專利名稱：Ssvep-bci系統(tǒng)多頻排列編碼以及識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物信息技術(shù)，特別涉及腦-機接口技術(shù)。
背景技術(shù)：
腦-機接口(Brain Computer Interface, BCI)是利用計算機或其他外部電子設(shè)備實現(xiàn)人腦與外界進行直接交流和控制通道。基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(Steady-MateVisual Evoked Potential, SSVEP) 腦-機接口所基于的原理是，當大腦受到大于4Hz頻率恒定的外界視覺刺激時，將會產(chǎn)生一個和外界刺激頻率或其諧波頻率相同的響應(yīng)。由于SSVEP是大腦的內(nèi)源反應(yīng)，這類信號具有很高的信噪比、很強的穩(wěn)健性以及較少的訓(xùn)練等特點，使得基于SSVEP的腦-機接口 (SSVEP-BCI)有較高的信息傳輸率，一直是BCI在線系統(tǒng)研究的一個重要方向。SSVEP-BCI 中的采集系統(tǒng)能夠獲得來自使用者大腦的當前SSVEP，再根據(jù)SSVEP得知使用者當前注視的模塊，從而根據(jù)當前注視的模塊所編碼的命令完成相應(yīng)的操作。SSVEP-BCI系統(tǒng)中非常重要的一部分是誘發(fā)SSVEP的刺激模塊。每一個刺激模塊使用唯一的頻率進行的編碼。當使用者注視不同的刺激模塊時，大腦將產(chǎn)生不同頻率的 SSVEPo當今主要有三種刺激器用來實現(xiàn)刺激模塊液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)，陰極射線管顯示器(Cathode Ray iTube，CRT)，發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode, LED)。對于LED刺激器，可以誘發(fā)出l_90Hz范圍的SSVEP。相對于LED刺激器，以 CRT和LCD刺激器能夠發(fā)出的頻率范圍更窄，加上受到刷新頻率的限制，可用的有效頻率非常有限，使用傳統(tǒng)的單頻編碼方式無法實現(xiàn)在一臺刺激器上實現(xiàn)足夠多的刺激模塊以滿足實際應(yīng)用需求，這給以CRT和LCD為刺激器的系統(tǒng)的實際應(yīng)用帶來了限制范圍。為使用有限的頻率在刺激器上實現(xiàn)更多的刺激模塊，目前主要通過頻率組合編碼和操作組合的兩種方法。頻率組合編碼2006年在生理測量上公開的一種基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦-機接口的新多頻刺激方法以及2010年在神經(jīng)科學短文中公開的雙頻穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦-機接口(Srihari Mukesh TM, Jaganathan V, Reddy MR(2006)A novel multiple frequency stimulation method for steady state VEP based brain computer interfaces. Physiol Meas 27 :61-71. ；Shyu KK,Lee PL,Liu YJ,Sie JJ (2010) Dual-frequency steady-state visual evoked potential for brain computer interface. Neurosci Lett 483 :28-31.)提出了每一個刺激模塊由兩種或者兩種以上頻率組合同時進行調(diào)制，可以增加刺激模塊數(shù)量。例如3個頻f\、f2、f3，可以實現(xiàn)6種組合頻率編碼(分別是f” f2、f3、f\f2、f2f3、f\f2f3)，比傳統(tǒng)單頻編碼多實現(xiàn)3個刺激模塊。N個頻率，可以得到C》個刺激模塊。但是，頻率組合編碼中，根據(jù)Teng等在2010年美國計算機學會會議中提到的，雙正弦波刺激下的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的不同頻率之間容易相互干擾， 使得有些頻率成分消失，從而無法被識別(Teng F，Choong AM, Gustafson S，Waddell D，Lawhead P,et al. Steady state visual evoked potentials by dual sine waves ；2010. ACM. pp. 50.)。操作組合在2010年IEEE神經(jīng)系統(tǒng)康復(fù)工程會刊中報道的，基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦-機接口系統(tǒng)的，自控步調(diào)校準的拼音打字系統(tǒng)中，利用有限頻率對基本操作模塊進行編碼，然后通過組合操作的方式完成所有應(yīng)用模塊(刺激模塊)的選擇(Cecotti H(2010)A self-paced and calibration-less S SVEP-based brain-computer interface speller. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 18 :127-133.)。但是，操作組合是間接式的，由于操作步數(shù)多，要完成一個刺激模塊需要的時間比傳統(tǒng)的編碼方式要多。利用有限可用頻率得到更多刺激模塊的直接編碼方法，無疑將推進SSVEP-BCI系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，在基于SSVEP-BCI系統(tǒng)中提供一種用相同數(shù)量的可用頻率實現(xiàn)更多刺激模塊的多頻排列編碼方法，另外，根據(jù)新的編碼方法提供一種對應(yīng)的刺激模塊識別方法。本發(fā)明為解決上述問題采用的技術(shù)方案是，SSVEP-BCI系統(tǒng)多頻排列編碼方法，包括以下步驟將所有可用頻率置于編碼頻率集合中；各刺激模塊由唯一的頻率排列進行周期性編碼，一個編碼周期由2個或2個以上的時間片段組成；各刺激模塊在一個時間片段內(nèi)使用編碼頻率集合中的一個可用頻率進行編碼；各刺激模塊在一個編碼周期內(nèi)所使用的頻率的排列在刺激器中是唯一的。本發(fā)明在現(xiàn)有的單頻編碼的模式上增加了時間因素，在一個編碼周期內(nèi)按照先后的時間順序使用特定頻率排列周期性地進行編碼。不同于無順序的頻率組合方式，采用有順序的頻率排列方式。在元素數(shù)量相同的情況下，排列因為其有序性，比無序的組合得到更多的不同的情況。當刺激器可提供SSVEP-BCI使用的編碼頻率集合為F= {^,^,...,fj, 設(shè)定一個編碼周期由M個時間片段組成。由可重復(fù)置換理論可得到，N個序列可以得到Nm 種排列，利用這些排列，對SSVEP-BCI系統(tǒng)中模塊實施相應(yīng)的編碼，即本發(fā)明方法在N個可用頻率的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)Nm個刺激模塊的直接編碼，每個刺激模塊都擁有自己唯一的編碼或者說唯一的頻率排列。相應(yīng)的，刺激模塊識別方法，包括以下步驟腦電信號采集模塊與刺激器同步；刺激器將各時間片段的標簽發(fā)送至腦電信號采集模塊；腦電信號采集模塊將時間標簽一起送到腦電分析模塊；腦電分析模塊根據(jù)時間標簽提取出各時間片段的腦電信號，并對各時間片段中的腦電信號的頻率進行識別，得到時間片段對應(yīng)頻率，再根據(jù)一個編碼周期內(nèi)的頻率的排列查找刺激模塊。本發(fā)明的有益效果是，相比現(xiàn)有技術(shù)，用相同數(shù)量的可用頻率可實現(xiàn)對更多刺激模塊的編碼，使得SSVEP-BCI系統(tǒng)能得到更廣泛的利用。并且，刺激模塊在編碼時，同一時間片段內(nèi)僅使用一個頻率，可有效避免多頻組合編碼中產(chǎn)生的頻率相互干擾問題。同時，由于能實現(xiàn)的目標編碼個數(shù)較多，能夠保證每個刺激模塊都是直接編碼，不需要多次組合操作，不用增加系統(tǒng)操作時間，保證系統(tǒng)的信息傳輸效率。


圖1多頻序列編碼方式原理圖。圖2編碼長度為2的多頻序列編碼方式示意圖。圖3多頻序列編碼方式下刺激模塊識別示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。本發(fā)明的多頻率序列編碼(multiple frequencies sequential coding, MFSC), 利用頻率的在時間尺度上的置換完成對SSVEP-BCI系統(tǒng)刺激模塊的編碼，是一種周期性的直接編碼方案。在單個周期內(nèi)的編碼方式如圖1所示，在單個周期內(nèi)，時間被劃分為M個時間片段，每個時間片段長度可以相同，或其中部分相同，也可以互不相同。在某個時間片段內(nèi)，可從編碼頻率集合中(假設(shè)為F = If1, fi; fN})選擇一種頻率對刺激模塊進行編碼。不同的時間片段內(nèi)所采用的頻率，可以是相同，或其中部分相同，也可以互不相同。例如圖1中，IV·· IV·· Tm這M個頻率中，TiG = 1，…，M)可以是集合F中的任何一個頻率。 由于新的編碼方案加入了時間因素，從理論上，M個時間片段，N個編碼頻率得到的刺激編碼模塊數(shù)量是NM。對于不同的編碼方案，同樣的頻率集合得到的刺激模塊數(shù)量對比如下表 (表中時間片段個數(shù)M = 2)
權(quán)利要求
1.SSVEP-BCI系統(tǒng)多頻排列編碼方法，其特征在于，包括以下步驟將刺激器所有可用頻率置于編碼頻率集合中；各刺激模塊以唯一的頻率排列進行周期性編碼，一個編碼周期由2個或2個以上的時間片段組成；各刺激模塊在一個時間片段內(nèi)使用編碼頻率集合中的一個可用頻率進行編碼；各刺激模塊所使用的頻率的排列在刺激器中是唯一的。
2.如權(quán)利要求1所述SSVEP-BCI系統(tǒng)多頻排列編碼方法，其特征在于，一個編碼周期內(nèi)各時間片段長度相同。
3.如權(quán)利要求1所述SSVEP-BCI系統(tǒng)多頻排列編碼方法，其特征在于，一個編碼周期內(nèi)各時間片段長度互不相同或部分相同。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述SSVEP-BCI系統(tǒng)多頻排列編碼方法，其特征在于，在每個編碼周期的結(jié)尾部分增加一個不進行編碼的休息時間片段。
5.刺激模塊識別方法，其特征在于，包括以下步驟腦電信號采集模塊與刺激器同步；刺激器將各時間片段的標簽發(fā)送至腦電信號采集模塊；腦電信號采集模塊將時間標簽一起送到腦電分析模塊；腦電分析模塊根據(jù)時間標簽提取出各時間片段的腦電信號，并對各時間片段中的頻率進行識別，得到時間片段對應(yīng)頻率，再根據(jù)編碼周期內(nèi)的頻率的排列查找刺激模塊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種SSVEP-BCI系統(tǒng)多頻排列編碼方法，另外，根據(jù)新的編碼方法提供一種對應(yīng)的刺激模塊識別方法。本發(fā)明在現(xiàn)有的單頻編碼的模式上增加了時間因素，在一個編碼周期內(nèi)按照先后的時間順序使用特定頻率排列周期性地進行編碼。不同于無順序的頻率組合方式，采用有順序的頻率排列方式。在元素數(shù)量相同的情況下，排列因為其有序性，比無序的組合得到更多的不同的情況。由可重復(fù)置換理論可得到，N個序列可以得到NM種排列，利用這些排列，對SSVEP-BCI系統(tǒng)中模塊實施相應(yīng)的編碼，即本發(fā)明方法在N個可用頻率的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)NM個刺激模塊的直接編碼，每個刺激模塊都擁有自己唯一的編碼或者說唯一的頻率排列。
文檔編號A61B5/048GK102512164SQ201110376669
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者堯德中, 張楊松, 徐鵬 申請人:電子科技大學