分为第一 类;邑(^)<0，则^￡〇2，第二类权重系数占优，将其分为第二类;邑(^)=0，则^￡〇1或义￡ ?2,两类权重相同。
[0055] 因此，LDA的核屯、思想就是寻求最优的权重系数所对应的判别函数构成分类器，达 到两类别间距最大化。本发明实施例中的脑电信号分为两类：目标刺激后脑电信号(视觉诱 发P300电位特征信号s(k))和非目标刺激后脑电信号，依据LDA分类决策规则，通过上述的 分类器可识别出当前刺激是目标还是非目标，进而定位出用户想要拼写的目标字符。
[0056 ] 3、贝叶斯准则下的动态停止策略
[0057] 本发明实施例的核屯、就是提出了一种基于贝叶斯准则的动态停止策略，实现BCI-Speller视觉刺激指令的自适应，能够在线进行BCI的结果输出。图4是本发明实施例采用的 动态停止标准（Dynamic Stopping Criterion,DSC)算法流程图。图示为BCI-Speller系统 背景下，且基于LDA分类结果进行说明表示的。
[0058] 在离线处理过程中，如图4中的上面一行流程说明，分类器会返回实验中每组目标 (Target)和非目标(Non-1:arget)字符的输出结果，通过运些结果应用一种叫做Kernel密度 估计算法(一种对服从高斯分布数据分析的估计方法），可W对分类器输出结果可能性的概 率密度函数(probability density function,P壯)进行估计，于是就有两个重要的概率密 度，即目标字符概率密度P (Xi I Hi)和非目标字符概率密度P (Xi I册），其中X康示分类器对于 一次闪烁的输出，即LDA二分类判别函数的决策值，Hi化0)表示出现的是否为目标字符。
[0059] 离线得到的参数会用于在线数据处理的实时控制，算法流程如图4下面一行所示。 运里关键的就是得出闪烁字符是否是为目标字符W及是否需要继续进行刺激的决定，该决 定所关注的是由离线数据分析的结论参数及在线数据分类器输出结果得到的后验概率 (posterior probability)，下面是原理说明。
[0060] -个字符为目标字符的概率更新是基于下面的贝叶斯准则(Bayes rule)给出的：
(6)
[0062]式中，P(ClX)是当前所有分类器的结果输出后，字符成为目标字符的概率估计值， X同上；P(C)是字符的先验概率；P(XlC)是分类器输出的可能性（即上面离线数据分析 Kernel估计得到的结果）；p(X)是分类器输出的概率。根据全概率公式，变换分母P(X)得到 下面公式：
(7)
[0064] 式中，提供了一种在离线数据采集完成后计算字符为目标字符的后验概率的方 法，由于此处为二分类问题，分母求和范围C =出或化。然而，对于在线算法，后验概率需要在 每闪烁一次后更新。如果考虑分类器输出为X=[X1，X2, . . .，Xn，. . .，XN]，并且假设分类器输 出之间相互独立，运种条件下的字符概率在n输出时刻有：
[0065] p(c|xi, . . . ,Xn)〇Cp(xi, . . . ,Xn|C)p(C)
[0066] =p(xn| C)p(xi, . . . ,Xn-I I C)p(C) (8)
[0067] =p(xn|c)p(c|xi, . . . ,Xn-l)
[0068] 式中，p(C|xi，. . .，Xn)为n次闪烁刺激后字符的后验概率;p(xi，. . .，Xn|C)为n次闪 烁刺激前字符的先验概率;P(XnIc)为第n次闪烁刺激当前字符的分类器输出可能性，由上 述概率密度曲线得到;P(xi，. . .，Xn-i|C)为n-1次闪烁刺激前字符的先验概率;p(C|xi，...， Xn-I)为n-1次闪烁刺激后字符的后验概率；K为正比于符号。
[0069] 因此，在第n次闪烁刺激后时刻，当前字符为目标字符的后验概率，可W由分类器n 时刻的输出可能性与n-1时刻的字符为目标字符的后验概率的比值得到。如果将闪烁刺激 按一定数量的集合处理(设为Si),则字符概率就可W由下面公式得出：
C 9)：
[0071]式中，P(ClX)是根据已有分类器输出得到的当前字符为目标字符的概率估计;P (Xi Ic,Si)是分类器输出为Xi的可能性，表示字符是否在闪烁集合Si中；分母表示到第i个闪 烁集合下的当前所有字符概率之和，即全概率，运里的求和要对两个类别及每次闪烁刺激 均求和。可见，用于更新字符概率的分类器输出可能性p(xi Ic,Si)依赖于该字符是否闪烁 了，目标字符是否闪烁对字符概率的影响见表1。
[007引如、:',|。5',.）二；/'||、 ： (1於 UH-V,- I //0； C 巧
[0073] 式中，给出了闪烁集合Si中是否包含目标字符的两种情况。如果Si中包含目标字 符，分类器理想输出应该是大的值。一个大的分类器决策值输出将会导致P(Xi I出)高的可能 性及P(Xi I曲)低的可能性。则更新的过程中，P(XilHi)取大值造成目标字符概率递增，而p(Xi 化)取小值造成非目标字符概率递减，目标字符概率超过设定阔值时即可输出。
[0074] 表1目标字符是否闪烁的影响
[0076]在一定闪烁刺激集合完成后，字符概率都会与设定阔值相比较来决定当前字符指 令是否可作为目标字符输出，其中阔值代表正确字符是否已经被选出来的置信程度。
[oow] -般阔值的选择是根据多次实验比较得出的比较优的经验值，阔值的大小直接影 响到正确率和运算时间运一对矛盾。当字符概率大于设定阔值则输出当前字符指令，进入 下一个字符的拼写，即实现了字符指令输出的动态停止。
[0078] 从脑电信号采集，提取，分类识别，动态停止策略应用直至指令输出的整个数据处 理过程如图1 (a)中计算机3包含内容所示。
[0079] 综上所述，本发明实施例提供的一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统，通过 上述P300视觉刺激装置1、脑电采集系统2W及计算机3实现了视觉刺激BCI-Speller系统字 符指令输出的动态停止，利用调整贝叶斯准则下动态停止标准的参数策略，能够动态、在线 地实现脑控拼写过程。
[0080] 实施例3
[0081] 下面结合图5对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：
[0082] 为验证本发明实施例提供的一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统中动态停 止策略引入的可行性，进行了对照实验测试:实验组为5名被试在引入动态停止策略的BCI-Speller条件下拼写20个字符的信息传输率，对照组为相同被试在传统静态标准(Standard State化iterion，SSC)策略（即闪烁刺激次数固定）的BCI-Speller条件下拼写20个字符的 信息传输率，结果如图5所示。
[0083] 可W明显看出，在BCI-SpelIer系统中本发明实施例提出的DSC策略与SSC策略相 比，前者信息传输率有明显提高，进一步验证了基于贝叶斯准则下动态停止策略引入对 BCI-Speller系统性能提高的有效性。
[0084] 综上所述，本发明实施例设计了一种基于贝叶斯准则下动态停止判别策略的BCI- Speller系统。该系统可W用于残疾人辅助、电子娱乐、工业控制、航天工程等领域，进一步 研究可W得到完善的脑-机接口系统，有望获得可观的社会效益和经济效益。
[0085] 本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的W外，其他器件的型号不做限制， 只要能完成上述功能的器件均可。
[0086] 本领域技术人员可W理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0087] W上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用W限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统，所述脑-机接口拼写系统包括:P300视 觉刺激装置、脑电采集系统和计算机，其特征在于， 所述P300视觉刺激装置，用于闪烁刺激范式，对用户想要拼写的目标字符发生闪烁刺 激； 所述脑电采集系统，用于探测脑电信号，并进行放大、滤波处理； 所述计算机，接收所述脑电采集系统传输的处理后脑电信号，从处理后脑电信号中提 取视觉诱发P300电位特征信号，根据所述视觉诱发P300电位特征信号、以及基于贝叶斯准 则下动态停止策略的阈值，判别目标字符输出与否。2. 根据权利要求1所述的一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统，其特征在于，所 述脑电信号中视觉诱发P300电位特征信号的提取方法具体为：式中，(幻为对多次测量脑电信号的叠加平均;Xl(k)表示第i次记录到的脑电信号；s (k)为脑电信号中所要提取的视觉诱发P300电位特征信号;m(k)表示第i次记录到的噪声 信号;变量k表示记录中第k个采样值。3. 根据权利要求1所述的一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统，其特征在于，所 述根据所述视觉诱发P300电位特征信号、以及基于贝叶斯准则下动态停止策略的阈值，判 别目标字符输出与否具体为： 通过线性判别分析对提取的视觉诱发P300电位特征信号进行分类识别，识别出当前刺 激是目标还是非目标字符； 当字符概率大于设定阈值，则输出当前字符指令，进入下一个字符的拼写，即实现了字 符指令输出的动态停止。4. 根据权利要求3所述的一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统，其特征在于，所 述字符概率具体为：式中，P(C|X)是根据已有分类器输出得到的当前字符为目标字符的概率估计;p(Xl I C， S1)是分类器输出为^的可能性，表示字符是否在闪烁集合S1中；分母表示到第i个闪烁集合 下的当前所有字符概率之和，即全概率。
【专利摘要】本发明公开了一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统，包括：P300视觉刺激装置、脑电采集系统和计算机，P300视觉刺激装置，用于闪烁刺激范式，对用户想要拼写的目标字符发生闪烁刺激；脑电采集系统，用于探测脑电信号，并进行放大、滤波处理；计算机，接收脑电采集系统传输的处理后脑电信号，从处理后脑电信号中提取视觉诱发P300电位特征信号，根据视觉诱发P300电位特征信号、以及基于贝叶斯准则下动态停止策略的阈值，判别目标字符输出与否。本发明克服了传统静态闪烁刺激范式存在的信息传输速率低的缺陷，更接近实际应用，有望为新型BCI-Speller提供关键技术保障，也为脑-机接口尽快步入大范围应用阶段奠定基础。
【IPC分类】G06F3/023, G06F3/01
【公开号】CN105528072
【申请号】CN201510870583
【发明人】明东, 王仲朋, 陈龙, 郭仡, 赵雅薇, 许敏鹏, 綦宏志, 周鹏, 杨佳佳, 何峰, 张力新
【申请人】天津大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2015年12月2日