色觉自动识别的非注意事件相关电位脑‑机接口的方法与流程

本发明涉及人机交互技术领域，尤其涉及一种色觉自动识别的非注意事件相关电位脑-机接口方法。

背景技术：

色觉是视觉功能基本而重要的组成部分，是人类视网膜视锥细胞的特殊感觉功能。正常人眼可见光线的波长是390～780毫微米，一般可辨出包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种主要颜色在内的120～180种不同的颜色，如缺乏色觉或色觉不正常，就是色盲或色弱。因视锥细胞集中分布在视网膜中心部，故中心部辨色能力最强，周边部视网膜对绿、红、黄、蓝4种颜色的感受力依次降低并逐渐消失。因红、绿、蓝3种色光作适当混合可产生白光以及光谱上的任何颜色，所以目前多用“三原色学说”来解释色觉机理。

脑-机接口(brain computer interface，BCI)系统是一种不需要外周神经与肌肉参与的通讯系统，它旨在建立人脑与外部世界直接交流的通道，通过提取特征性脑电信号，从而将识别出的大脑指令或者信息传递给被控制的外部设备，最终完成大脑对外部设备的直接控制。相对于其它信号的BCI系统，基于视觉诱发电位的BCI通常具有更高的信息传输率、时间分辨率、系统简便等优点。色觉的检查方法包括假同色图检查法、彩色绒线检查法、色相排列法、色觉镜检查法等，但所有检查方法均需要被试者主观配合，都是利用事件相关电位(event related potential，ERP)、功能磁共振及近红外检测方法对大脑主动的注意加工过程进行识别，而缺乏对大脑自动加工时大脑变化进行识别的方法及与其相对应的非注意加工脑机接口基础数据。

鉴于上述原因，本发明人积极加以研究创新，以期创建一种新型色觉自动识别的非注意事件相关电位脑-机接口方法，使其更具有产业上的利用价值。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种色觉自动识别的非注意事件相关电位脑-机接口方法，建立视觉ERP刺激序列和采集方法，研究大脑在颜色变化过程中的自动感知，进而建立自动判断颜色变化的脑-机接口，本发明对建立脑-机颜色的信息交互并开发相应的仪器检测设备具有广泛的应用前景。

本发明公开了一种色觉自动识别的非注意事件相关电位脑-机接口方法，包括以下步骤：

(1)将事件相关电位处理装置与检测脑电信号的放大器及多导联电极帽连接；

(2)设定事件相关电位处理装置中颜色刺激图片对用户的色觉刺激参数；

(3)在用户进行色觉刺激的同时对用户施加听觉刺激；

(4)通过放大器及多导联电极帽采集步骤(3)过程中用户的非注意事件相关电位的原始脑电信号；

(5)应用事件相关电位处理装置对原始脑电信号进行处理和分析，得到色觉刺激产生的差异成分，比对色觉刺激与差异成分的相关性，建立色觉自动识别的非注意事件相关电位脑-机接口。

进一步的，在步骤(2)中，色觉刺激包括标准刺激和偏差刺激，标准刺激与偏差刺激为不同颜色。

进一步的，在步骤(2)中，色觉刺激参数包括颜色刺激图片呈现时，每个颜色刺激图片的形状和大小、每个颜色刺激图片的呈现时间、相邻两个颜色刺激图片的间隔时间、颜色刺激图片出现的次数及标准刺激和偏差刺激出现的概率。

进一步的，每个颜色刺激图片的呈现时间为100-500ms，相邻两个颜色刺激图片的间隔时间为500-1000ms，颜色刺激图片出现次数为300-500次，标准刺激出现的概率为70～80％，偏差刺激出现的概率为20～30％。

进一步的，标准刺激和偏差刺激的颜色为红色、绿色、蓝色、橙色、黄色、青色或紫色中的一种或几种。

进一步的，在步骤(1)中，事件相关电位处理装置为计算机。

进一步的，在步骤(1)中，多导联电极帽为16～64多导联电极帽。

进一步的，在步骤(2)中，用户与颜色刺激图片的距离为1m～5m。

进一步的，在步骤(5)中，对原始脑电信号进行处理和分析包括步骤：脑电预览、去除眼电和肌电伪迹，脑电分段、基线校正、去除伪迹、叠加平均、数字滤波和平滑化处理，保存并进行总平均后进行波形的识别与测量。

进一步的，在步骤(5)中，差异成分包括P1、N1、P2、N2、vMMN和P3a成分。

进一步的，色觉自动识别包括色觉检测、基于色觉的脑-机交互的电子娱乐以及基于色觉活动开发的色觉检测仪、色觉检测软件或基于色觉的脑-机交互电子娱乐机。

进一步的，在步骤(1)中，采用国际10-20脑电记录系统电极分布采集该过程中用户的非注意事件相关电位的原始脑电信号。

进一步的，在步骤(2)中，颜色刺激图片的形状为圆形，圆形的直径5～10cm。

进一步的，在步骤(3)中，用户眼睛水平直视色觉刺激，选择单眼活动，遮蔽非实验用眼。

进一步的，在步骤(3)中，用户需要回答关于听觉刺激内容的相关问题。

进一步的，在步骤(5)中，对所有成分以刺激起始点到波峰顶点之间的时间段作为其潜伏期，对于P1、N1、P2、N2和P3成分，波幅的测量采用基线—波峰的方法，vMMN和P3a成分波幅用相应时间窗内的平均波幅进行分析。

进一步的，对于用户可以区分的颜色，偏差刺激出现时会产生特征性的P1、N1和P2、N2及vMMN和P3a成分，比对相应的刺激时间频率可以确定被试者能够识别哪一种颜色。

进一步的，对于用户不能区分的颜色，偏差刺激出现时，不会产生特征性的P1、N1和P2、N2及vMMN和P3a成分。

借由上述方案，本发明具有以下优点：

针对目前缺少颜色变化自动识别的脑-机接口，本发明以“高级视中枢可对视觉信息刺激进行非注意加工”为理论依据，设计动态变化的颜色刺激图片，通过中心视野随机呈现不同颜色刺激图片的方式，通过脑电采集设备记录不同颜色刺激图片所诱导出的多导脑电信号，分析大脑视中枢的非注意加工ERP成分，建立色觉变化自动识别ERP脑-机接口；应用本发明所设计的技术方法，可以建立色觉刺激与大脑自动处理产生的ERP波形进行交互对应识别，建立色觉ERP非注意加工脑-机接口，可根据颜色刺激序列的变化找出被试者对不同颜色变化的反应，为客观检测色觉功能提供新的技术手段，克服需要被试者主观配合的缺点，本发明对建立脑-机颜色的信息交互并开发相应的仪器检测设备具有广泛的应用前景，可为临床、眼视光和司法鉴定行业服务，并将产生巨大的社会效益和经济效益。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下为本发明的实施例，并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明色觉刺激显现示意图；

图2是本发明脑电记录系统电极分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的非注意事件相关电位脑-机接口用于基于色觉活动的方法，包括以下步骤：首先将事件相关电位处理装置与检测脑电信号的放大器及多导联电极帽连接；设定事件相关电位处理装置中颜色刺激图片对用户的色觉刺激参数；在用户进行色觉刺激的同时对用户施加听觉刺激；通过放大器及多导联电极帽采集上述过程中用户的非注意事件相关电位的原始脑电信号；应用事件相关电位处理装置对原始脑电信号进行处理和分析，得到色觉刺激产生的差异成分，比对色觉刺激与差异成分的相关性，找出用户可识别的相应颜色，建立色觉自动识别的非注意事件相关电位脑-机接口。

具体实施方式如下：

在电脑上应用E-prime软件建立跨通道视觉Oddball刺激非注意实验模式，颜色刺激图片为直径10mm的圆形，包括红色的标准刺激和绿色的偏差刺激，被试者与电脑屏幕的测试距离为1m(相当于33°视野范围)，标准刺激出现概率为80％、偏差刺激的出现概率为20％。颜色刺激图片呈现时间为300ms，相邻两个颜色刺激图片的刺激间隔时间为500ms，刺激次数300次，图1为本发明色觉刺激显现示意图。

将32导联电极帽戴在受试者头上，采用国际10-20脑电记录系统电极分布方式(如图2所示)采集以下过程中用户的非注意事件相关电位的原始脑电信号。图2中，Cz电极为冠状线与矢状线的交点，Oz电极为枕骨粗隆中线上方1.5cm～3cm处，Fz电极为前额正中鼻根部上方1.5cm～3cm处。然后令受试者坐于暗室的靠背椅上，眼角膜与电视屏中心等高，即眼睛水平直视于显示屏中央。被试实验眼单眼进行实验，用遮盖物遮蔽非实验用眼。色觉刺激图片随机呈现在电脑屏幕上，与此同时要求被试认真注意听觉刺激声音“ne”并进行计数，同时眼睛平视前方屏幕中央即可，结束后让被试者回答听觉刺激出现的次数。

对采集的ERP波形进行脑电预览、去除眼电和肌电等伪迹后，进行脑电分段、基线校正、去除伪迹、叠加平均、数字滤波和平滑化处理等，保存并进行总平均后进行波形的识别与测量，最后进行统计分析。对所有成分以刺激起始点到波峰顶点之间的时间段作为其潜伏期，对于P1、N1、P2、N2和P3等成分，波幅的测量采用基线－波峰的方法，vMMN和P3a成分波幅用相应时间窗内的平均波幅进行统计分析。

若被试者可以区分偏差刺激的颜色，每当偏差刺激出现时都会产生特征性的P1、N1和P2、N2及vMMN和P3a成分，比对相应的刺激时间频率可以确定被试者能够识别该颜色，若在偏差刺激呈现时没能够引出上述ERP成分时，可以确定被试者不能识别该颜色。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。