基于逻辑思维和形象思维的脑机接口方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及人工智能领域以及脑电信号识别领域，尤其涉及了一种基于逻辑思维 和形象思维的脑机接口方法。
【背景技术】
[0002] 脑机接口（Brain-Computer Interface，简称BCI)是不依赖于正常的由外围神经 和肌肉组成的输出通路，是一种直接连接大脑和计算机及外部设备的通讯系统。脑机接口 系统具有无创采集、操作简单的优点以及独特的时间分辨率优势。脑机接口系统通常由四 个模块组成：脑电信号采集模块、脑电信号特征提取模块、脑电信号特征分类模块以及外部 设备控制模块。特征提取模块以及特征分类模块是整个脑机接口最核心的部分，正是通过 这两个模块可以将脑电信号转换为可以被外部设备识别的控制信号。脑电信号的特点有微 弱性、复杂性以及不稳定性，由于脑电信号的这些特性，对于范式设计以及特征提取与分类 有比$父尚的要求。
[0003] 目前实现脑机接口的脑电信号采集方式主要有两种：植入式脑电信号采集方式 和非植入式脑电信号采集方式。植入式脑电信号采集方式主要包括功能性核磁共振成像 (FMRI)、脑磁图（EMG)以及近红外光谱（NIRS)等。非植入式的采集方式弥补了植入式采 集带来的不方便以及有创性等各种问题，其中脑电图（Electroencephalograph，简称EEG) 是目前最主要实现非植入式脑机接口的方式，也是被广泛认为最有潜力的技术。与植入式 电极相比，非植入式电极具有时间分辨率高、易于使用、成本较低、便于携带等优点。现在 主要采用的非植入式电极采集方式有运动想象、P300和稳态视觉诱发电位（Steady-State Visual Evoked Potentials，简称 SSVEP)。
[0004] 近年来，利用不同思维任务脑电信号作为实现BCI的一种新型技术，已受到了广 泛的关注。思维活动是人类智慧的标志之一。当人们进行思维作业时，大脑特定区域神经细 胞电生理活动会发生一定程度的变化，这些电生理活动会在头皮表面发生反映，可以被脑 电信号采集设备采集到。大脑在进行不同思维活动是激活大脑皮层的不同区域并能诱发出 不同的脑电节律的生理现象使得利用脑电信号对逻辑思维和形象思维进行分类成为可能。 按照神经心理学理论分析，在心中想象心算以及空间旋转是复杂的过程，计算的行为可能 包括数字识别、数字符号含义的理解、计算方法的选择、运算规则和特殊计算程序执行、中 间结果的暂时存储和再提取及记忆结果的表达等任职成分。当右利手被试者进行计算时， 主要激活左前额叶和双侧顶层皮质；并且当被试者在进行与语言、心算有关的思维活动时， 左半球的α波小于右半球；在进行与空间想象有关的意识任务时，情况相反。通过对不同 思维作业自发脑电信号的分类实现脑机接口，直接利用思维作业来控制外部设备，更接近 人对外部设备的实际控制模式，派出了利用诱发脑电信号，产生的不必要伪迹以及诱发电 位提取、定位的困难。并且相对于SSVEP等其他的模式，逻辑思维以及形象思维的脑袋模式 使用起来更加方便，更适宜长期使用。
[0005] 寻求有效的特征提取及分类的方法是提高识别准确率关键技术之一。常用的特征 提取方法有功率谱分析、小波变换、共空间模式算法（common spatial pattern，简称CSP) 等。CSP算法被认为是一种有效的脑电模式分析方法。CSP的优点是不需要预先选择被试者 特异性的频带，也不需要有脑电信号的空间分布信息，而是基于任务对EEG信号进行处理； 缺点是需要大量的特征向量及大量的电极，而过多的电极又会造成整个脑机接口便携性的 下降。CSP算法的目的是寻找一个空间滤波器，使两种信号经过算法处理之后，最大限度的 被区分，算法是基于两个协方差矩阵同时对角化，使其中一类信号方差最大的同时另一类 信号的方差最小。
[0006] 支持向量机分类器在解决非线性、小样本以及高维模式识别中表现出很多特有的 优势，并且可以推广应用到函数拟合等其他机器学习问题中。支持向量机拥有优秀的学习 性能以及能同时最大化几何边缘区和最小化经验误差的特性，因而作为分类器被广泛应用 于脑机接口的分类问题中。支持向量机主要思想在于通过某种事先选择的非线性核函数将 线性不可分的空间映射到一个高维的线性可分的特征空间，在这个空间利用结构风险最小 化原则构造最优分类超平面，使分类面两侧相距此平面最近的不同类样本之间间隔最大， 对最优超平面的构造问题上可以通过解决一个凸二次规划问题来实现。支持向量机方法的 一个重要的优点是所获得的分类器的复杂度可以采用支持向量的个数，而不是变换空间的 维数来刻画。
【发明内容】
[0007] 发明目的：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于逻辑思维和形象思 维的脑机接口方法，解决原有CSP算法需要大量特征向量及电极而导致计算和操作都不方 便的技术问题。
[0008] 技术方案：大脑的左右半球存在着明显分工，并且已经证实，如运动想象中的同步 化/去同步化现象（ERD/ERS)，与运动想象类似，在进行不同的逻辑思维与形象思维活动 时，会在相应的脑部区域产生一定的脑电信号，大脑的左右半球同样可以检测到脑电信号 是不对称的，这个特征使得利用脑电信号区分不同思维作业成为可能，同时也成为利用不 同思维作业来设计脑机接口的根据之一。
[0009] 基于上述事实，为实现本发明的目的，采用的技术方案如下：
[0010] 基于逻辑思维和形象思维的脑机接口方法，包括顺序执行的如下步骤：
[0011] 步骤一、在被试者头部设置脑电信号采集模块，通过逻辑思维任务与形象思维任 务的范式，利用单导联脑电采集方法采集得到被试者在不同刺激状态下的原始脑电信号；
[0012] 步骤二、对原始脑电信号进行空间、时间以及频率的三维空间的处理；
[0013] 步骤三、在共空间模式下对经步骤二处理后的脑电信号提取特征向量；
[0014] 步骤四、通过支持向量机对步骤三中提取得到的特征向量交叉验证分类，获得脑 电信号分类结果输出。
[0015] 进一步的，在本发明中，采集原始脑电信号时，在脑电信号采集模块中设置包括如 下位置的导联电极：在前额叶、顶叶和颞叶上均设置一对导联电极，且属于同一对的两个导 联电极位置对称设置，具体包括分别位于前额叶两侧的F3和F4,分别位于顶叶两侧的C3和 C4以及分别位于颞叶两侧的P3和P4。根据神经心理学理论分析，当右利手被试者进行计 算时，主要激活左前额叶和双侧顶层皮质；并且当被试者在进行与语言、心算有关的思维活 动时，左半球的α波小于右半球；在进行与空间想象有关的意识任务时，情况相反；因此， 按照上述位置设置导联电极能够获得有效区分逻辑思维和形象思维的脑电信号。
[0016] 进一步的，在本发明中，单次实验的范式设计如下：首先被试者保持至少2秒钟的 平静状态，采集该平静状态下对应的脑电信号作为参考；然后进行逻辑思维任务或形象思 维任务，其中逻辑思维任务为在屏幕中出现算式、被试者根据算式进行心算，形象思维任务 为在屏幕中