专利名称：：基于左右视野两个频率刺激的稳态视觉诱发脑机接口方法
技术领域：
：本发明属于人机交互
技术领域：
，可帮助残障人士操作计算机等外部设备，也可用于新型的脑机交互的电子娱乐。
背景技术：
：脑-机接口系统是一种不需要外周肌肉与神经参与的通讯系统，它旨在建立一个人脑与外周世界的直接交流通道，通过提取脑电信号中的特征，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。脑电信号通常采用非侵入式头皮脑电记录获得。视觉稳态诱发电位是脑-机接口BC1经常使用的一种信号，它是大脑视觉皮层对于外界大于6Hz闪烁刺激的响应信号，通过提取枕区脑电信号可以获得。相对于基于其它信号的脑-机接口系统而言，基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口通常具有更高的信息传输率，更兼有系统简便，仅需要较少训练的优点。为了使得脑-机接口系统更便携、实用，使用计算机屏幕作为刺激手段是一个不错的方法，但是在使用计算机屏幕作为目标呈现方式时，由于固有刷新率的问题，激发稳态视觉诱发电位的频率可选范围很小，使得目标呈现数量有限。在对于残疾人的使用上，较少的目标意味着选择层次的增加，这将增加使用者的疲劳程度，和系统菜单的复杂程度。中国专利"基于瞬态视觉诱发电位提取脑机接口信号的方法"(200310121033.3)，以及"基于脑电稳态诱发响应的控制系统"(99122161.3)采用的是传统的稳态视觉诱发电位目标呈现方式，其中一个发光二极板形成一个目标，该发光二极板以固定的频率闪烁，使用者使注视该目标时，通过计算脑电信号的快速傅立叶变换可以得到对应频率的峰图。一个发光二极板使用一个频率，形成一个目标，因此采用n个频率可以形成n个目标。如果以普通的显示器为视觉刺激设备，由于受到屏幕刷新率的限制，只有较少的几个频率可用。本发明提出采用左右视野双频刺激的目标呈现方式。利用神经生理学上早已证明的左右视野交叉原理，使用两个发光二极板用两个频率同时刺激，合成一个目标。在大脑枕区利用典型相关分析方法检测左右部分的频率成分。通过左右视野的频率组合，n个频率可以形成n的平方个目标数，比传统的目标呈现方式所能实现的目标数目提高了n倍。具有3很大的理论研究和实际应用意义。
发明内容本发明在稳态视觉诱发电位的经典刺激模式的基础上提出了一种新的目标呈现方法，可以采用有限的频率资源实现更多的目标辨识。本发明的特征在于，该方法依次含有以下歩骤步骤l，把脑电测试电极放在被使用者头部枕区P1P8、P03P08、01、02位置，把参考电极放在被检测者的耳部，接地电极接地，所述各电极得到的脑电信号经放大和模/数变换后送往计算机的USB接口；步骤2，将两个大小适中的闪烁发光块放置于使用者前方下述位置以双眼中心为焦点，左右摆设，间距为lcm左右，闪烁发光块的中间位置为使用者注视焦点，选定频率A和频率B，频段都为813Hz左右，所述左右发光闪烁块分别以所述频率A或B不断闪烁，以此，所述两个闪烁发光块组合成为一个目标，根据左右不同组合呈现4种目标，即左右两个闪烁发光块的频率都为A或B，以及分别为频率A或频率B;步骤3，根据歩骤2，使用所述两个闪烁发光块按照组合，形成4个目标后，按以下歩骤进行歩骤31，使用者注视所述4个目标中的任一个；歩骤32，所述计算机在发出并口同步信号同时，通过所述测试电极记录脑电波，分别使用相关分析方法计算大脑枕区左右两半部分与刺激频率的相关系数，所述歩骤32依次包含以下操作首先对脑电波作滤波处理，以排除50Hz工频干扰；其次作基线处理，去除基线漂移使各脑电波都成为平稳的，均值接近为0的信号；再次，减少眼电伪迹，去掉包含眼动的那次刺激所对应的数据；然后，把每次脑电电位的刺激时刻对齐，分别选取枕区左右两半部分脑电信号作为两个集合；最后，所述计算机根据刺激频率和左右两半部分脑电信号做相关分析提取频率成分信息；歩骤33，根据计算所得的所述相关系数的大小，判断出使用者所注视的目标；步骤34:所述计算机根据检测出的目标进行相应的视觉反馈提示；步骤35:若顺利完成目标选择，则返回步骤32，重复步骤32—35，进行下一轮选择。经实验证明，本发明具有以下优点(1)基于稳态视觉诱发电位，故具有稳态视觉诱发电位脑-机接口的优点，即传输速率高，仅需较少的训练，设备简单。(2)同时在(1)基础上，使用左右视野两个频率的刺激模式来构造目标，则可以大幅提高目标数目。(3)对于普遍人信噪比高的Ot频段，所能使用的频率非常有限，而使用该目标呈现方式，可以在信噪比高的a频段构造更多的目标。(4)采用脑电记录方法，是无创无损的方法。图l目标刺激模式图；图2导联选择示意图；图3目标识别策略框图；图4脑电波检测结果示例；图5典型相关分析系数比较图。具体实施例方式本文发明的刺激模式见图1所示。十字叉左右两边的刺激块距离十字叉各为0.5cm，刺激块大小为3cmx6cm。A刺激块位于受试的左视野区，B刺激块位于右视野。两个刺激块组合成一个目标，受试注视十字叉位置，而常规的稳态视觉诱发脑机接口采用一个频率闪烁块呈现目标。根据神经科学的视野交叉原理，两个视野的频率成分将分别投影在大脑枕区左右两半部分，图中的字母'A'、'B'标识了投影的对应关系。这里以14、18Hz两个频率为例。两个频率按照左右视野组合，则可形成2种不同的目标，再加上左右视野使用相同频率形成的目标，最终共可呈现4种目标，如表1所示，其中目标i和目标2左右视野的刺激频率不相同，目标3禾n目标4左右视野分别采用了相同的刺激频率。表1目标的频率组合及投影关系目标左视野块右视野块左半枕区右半枕区/Hz/Hz投影/Hz投影/Hz目标lABBA目标2BAAB目标3AAAA目标4BBBB常规的稳态视觉诱发脑机接口利用两个频率只能呈现两个目标，即，目标3和目标4两个目标。而采用左右视野两个频率同时刺激的的方法，系统可以多出两个目标，即，目标l和目标2的形式。'使用者的脑电信号采用通用的脑电记录设备，采样频率为1000Hz。记录时采用64个导联，导联位置按照国际惯例10-20系统。参考电极位于左右乳突位置。使用者只要注视所有选择的目标的中心十字叉的位置，其脑后部视觉区域记录到的脑电信号就会包含使用者所注视目标的组合频率A和B的信息。通过以下方法可以检测出这些信息，并判断出使用者注视的目标。典型相关分析(CanonicalCorrelationAnalysis,CCA)是研究两组多维变量之间线性关系的一种统计方法，它将简单相关分析拓展到了两组变量的范畴。其最终目标是寻找两个线性组合，使得两组多维变量通过此线性组合后，其相关系数最大。这个相关系数描述了两组数据集合的关系。CCA在实际问题的研究中得到了广泛的应用，在脑电数据分析中同样也是适用的。对于脑电数据使用CCA方法，两组数据集合分别来自脑电信号和刺激信号。记试验采集的n导联脑电数据为贝!JCCA可以定义为如下问题分别寻找向量^与^，使得x、_y在向量^和ffv上的投影Z=x7'R、7=/^;之间的相关值最大，即本方法中脑电信号来自位于枕区附近的16个导联。考虑到本刺激呈现方法涉及到左右两个视野，故将16个导联的数据以Pz、P0z、0Z为对称轴，按左右分为两组，每组8导，记作EEG-L8，EEG-R8(图2)。同理，由于左右视野同时存在两个频率(A二14、B=18Hz)的剌激信号，故刺激信号数据集合根据频率不同分为两组，记作stimA，stimB。对两组脑电信号与两次不同频率的数据集合作CCA分析，最后共得到4个相关系数，分别记作PLA、PLB、PRA，pRB。得到这4个相关系数后，按照左右视野交叉的规律，可以通过下面的表格判断出使用最大。其中的p就是本方法所需要的相关系数。者注视的是哪一个目标。表2目标识别方法<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>用本方法对5名使用者进行了测试。与传统的目标呈现方式进行了比较。步骤如下(流程图参见图4):(1)取8个闪烁发光板，两个闪烁频率两两组成4个目标(AB，BA，AA，BB);(2)使用者选择所要注视目标的中央；(3)记录脑电波，使用典型相关分析方法，提取枕区左右部分的频率成分；测试时同歩记录脑电图，取标准脑电10-20导联系统中的P1P8、P03P08、01、02电极，耳部为参考电极，地电极在前额处。脑电信号的预处理主要包括滤波、去除基线漂移和减少眼电伪迹。滤波的目的是排除50Hz的工频干扰，以及其他噪声，通常采用带通滤波，高通一般为0.1-lHz，低通一般为10-20Hz。下一步是对各次刺激响应做典型相关处理，以检测出频率成分。将多个实测信号以时间基准点(刺激开始时刻)对齐，再将与同一时间对应的各样本数据与刺激频率模板数据集做典型相关分析，即可得到4个相关系数。(4)根据相关系数比较，根据表l判断受试者注视的目标。为判断目标识别情况，需要比较最终的相关系数大小，图5显示了相关系数的比较结果。少量测试结果表明平均测试时间4秒(不包括电极安装时间)，检测率和误检率均满意并达到使用要求。正确率比传统目标呈现方式略低，但是仍然符合使用要求，目标数成频率个数倍数增加，大幅提高了目标数目。权利要求1.基于左右视野两个频率刺激的稳态视觉诱发脑机接口方法，其特征在于，该方法依次含有以下步骤步骤1，把脑电测试电极放在被使用者头部枕区P1～P8、PO3～PO8、O1、O2位置，把参考电极放在被检测者的耳部，接地电极接地，所述各电极得到的脑电信号经放大和模/数变换后送往计算机的USB接口；步骤2，将两个大小适中的闪烁发光块放置于使用者前方下述位置以双眼中心为焦点，左右摆设，间距为1cm左右，闪烁发光块的中间位置为使用者注视焦点，选定频率A和频率B，频段都为8～13Hz左右，所述左右发光闪烁块分别以所述频率A或B不断闪烁，以此，所述两个闪烁发光块组合成为一个目标，根据左右不同组合呈现4种目标，即左右两个闪烁发光块的频率都为A或B，以及分别为频率A或频率B；步骤3，根据步骤2，使用所述两个闪烁发光块按照组合，形成4个目标后，按以下步骤进行步骤31，使用者注视所述4个目标中的任一个；步骤32，所述计算机在发出并口同步信号同时，通过所述测试电极记录脑电波，分别使用相关分析方法计算大脑枕区左右两半部分与刺激频率的相关系数，所述步骤32依次包含以下操作首先对脑电波作滤波处理，以排除50Hz工频干扰；其次作基线处理，去除基线漂移使各脑电波都成为平稳的，均值接近为0的信号；再次，减少眼电伪迹，去掉包含眼动的那次刺激所对应的数据；然后，把每次脑电电位的刺激时刻对齐，分别选取枕区左右两半部分脑电信号作为两个集合；最后，所述计算机根据刺激频率和左右两半部分脑电信号做相关分析提取频率成分信息；步骤33，根据计算所得的所述相关系数的大小，判断出使用者所注视的目标；步骤34所述计算机根据检测出的目标进行相应的视觉反馈提示；步骤35若顺利完成目标选择，则返回步骤32，重复步骤32—35，进行下一轮选择。全文摘要基于左右视野两个频率刺激的稳态视觉诱发脑机接口方法涉及视觉脑机接口中的视觉刺激呈现方法，其特征利用视觉左右视野交叉的原理，通过两个闪烁频率组合出4种不同的目标；通过脑电采集设备在视觉脑区记录到多导脑电信号后，用相关分析法识别出使用者注视的是哪一个目标。本发明的设备和方法中包括脑电信号的记录方式、导联选择以及信号预处理、特征提取方法。本发明的视觉目标呈现方法可用普通计算机屏幕显示器实现，目标大小、亮度甚至颜色容易控制，和其他稳态视觉诱发脑机接口相比，在可用频率有限的情况下能够增加目标个数，从而提高脑机交互能力。文档编号G06F3/01GK101477405SQ200910076209公开日2009年7月8日申请日期2009年1月5日优先权日2009年1月5日发明者波洪,铮闫,高上凯,高小榕申请人:清华大学