专利名称：一种利用诱发电位反映脑部主观动机信号的脑机接口方法
技术领域：
本发明属于脑机接口领域，具体涉及一种以事件相关电位为关键技术反映大脑脑部信号的脑电分析方法，包括利用像素随机化模糊图片作为刺激材料以及事件相关电位VPP和P2成份作为关键信号的相关技术。
背景技术：
脑机接口(Brain Computer Interaction, BCI)是一种不依赖于外周运动神经或肌肉参与，而只依靠大脑皮层向外部输出指令，从而建立人脑与外界交流通道的技术。其中的核心技术是通过非侵入式的获取装置采集脑电信号(Electroencephalography, EEG),利用计算机处理和识别信号中隐藏的模式和信息，转换成为计算机的输出，完成对外部设备的直接控制。事件相关电位(Event Related Potentials, ERPs)是指同刺激事件相关的、并在时间上同刺激锁定的EEG信号平均后所观察到的一系列电位变化。它不仅依赖于外界刺激的物理属性，也与大脑的主观加工和认知状态有密切的关系。在各类事件相关电位成分中，P300是一种应用广泛的成分。它是指在刺激呈现后的300毫秒左右脑电中出现的较大正波。目前与P300相关的专利有“基于视觉P300-Speller脑-机接口方法”(201110325897.1)”和“基于P300脑电电位的中文输入BCI系统” (200710164418.6)。上述专利的内容全文引入本说明书中，以资参考。传统的基于P300的BCI系统主要运用Farwell和Donchin所设计的6X6的刺激界面，每一个单位格中呈现一个字母或数字，通过随机行闪烁或列闪烁，使受试者不断接受视觉刺激。此时，当行或列闪烁出使用者心中所想的字母时，即出现小概率事件，ERP信号中将出现波幅较大的P300。通过特征提取和分类算法，求出靶刺激出现的行和列，就能够计算出使用者心中所想的目标字母或数字。接着，又可以通过字母和数字的依次组合，反映出受试者想表达的内心活动。除了 P300，目前还有另一种人脸特异识别波N170也可用来作为脑机接口的信号指标。“基于人脸识别特异性波N170成分的脑机接口系统”(申请号200810147312.X，公开号CN 101339455A)的专利发明中，N170作为对人脸刺激敏感的特异性成分，能够较明显地反映出大脑信号的变化。基于N170的脑机接口系统能够克服其它类型的脑机接口系统所普遍存在的弱点捕捉非常微弱的脑电信号的过程中，即要保证正确率和传输速度，又要保证实时的控制具有很大的困难。然而，该系统却存在一个很大的缺陷，即只能用作图片分类的操作控制，并不能反映大脑中更多丰富的主观意图和动机。这一缺陷与N170本身的属性有关N170主要依赖于刺激的物理属性所引发的自下而上的加工，而非脑部信号引发的自上而下的认知加工和指令。同样，上述专利的内容全文引入本说明书中，以资参考。
发明内容
鉴于上述内容，本发明人经潜心钻研事件相关电位，利用人脸加工的特异性和大脑对此加工过程自上而下的调制，来反映大脑的脑部信号，而不局限于人脸图片的分类。其中，能够受到自上而下调制的与人脸加工有关的脑电成分是P2和顶正电位。其中，P2是指在视觉刺激出现200毫秒(其中，“P”表示Positive，“2”表示200毫秒)后脑电中所出现的正波，顶正电位(Vertex Positive Potential, VPP)是指在视觉刺激出现后的170毫秒左右在大脑中央顶叶所出现的正波。本发明的目的是提供一种利用P2和VPP反映大脑脑部信号的脑机接口方法，并能够达到可靠的判断正确率。该方法能够拓展脑机接口系统中所使用的事件相关电位成分的类别范围，使得目标脑电成分不局限于P300和NI70。利用本发明提供的基于P2和VPP反映大脑脑部信号的脑机接口方法，具有以下优点(I)利用VPP和P2能够受到大脑动机自上而下调节的特性，首次使用VPP和P2作为脑机接口技术的关键脑电成分，拓展了脑机接口目标脑电成分的范围；(2 ) VPP和P2分别位于大脑顶叶正中和颞叶两侧，采用两个不同脑区的脑电成分联合信号作为判断分类标准，提高信号判断的准确性；(3)本发明不需要基于使用者任何的外周系统的动作，包括注视点的移动，只需要在大脑中进行人脸或非人脸的想象，即可获得有效信号。而其它系统做不到这一点基于SSVEP的系统(参见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，申请号200910076209,公开号CN101477405A。该文献全文引入本说明书中，以资参考。)需要借助注视点的移动来获得不同频率下的视觉稳态反应，基于P300也许需要借助注视点的移动来关注不同行和列的变化；(4)颅外脑电记录是非侵入式记录方法，对使用者没有损害，可用于残疾人士的支持辅助系统。根据本发明的一个方面，提供一种基于P2和顶正电位反映脑部信号的脑机接口方法，包括步骤(I):播放视觉刺激信号；步骤(2):采集由所述视觉刺激信号所诱发的脑电信号；步骤(3):对采集到的所述脑电信号进行处理，获得所述P2和顶正电位波形；步骤
(4):根据所获得的所述P2和顶正电位波形信号进行分析，得到脑机接口控制信号；步骤
(5):通过所述脑机控制信号控制输出装置以产生输出信号。
根据本发明的一个方面，在步骤(I)中，采用图片刺激器将清晰图片转化为模糊图片，从而产生所述视觉刺激信号。
根据本发明的一个方面，在步骤(2)中还包括将顶叶和颞枕叶位置的目标电极Cz，FCz，P5/6，P7/8，P05/6，P07/8处获取的脑电信号经过放大器放大、进行数模转换，以数字形式存储于计算机中。
根据本发明的一个方面，在步骤(3)中对脑电信号进行处理，还包括预处理去眼电、基线矫正、线性矫正和滤波等处理的至少一种。
根据本发明的一个方面，在步骤(4)中具体包括
提取P2和顶正电位的波幅与潜伏期，检测人脸诱发和非人脸客体诱发的ERP成分的显
著差异；
对P2和顶正电位的联合信号进行特定频率段和特定时间窗内的分类检测；
根据P2和顶正电位的分类检测结果进行判断，得到脑机接口控制信号；
根据本发明的一个方面，步骤(5)中还包括将所述输出信号进行可视化。
图1为本发明的系统构成示意图；；图2为本发明使用的模糊图片刺激示例图；图3为根据本发明提出方法实现导联选择示意图；图4为想象人脸和非人脸条件下VPP和P2的波形差异结果图；图5为P2和VPP信号分类检测示意图。
具体实施例方式以下參照本发明的附图，通过具体的实施例对本发明的技术方案作进ー步描述。应理解的是本发明提供的检测方法能够在不同的实例上具有各种变化，基于本发明思想的各种变化的实例皆不脱离本发明的范围；且本发明中的附图在本质上作为说明之用，例如绘图元件并不一定是按比例绘制也不限定特定的设备，描述特定顺序或行为也不要求相于次序这样的特定性。即本发明中的附图只为解释说明本发明的方法及系统，而非用以限制本发明。根据本发明的一个实施例，提供一种基于P2和VPP反映大脑脑部信号的脑机接ロ方法，包括
通过图片刺激器播放视觉刺激；
采集视觉事件诱发的脑电信号并进行处理，将脑电信号采集系统的电极安置于目标位置，即Cz，FCz，P5/6，P7/8，P05/6，P07/8。參考电极置于鼻尖，接地电极接地。采集视觉事件诱发的脑电信号；将各电极获取的脑电信号经过放大器放大、进行数模转换，以数字形式存储于计算机中；对脑电信号进行处理分析，预处理步骤包括去眼电、基线矫正、线性矫正和滤波；利用事件相关电位的核心技术即叠加平均原理，获得P2和VPP ；
对P2和VPP的联合信号进行分析得到脑机接ロ控制信号。提取P2和VPP的波幅与潜伏期，检测人脸诱发和非人脸客体诱发的ERP成分的显著差异；根据P2和VPP的联合信号，利用分类算法对使用者的动机进行“是”或“否”的判断，得到脑机接ロ控制信号；
通过信号输出装置输出信号。
如图1所示，本发明的系统包括图片刺激器、信号采集装置、信号处理装置、信号输出装置。
图片刺激器为了能够让使用者对播放的图片刺激进行更生动的想象，本发明采用像素随机化的模糊图片作为材料。从已有图片库中选取灰阶人脸和房子图片，将人脸和房子图片进行像素随机化处理，即将所有的像素选中井随机打乱组成ー张新的图片。图2中的a部分是原始的人脸和房子图片，图2中的b部分是通过像素随机化处理后得到的实验所用的模糊图片。本实例中采用刷新频率60Hz，分辨率为1024X768像素的显示器，图片刺激的视角为10. 5°。信号采集选取标准系统的64导电帽(图3)，材料为银/氯化银(Ag/AgCl)合金，这种合金的极化电压最小，适合用于采集微弱的脑电信号。按照脑电实验标准流程为使用者佩戴电极帽，接地电极置于头顶，參考电极置于鼻尖。相较于平均參考和双侧乳突參考方式，鼻尖參考能够更好地反映脑电信号，尤其是増加枕颞两侧的信号強度。此外，为了确保信号的高质量，还记录水平眼电和垂直眼电，用于进行伪迹排除。 在本实例中，采集信号的电极位置在P5/6、P7/8、P05/6、P07/8、Cz、FCz (图3标注部分)。其中，P5/6、P7/8、P05/6、P07/8用于采集P2成分的信号，Cz和FCz用于采集VPP成分的信号。数据采集过程中保证所有电极处的头皮电阻小于4. 3kQ。系统采样率为1000Hz，带宽0. 05-40HZ。获取的信号通过放大器进行放大，放大增益达到3000倍以上。将放大后的信号送入数据采集器中，进行数模转换，A/D转换器选取16位，根据本发明的实施例，最后信号以Neuroscan系统的CNT格式的数字文件存储于计算机中。脑电信号处理脑电信号的预处理是为了減少信号中的伪迹，提高信号的质量。首先，将基线漂移
超过±100UV的信号进行矫正，排除眨眼伪迹严重的信号段。根据本发明的一个实施例，可以采用如下的眼电矫正具体方法
1)计算每个EEG导所含的眼电与眼部电极所含的眼电之比值，即各导的传播系数By。
2)根据传播系数By，从各导的EEG信号中减去眼电信号。其中，根据本发明的一个实施例，传播回归系数By的计算方法如下[參考Gratton et al. (1983)，Anewme thoa for of1-lme removal of ocular artifact，Electroencepgaiogr しIinNeuropgysiol, 55:468-484]
权利要求
1.一种基于P2和顶正电位反映脑部信号的脑机接口方法，包括步骤(I):播放视觉刺激信号；步骤(2):采集由所述视觉刺激信号所诱发的脑电信号；步骤(3):对采集到的所述脑电信号进行处理，获得所述P2和顶正电位波形；步骤(4):根据所获得的所述P2和顶正电位波形信号进行分析，得到脑机接口控制信号;步骤(5):通过所述脑机控制信号控制输出装置以产生输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(I)中，采用图片刺激器将清晰图片转化为模糊图片，从而产生所述视觉刺激信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中还包括将顶叶和颞枕叶位置的目标电极Cz，FCz, P5/6，P7/8，P05/6, P07/8处获取的脑电信号经过放大器放大、进行数模转换，以数字形式存储于计算机中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中对脑电信号进行处理，还包括预处理去眼电、基线矫正、线性矫正和滤波等处理的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中具体包括提取P2和顶正电位的波幅与潜伏期，检测人脸诱发和非人脸客体诱发的ERP成分的显著差异；对P2和顶正电位的联合信号进行特定频率段和特定时间窗内的分类检测；根据P2和顶正电位的分类检测结果进行判断，得到脑机接口控制信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中还包括将所述输出信号进行可视化。
全文摘要
本发明提供一种基于P2和VPP反映大脑脑部信号的脑机接口方法，主要包括通过图片刺激器播放视觉刺激；采集视觉事件诱发的脑电信号并进行处理；对P2和VPP的联合信号进行分析得到脑机接口控制信号；通过信号输出装置输出信号。利用本发明提供的基于P2和VPP反映大脑脑部信号的脑机接口方法，拓展了脑机接口目标脑电成分的范围，提高信号判断的准确性，不需要基于使用者任何的外周系统的动作即可获得有效信号，对使用者没有损害，可用于残疾人士的支持辅助系统。
文档编号G06F3/01GK103019382SQ20121054855
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者李量, 陆灵犀, 田永鸿, 黄铁军, 吴玺宏, 高文 申请人:北京大学