專利名稱：基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系統(tǒng)。特別是涉及一種能夠 達到腦機接口系統(tǒng)較高的準確率和較快的通訊速度的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視 覺誘發(fā)電位腦機接口系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機接口系統(tǒng)是利用視覺刺激器誘發(fā)腦電信 號來實現(xiàn)人腦與外圍設(shè)備的通信與交流的途徑。它不需要語言或者動作作 為信息傳遞的媒介，就可以實現(xiàn)人腦與外界交流和對外圍設(shè)備的控制。對 于嚴重運動障礙人士，腦機接口可以為他們提供與外界交流的媒介，提高 他們的生活質(zhì)量。在腦機接口系統(tǒng)中，控制信號的提取是關(guān)鍵技術(shù)。腦機 接口技術(shù)可以實現(xiàn)對電視、電燈的開關(guān)實現(xiàn)控制，同時也可以協(xié)助殘疾人 進行電腦等設(shè)備的操作。
視覺誘發(fā)電位(Visual Evoked Potential, VEP)根據(jù)刺激信號的不 同可以分為瞬態(tài)誘發(fā)電位和穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位(Steady State VEP， SSVEP)。 瞬態(tài)誘發(fā)電位的刺激頻率一般不超過2Hz，當新刺激來到之前，上一個刺激 響應(yīng)已經(jīng)結(jié)束了。如果刺激的頻率超過了 6Hz，各次刺激引起的VEP在時間 上發(fā)生重疊，就形成了穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位以其高信息 傳輸率、短訓(xùn)練時間、特征易于提取等優(yōu)點被稱為是一種具有應(yīng)用價值的 腦機接口輸入信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠達到腦機接口系統(tǒng)較高 的準確率和較快的通訊速度的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系 統(tǒng)及控制方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 一種基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦 機接口系統(tǒng)，包括有依次串連連接的信號采集模塊、腦電處理裝置和顯示
4界面，以及通過視覺剌激來使大腦產(chǎn)生腦電信號的視覺刺激器，所述的顯 示界面也通過視覺向信號采集模塊反饋所采集到的信號。
所述的信號采集模塊包括有與人體腦部連接的頭皮電極，與頭皮電極 相連接收該頭皮電極所發(fā)出的信號的腦電放大器，以及與腦電放大器相連 的腦電采集模塊，所述的腦電采集模塊的輸出端連接腦電處理裝置的信號 輸入端。
所述的視覺刺激器包括顯示6種不同頻率的6組頻率顯示模塊，每一 組頻率顯示模塊又包括一個單片機和由單片機控制的數(shù)碼管，所述的單片 機通過譯碼器和與譯碼器相連的四個三極管控制數(shù)碼管(D3)的位選；所 述的單片機通過一個電阻控制數(shù)碼管的小數(shù)點；所述的單片機通過集成芯 片控制數(shù)碼管的段選，所述的數(shù)碼管所顯示的頻率是通過與單片機相連的 頻率設(shè)置按鍵進行設(shè)置，所述的單片機的P2接口通過一個三級管驅(qū)動LED 發(fā)光模塊。
所述的6組頻率顯示選用相同的單片機和相同的數(shù)碼管。 本發(fā)明的用于基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系統(tǒng)的控制方 法，包括如下階段
一) 設(shè)置視覺刺激器的頻率，使6個不同的LED發(fā)光塊以各自頻率穩(wěn) 定閃爍；
二) 將兩個頭皮電極放置在人體的腦后枕區(qū)，并使人的視覺對著視覺 刺激器的6個不同的LED發(fā)光塊，通過頭皮電極采集腦電信號并對采集到 的腦電信號進行放大和A/D轉(zhuǎn)換后送入腦電處理裝置進行腦電處理；
三) 通過顯示界面顯示處理后的腦電信息。
所述的設(shè)置視覺刺激器的頻率，是通過視覺刺激器的頻率設(shè)定鍵進行 設(shè)置。
所述的6個不同的LED發(fā)光塊所顯示的頻率分別代表上、下、左、 右、抓和放。
所述的腦電處理包括如下步驟 i )從信號采集模塊采集數(shù)據(jù)，并進行顯示和存儲；
ii) 判斷采樣時間是否大于設(shè)定的時間，不是，繼續(xù)進行數(shù)據(jù)存儲；
iii) 判斷采樣時間大于設(shè)定的時間，讀取數(shù)據(jù)；iv)對讀取的數(shù)據(jù)使用db5小波母函數(shù)進行三層小波分解，設(shè)定去噪
閾值后，利用db5小波進行高頻分量(dl+d2+d3)小波重構(gòu)；
v )將去噪后的信號利用db30小波進行四層小波包分解，然后重構(gòu)每 個子頻帶的信號；
vi) 提取6個刺激頻率所在子頻帶，并計算每個頻帶的信號能量；
vii) 進行能量歸一化，利用6個歸一化后能量構(gòu)成腦電信號的特征向
viii) 搜索特征向量的最大值；
ix) 根據(jù)搜索結(jié)果找出人腦所發(fā)出的指令，并進行顯示。 所述的計算每個頻帶的信號能量是通過如下公式進行計算E = |> ，
其中，^為信號序列的第i個小波系數(shù)，i=l，2，3，***，n， E為該子頻帶的信 號能量。
所述的能量歸一化是用誘發(fā)腦電各個頻帶能量減去響應(yīng)前的原始腦 電相應(yīng)頻帶的能量，再除以誘發(fā)腦電的總能量和原始腦電總能量之差。
本發(fā)明的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系統(tǒng)及控制方法， 不需要語言或者動作作為信息傳遞的媒介，就可以實現(xiàn)人腦與外界交流和 對外圍設(shè)備的控制。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位具有信息傳輸率高、訓(xùn)練時間短及 特征易于提取等優(yōu)點，因而是一種非常實用的腦機接口系統(tǒng)的輸入信號。 對于嚴重運動障礙人士，本發(fā)明可以為他們提供與外界交流的媒介，提高 他們的生活質(zhì)量。對于視覺正常的普通人在行動不便的情況下，本發(fā)明也 可以提供一種有效的與外界交流的途徑。


圖l是本發(fā)明的整體框圖2是本發(fā)明的視覺刺激器的電路原理圖3是本發(fā)明的控制方法流程圖。
射
1:信號采集模塊 2:腦電處理裝置
3:顯示界面 4:視覺刺激器11:頭皮電極 12:腦電放大器
13:腦電采集模塊
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦 機接口系統(tǒng)及控制方法做出詳細說明。
如圖l所示，本發(fā)明的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系統(tǒng)，
包括有依次串連連接的信號采集模塊1、腦電處理裝置2和顯示界面3，以 及通過視覺刺激來使大腦產(chǎn)生腦電信號的視覺剌激器4，所述的顯示界面3 也通過視覺向信號采集模塊1反饋所采集到的信號。
所述的信號采集模塊1包括有與人體腦部連接的頭皮電極11，與頭皮 電極11相連接收該頭皮電極11所發(fā)出的信號的腦電放大器12，以及與腦 電放大器12相連的腦電采集模塊13，所述的腦電采集模塊13的輸出端連 接腦電處理裝置2的信號輸入端。
所述的腦電放大器12采用申請?zhí)枮?00920096697. 1，發(fā)明名稱為"微 型腦電信號采集模塊"所公開的電路。
所述的腦電采集模塊13采用美國國家儀器(NI)公司生產(chǎn)的6024E數(shù)
據(jù)采集卡。
所述的腦電處理裝置2采用計算機。
如圖2所示，所述的視覺刺激器4包括顯示6種不同頻率的6組頻率 顯示模塊，每一組頻率顯示模塊又包括一個單片機Ul和由單片機Ul控制 的數(shù)碼管D3，所述的單片機Ul通過譯碼器U4和與譯碼器U4相連的四個三 極管Q1、 Q2、 Q3、 Q4控制數(shù)碼管D3的位選1、 2、 3、 4;所述的單片機Ul 通過一個電阻R17控制數(shù)碼管D3的小數(shù)點dip;所述的單片機Ul通過集成 芯片U5控制數(shù)碼管的段選a、 b、 c、 d、 e、 f，所述的數(shù)碼管D3所顯示的 頻率是通過與單片機Ul相連的頻率設(shè)置按鍵S3、 S2進行設(shè)置，單片機Ul 的P2接口通過一個三級管Q5驅(qū)動LED發(fā)光模塊Dl 。
所述的6組頻率顯示選用相同的單片機Ul和相同的數(shù)碼管D3。其中， 單片機Ul采用型號為AT89S52的單片機。
6塊相同的單片機Ul分別控制6路LED發(fā)光塊Dl的閃光頻率，并利用數(shù)碼管D3顯示當前的閃光頻率。并且利用了單片機外部兩個中斷接口買現(xiàn)
對頻率的加、減控制系統(tǒng)運行，即通過與單片機Ul相連的頻率設(shè)置按鍵S3、 S2進行設(shè)置。視覺剌激器以6種不同的頻率穩(wěn)定閃爍，以區(qū)分不同的控制 命令。頻率在5 — 20Hz的頻率范圍內(nèi)每隔0. 1Hz可調(diào)，頻率誤差在士O. OlHz。 為了避免相鄰LED之間的干擾，將發(fā)光塊封裝成邊長為2厘米的正方形， 相鄰發(fā)光塊的之間的距離是5厘米。
6個白色LED發(fā)光塊，分別以6個不同的頻率閃爍，代表6種控制命令， 受試者通過注視其中的一個頻率顯示模塊來選擇相應(yīng)的控制命令。頭皮電 極按照國際10-20系統(tǒng)置于0,、 02處，雙耳為參考電位。頭皮電極將采集的 腦電信號傳遞給腦電放大器12，經(jīng)過放大的腦電信號通過美國國家儀器 (NI)公司生產(chǎn)的6024E數(shù)據(jù)采集卡進行12位A/D轉(zhuǎn)換進入計算機。通過 計算機對腦電信號的分析處理，可以判斷出受試者選擇的控制命令。本系 統(tǒng)包含一個反饋環(huán)節(jié)，使用者可以通過字符輸出顯示界面3的輸出字符判 斷前步控制的有效性。
如圖3所示，本發(fā)明的的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系 統(tǒng)的控制方法，包括如下階段
一) 設(shè)置視覺刺激器的頻率，使6個不同的LED發(fā)光塊以各自頻率穩(wěn) 定閃爍；所述的設(shè)置視覺刺激器的頻率，是通過視覺剌激器的頻率設(shè)定鍵 進行設(shè)置。
二) 將兩個頭皮電極放置在人體的腦后枕區(qū)，并使人的視覺對著視覺 刺激器的6個不同的LED發(fā)光塊，通過頭皮電極采集腦電信號并對采集到 的腦電信號進行放大和A/D轉(zhuǎn)換后送入腦電處理裝置進行腦電處理；所述 的6個不同的LED發(fā)光塊所顯示的頻率分別代表上、下、左、右、抓和 放。
所述的腦電處理包括如下步驟
i )從信號采集模塊采集數(shù)據(jù)，并進行顯示和存儲；
ii) 判斷采樣時間是否大于設(shè)定的時間，不是，繼續(xù)進行數(shù)據(jù)存儲；
iii) 判斷采樣時間大于設(shè)定的時間，讀取數(shù)據(jù)；
iv) 對讀取的數(shù)據(jù)使用db5小波母函數(shù)進行三層小波分解，設(shè)定去噪 閾值后，利用db5小波進行高頻分量(dl+d2+d3)小波重構(gòu)；v )將去噪后的信號利用db30小波迸行四層小波包分解，然后直構(gòu)每 個子頻帶的信號；
vi) 提取6個刺激頻率所在子頻帶，并計算每個頻帶的信號能量；
所述的計算每個頻帶的信號能量是通過如下公式進行計算Ez力x,2 ，
其中，x,為信號序列的第i個小波系數(shù)，tl，2，3,…，n。 E為該子頻帶的信 號能量。
vii) 進行能量歸一化，利用6個歸一化后能量構(gòu)成腦電信號的特征向
所述的能量歸一化是用誘發(fā)腦電各個頻帶能量減去響應(yīng)前的原始腦 電相應(yīng)頻帶的能量，再除以誘發(fā)腦電的總能量和原始腦電總能量之差。
viii) 搜索特征向量最大值；
ix) 根據(jù)搜索結(jié)果找出人腦所發(fā)出的指令，并進行顯示。 三)通過顯示界面顯示處理后的腦電信息。
本發(fā)明的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系統(tǒng)的控制方法， 是在Labview平臺上完成。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位采集和處理的程序集腦電波 采集、腦電波形顯示、腦電信號實時處理和實驗結(jié)果反饋為一體。在完成 腦電波采集時，可以完成腦電采集通道，采樣頻率及時間的設(shè)置。在本系 統(tǒng)中標準設(shè)置為每4s鐘進行一次腦電信號的實時處理。腦電顯示區(qū)域可以 同步實時顯示腦電圖。采集到的腦電利用離散小波變換進行去噪預(yù)處理， 本發(fā)明是利用db5小波進行三層小波分解，然后利用分解后的高頻分量進 行小波重構(gòu)以達到消噪的目的。然后利用db30小波對信號做四層小波包分 解與重構(gòu)，共得到16個子頻帶。6個刺激頻率分布在6個不同的頻帶內(nèi)， 獲得6個刺激率所在頻帶的時間信號。
然后利用小波系數(shù)計算出子頻帶能量，假設(shè)一個子頻帶內(nèi)包含有n個小
波系數(shù)，則該頻帶的能量E可用公式E:txf計算，Xi為信號序列的第i個小
i=l
波系數(shù)，Pl，2，3，…，n。將各個子帶能量歸一化，為了更能顯示誘發(fā)后腦 電的變化情況，我們使用有刺激后的腦電能量減去預(yù)先測好的原始腦電相 應(yīng)子帶能量，計算公式為E(i)"e(i)-ee(i))/ ((e-ee)) ; i=l， 2， 3， 4, 5， 6，其中E (i)為第i個頻帶的歸一化能量。e (i)為視覺誘發(fā)后第i個頻帶的能量， ee(i)為沒有誘發(fā)時原始腦電第i個頻帶的能量，e為六個子頻帶誘發(fā)腦電的 總能量，ee為沒有誘發(fā)時原始腦電6個頻帶的總能量。即用誘發(fā)腦電各個頻 帶能量減去響應(yīng)前的原始腦電頻帶的能量，再除以誘發(fā)腦電的總能量和原 始腦電總能量之差。然后將各個刺激頻率所在的頻帶歸一化能量構(gòu)成特征 向量S^E1， E2， E3， E4， E5， E6]，并檢測特征向量的中的最大值進行模式識 別。識別結(jié)果代表不同的輸出字符反饋給受試者。本系統(tǒng)中還可以實時觀 察腦電能量譜圖，可以直觀的反應(yīng)實驗過程中腦電的變化情況。在反饋區(qū) 域?qū)嶒灲Y(jié)果會以動畫的形式反饋受試者發(fā)出的控制命令，屏幕上會出現(xiàn)代 表控制命令的不同字符。
實驗結(jié)果表明，最好情況下每2s受試者就可以向腦機接口系統(tǒng)發(fā)送一 控制命令。系統(tǒng)準確率達到了80%以上，達到了比較高的信息傳輸速率和準 確率。實驗結(jié)果表明，基于虛擬儀器技術(shù)的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系 統(tǒng)具有可行性和先進性。
權(quán)利要求
1.一種基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系統(tǒng)，其特征在于，包括有依次串連連接的信號采集模塊(1)、腦電處理裝置(2)和顯示界面(3)，以及通過視覺刺激來使大腦產(chǎn)生腦電信號的視覺刺激器(4)，所述的顯示界面(3)也通過視覺向信號采集模塊(1)反饋所采集到的信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系 統(tǒng)，其特征在于，所述的信號采集模塊(1)包括有與人體腦部連接的頭皮 電極(11)，與頭皮電極(11)相連接收該頭皮電極(11)所發(fā)出的信號 的腦電放大器(12)，以及與腦電放大器(12)相連的腦電采集模塊(13)， 所述的腦電采集模塊(13)的輸出端連接腦電處理裝置(2)的信號輸入端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系 統(tǒng)，其特征在于，所述的視覺刺激器(4)包括顯示6種不同頻率的6組頻 率顯示模塊，每一組頻率顯示模塊又包括一個單片機(Ul)和由單片機(Ul) 控制的數(shù)碼管(D3)，所述的單片機(Ul)通過譯碼器(U4)和與譯碼器(U4)相連的四個三極管(Ql、 Q2、 Q3、 Q4)控制數(shù)碼管(D3)的位選(1、 2、 3、 4);所述的單片機(Ul)通過一個電阻(R17)控制數(shù)碼管(D3) 的小數(shù)點(dip);所述的單片機(Ul)通過集成芯片(U5)控制數(shù)碼管(D3) 的段選(a、 b、 c、 d、 e、 f),所述的數(shù)碼管(D3)所顯示的頻率是通過 與單片機(Ul)相連的頻率設(shè)置按鍵(S3、 S2)進行設(shè)置，所述的單片機(Ul)的P2接口通過一個三級管(Q5)驅(qū)動LED發(fā)光模塊(Dl)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系 統(tǒng)，其特征在于，所述的6組頻率顯示選用相同的單片機(Ul)和相同的 數(shù)碼管(D3)。
5. —種用于權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接 口系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括如下階段一) 設(shè)置視覺刺激器的頻率，使6個不同的LED發(fā)光塊以各自頻率穩(wěn) 定閃爍；二) 將兩個頭皮電極放置在人體的腦后枕區(qū)，并使人的視覺對著視覺 刺激器的6個不同的LED發(fā)光塊，通過頭皮電極采集腦電信號并對采集到 的腦電信號進行放大和A/D轉(zhuǎn)換后送入腦電處理裝置進行腦電處理；三)通過顯示界面顯示處理后的腦電信息。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系 統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述的設(shè)置視覺刺激器的頻率，是通過視覺 刺激器的頻率設(shè)定鍵進行設(shè)置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系 統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述的6個不同的LED發(fā)光塊所顯示的頻率 分別代表上、下、左、右、抓和放。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述的腦電處理包括如下步驟i )從信號采集模塊采集數(shù)據(jù)，并進行顯示和存儲；ii) 判斷采樣時間是否大于設(shè)定的時間，不是，繼續(xù)進行數(shù)據(jù)存儲；iii) 判斷采樣時間大于設(shè)定的時間，讀取數(shù)據(jù)；iv) 對讀取的數(shù)據(jù)使用db5小波母函數(shù)進行三層小波分解，設(shè)定去噪 閾值后，利用db5小波進行高頻分量(dl+d2+d3)小波重構(gòu)；v) 將去噪后的信號利用db30小波進行四層小波包分解，然后重構(gòu)每個子頻帶的信號；vi) 提取6個刺激頻率所在子頻帶，并計算每個頻帶的信號能量；vii) 進行能量歸一化，利用6個歸一化后能量構(gòu)成腦電信號的特征向viii) 搜索特征向量的最大值；ix) 根據(jù)搜索結(jié)果找出人腦所發(fā)出的指令，并進行顯示。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系 統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述的計算每個頻帶的信號能量是通過如下公式進行計算E = ^>f，其中，x,為信號序列的第i個小波系數(shù)，i=li=l，2，3，***，n， E為該子頻帶的信號能量。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口 系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述的能量歸一化是用誘發(fā)腦電各個頻 帶能量減去響應(yīng)前的原始腦電相應(yīng)頻帶的能量，再除以誘發(fā)腦電的總能量 和原始腦電總能量之差。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于虛擬儀器穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口系統(tǒng)及控制方法，系統(tǒng)有依次串連連接的信號采集模塊、腦電處理裝置和顯示界面，以及通過視覺刺激來使大腦產(chǎn)生腦電信號的視覺刺激器，顯示界面也通過視覺向信號采集模塊反饋所采集到的信號。方法有設(shè)置視覺刺激器的頻率，使6個不同的LED發(fā)光塊以各自頻率穩(wěn)定閃爍；將兩個頭皮電極放置在人體的腦后枕區(qū)，并使人的視覺對著視覺刺激器的6個不同的LED發(fā)光塊，通過頭皮電極采集腦電信號并對采集到的腦電信號進行放大和A/D轉(zhuǎn)換后送入腦電處理裝置進行腦電處理；通過顯示界面顯示處理后的腦電信息。本發(fā)明不需要語言或者動作作為信息傳遞的媒介，就可以實現(xiàn)人腦與外界交流和對外圍設(shè)備的控制。
文檔編號G06F3/01GK101576772SQ20091006883
公開日2009年11月11日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者崔世鋼, 麗 趙, 琰 邊 申請人:天津工程師范學(xué)院