基于ssvep与osp的混合脑-机接口方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及脑-机接口炬rain-ComputerInte计ace，BCI)技术领域，具体设及基 于SSVEP与0SP的混合脑-机接口方法。
【背景技术】
[000引脑-机接口炬rainComputerInte计ace,BCI)是直接把大脑的活动信号转化为 指令或控制信号的通讯系统。利用脑-机接口技术，可W绕过神经肌肉通路，直接把大脑活 动信号转化为指令或控制信号来控制外部设备，该为因残疾而丧失与外界沟通能力的人提 供了与外界进行交流的可能性。因此，对脑-机接口的研究是近年来康复医学研究的一个 热点。另一方面，脑-机接口技术在虚拟现实、游戏娱乐和航天军事等领域也展现了重要的 潜在应用价值。
[0003] 视觉诱发电位是接受视觉刺激后在视觉皮质上产生的大脑活动节律。当刺激改变 的频率在細ZW上时，大脑视觉系统产生的对外部持续周期性视觉刺激的响应，即为稳态 视觉诱发电位（SteadyStateVisuallyEvoked化tential，SSVEF0。基于SSVEP的系统 主要优点是无需训练，该类系统比较适合于多指令选择的离散控制型应用，如打字系统、操 作界面等。由于其能够提供更多的指令、抗干扰能力强、所需训练时间短、记录电极少等特 点，在实用性BCI系统中展现出了广泛的应用价值及应用前景。在目前的SSVEP-BCI系统 应用中，由于大脑的低通滤波效应，SSVEP主要利用30化W下的低频区域。并且，受限于 显示屏的刷新频率W及响应幅值等问题，可用于SSVEP识别的目标频率较少。因此，增加可 呈现的目标数目、提高信息传输率对于将SSVEP-BCI推广到实际应用中有着重要的意义。
[0004] 重复性感官刺激的停止可W引起头皮电位的一系列模式特征，该种缺省刺激电位 (omittedstimuluspotential，OSP)，在视觉、听觉W及感觉领域中都能够被找到。0SP特 征根据刺激频率的分别可W分为"快"、"慢"0SP两种。"慢"0SP特征自1960年W来，就在 视觉和听觉等领域得到了许多研究。"慢％SP特征通常出现在较低频率化3-4HZ)重复性 刺激出现之后，有较长的潜伏期（一般〉〇.5s，但通常被称为P300)。而"快"0SP特征出现 在较高频率的闪烁刺激停止后，该两种0SP特征都是在刺激缺失后有一个固定的波峰潜伏 期，与慢"0SP"的诱发不同，"快"0SP只需要受试者对刺激进行盯视，不需要提供注意力。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的SSVEP-BCI系统提供目标数较少的缺点，本发明的目的 在于提供基于SSVEP与0SP的混合脑-机接口方法，实现了SSVEP特征与0SP特征的同时 诱发及识别，具有目标数多、电极数目少、操作简单等优点。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0007] 基于SSVEP与0SP电位的混合脑-机接口方法，包括W下步骤：
[000引步骤1，受试者穿戴好电极帽，坐在计算机正前方，受试者头部距离计算机屏幕为 60-80厘米，所有电极按照"国际10/20标准导联系统"放置，记录电极位于大脑枕部区域， 包括01、化、02、POz、P04、P08,参考电极位于左耳耳垂，地电极为巧z，给记录电极及参考 电极、地电极注入导电膏，并确保其与头皮接触良好；
[0009] 步骤2,将SSVEP-0SP混合范式通过计算机屏幕在受试者面前播放，受试者选择 一个刺激目标进行盯视，通过电极帽采集受试者盯视刺激目标时产生的头皮脑电信号， SSVEP-0SP混合范式在重复周期刺激中引入了刺激缺失，实现SSVEP和0SP特征的同时诱 发，其中圆盘1、3W12hz的频率闪烁，圆盘2、4WlOhz的频率闪烁，圆盘1、2、3、4分别在 467ms、450ms、633、650ms时出现首次闪烁刺激缺失，闪烁刺激缺失有圆盘停顿在屏幕上一 个闪烁周期W及消失在屏幕上一个闪烁周期两种缺失形式，任意选择一种作为闪烁刺激缺 失方式，在一次刺激周期中，共出现四次闪烁刺激缺失，每次闪烁刺激缺失距上一次的缺失 间隔为四次闪烁周期，即lOhz下缺失间隔为333ms，12hz下缺失间隔为400ms，一次刺激周 期长度为2. 5s，经过脑电采集仪放大、滤波及模数转换后，将数字化的脑电信号输入计算 机，其中，脑电信号的采集采用16导排SBamp放大器作为采集硬件，放大器的采样频率为 120化Z，硬件滤波包括了 0. 05-100hz的带通滤波及48-52hz的带阻滤波；
[0010] 步骤3,对脑电信号处理，包括脑电信号的预处理及对SSVEP特征及0SP特征的提 取识别；
[0011] 步骤4,计算机通过屏幕输出识别结果，实现对受试者的视觉反馈；
[0012] 步骤5,计算机完成目标识别反馈后，返回步骤2,重复步骤2、3、4,进行下一步的 目标识别。
[0013] 所述的步骤3对脑电信号的预处理及对SSVEP特征及0SP特征的提取识别，包括 W下步骤：
[0014] 步骤3-1，对脑电信号的预处理，去除时间序列中的直流成分W及l-45hz的带通 滤波；
[0015] 步骤3-2,对SSVEP特征的特征提取及分类识别，实现方法为典型相关分析 (CanonicalCorrelationAnalysis,CCA)，将经过信号预处理后电极 01、0z、02、P0z、P04、 P08记录到的数据分别与不同刺激频率基频及二倍频、四倍频的正余弦信号求取典型相关 系数，在k个刺激频率对应的k个最大CCA系数Pk中，具有最大值的系数被识别为用户注 视的目标频率对应的CCA系数；
[0016] 步骤3-3，对0SP特征的特征提取及分类识别，在SSVEP特征识别完成之后进行，使 用支持向量机（SVM)及朴素贝叶斯分析完成0SP特征的提取W及识别，0SP特征提取及识 别包括W下几个步骤：
[0017] 3-3-1)数据平均；根据SSVEP特征识别得到的结果，按识别频率对应目标刺激缺 失时刻作为起始时标，对刺激缺失后0~500ms内的数据进行叠加平均；
[0018] 3-3-2) 0SP特征提取；对于平均后的数据，定义在C电极在时间点t处记录到的头 皮电位为Xe(t)，在给定时间点集T=咕，'''tT}的情况下，X(C,T) = [Xe(ti), . . .，Xe(tT)] 为在电极c处记录的时域信息，在给定时间集T= {Ti, = {{125ms-150ms},..., {350ms-375ms}}及记录电极集C= (01，Oz，02,POz，P04,PO到，的情况下，将在不同时间集 及不同记录电极中记录到的时空特征集{xi(C，Ti) = [x(Ci，Ti)，...，x(Cm，Ti)]，...，Xi〇(C ，Tio) =[X(c。Tio)，. ..，X(Cm,Tio) ]}作为特征向量；
[0019] 3-3-3)特征训练及在线识别；在进行在线判别前，对不同频率的数据分别训练 产生训练样本，每个频率对应14*16组训练样本，对训练样本中特征矩阵进行分类生成 分类器，分别对xi佑Ti)，. . .，Xw(C，Ti。）进行SVM分类，得到第一层的分类结果dj (j= (1，2，...，10})，则；
[0020]Pjki= P(d j=k|c=l)k, 1=0, 1
[002U其中，c为正确的OSP标签，根据bayes公式，得到第一层SVM分类结果为盯视目 标的概率：
[0022]
[002引其中，Pj0l，Pjll，Pjl0，Pj00通过bayes训练得到，dj通过第一层SVM分类得到，对比按照上述步骤3-2中闪烁频率判别结果对应不同刺激缺失时刻平均并分类后的结果，得到P 值较大的则判断为最终识别目标；
[0024] 所述的SVM，naivebayes分类及判别函数均来自于DondersMachineLearning Too化ox工具箱，SVM采用的核函数为线性核函数。
[0025] 本发明的有益效果；针对目前基于SSVEP的BCI系统刺激目标数目少、刺激时间 长、实验范式简单导致的系统稳定性不高、信息传输率低的问题，提出了SSVEP特征与0SP 特征同时诱发的混合BCI范式，对各项参数优化处理，并提出了相应的SSVEP特征与0SP特 征提取识别方法，为实现构建W高效和无损为最终目标，具有操作简单、电极数目少、目标 数多的脑-机接口技术开辟了新的思路，显示了如下优越性：
[0026] (1)提出了基于SSVEP与0SP的混合脑机接口范式，翻倍增加了可选目标数，并且 对范式参数进行了优化，保证刺激目标的闪烁与闪烁缺失对受试者SSVEP特征与0SP特征 的诱发有最高的效率。
[0027] (2)少次平均0SP特征的提取及识别方法：对0SP特征少次平均后特征提取及识 别方案，保证了在四次数据平均后对0SP特征的有效提取及识别，提高脑-机接口的辨识效 率，保障脑-机接口信息的高效传输。
【附图说明】
[002引图1是本发明的系统框图。
[0029] 图2是本发明中的电极放置示意图。
[0030]图3是本发明的刺激序列图，其中图A为刺激目标在屏幕上的分布图，图B为刺激 形式图。
[0031] 图4是本发明中数据的在线处理方法流程图。
[003引图5是lOhz及12hz闪烁频率下SSVEP响应的幅度-频率曲线图。
[0033] 图6是64次叠加平均后0SP特征的提取图，浅色曲线为平均后的结果，深色曲线 为采用小波变换模极大值重构后的0SP特征提取图。
[0034] 图7是采用SSVEP信息与0SP信息和单纯采用SSVEP信息达到的信息传输率对比 图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明做详细描述。
[0036] 基于SSVEP与OSP的混合脑-机接口方法，包括W下步骤：
[0037] 步骤1，参照图1，受试者穿戴好电极帽，坐在计算机正前方，受试者头部距离计算 机屏幕为60-80厘米，所有电极按照"国际10/20标准导联系统"放置，放置方式如图2所 示，记录电极位于大脑枕部区域，包括01、Oz、02、P化、P04、P08,参考电极位于左耳耳垂，地 电极为巧Z，给记录电极及参考电极、地电极注入导电膏，并确保其与头皮接触良好；
[003引步骤2,将SSVEP-0SP混合范式通过计算机屏幕在受试者面前播放，如图3所示，受 试者选择一个刺激目标进行盯视，通过电极帽采集受试者盯视刺激目标时产生的头皮脑电 信号；
[0039] 系统刺激范式中刺激目标分布如图3A所示，四个圆盘按左、上、右、下等距分布在 屏幕的四个方位，电脑刷新频率为60hz，圆盘1、3W12hz的频率闪烁，圆盘2、4WlOhz的 频率闪烁，圆盘1、2、3、4分别在467ms、450ms、633、650ms时出现首次闪烁刺激缺失，闪烁刺 激缺失有圆盘停顿在屏幕上一个闪烁周期W及消失在屏幕