作为中心电极，与从PO3, POz, PO4, O1, O2中依次选取的4个外周电极组成対称的差分来处理信号，形成权重矩阵r为
9.如权利要求8所述基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ的实现方法，其特征在干， 所述信号处理器进ー步包含模式分类环节，采用阈值分类方法来区分受试者脑部的空闲和工作状态
10.如权利要求5或8所述基于稳态诱发电位的异步脑机接ロ的实现方法，其特征在于， 所述异步脑机接ロ系统采用滑动窗ロ方法，在整个实验进行期间一直对模式分类后得到的信号进行分析处理以形成相应的命令；在定义的延迟时间内，当有连续的两个及两个以上相同的命令产生时，系统只输出ー个命令，少于两个命令时，系统不输出；并且定义有无反应时间，当系统检测出ー个命令之后的无反应时间内将不进行任务工作状态命令的输出。
全文摘要
本发明提供基于稳态诱发电位的异步脑机接口系统及其实现方法，由刺激器、任务提示器、信号采集器、信号处理器、输出结果及反馈装置形成系统的测试系统部分；由刺激器、信号采集器、信号处理器、控制命令转换接口另外形成系统的控制系统部分。采集脑部经刺激器诱发形成的稳态诱发电位信号，被转化成相应的指令后，与任务提示信号进行比较，并向受试者反馈结果；本发明能够将指令进一步转化成能够控制外部设备的控制命令；本发明便于系统测试，对稳态诱发电位的转换效率高，速度快，能够普遍适用于各种应用。
文档编号G06F13/38GK102789441SQ20121028079
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者吴金玲, 夏斌, 安德华, 李星, 杨晶 申请人:上海海事大学