專利名稱：一種腦機(jī)接口系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及BCI技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種腦機(jī)接口系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
第一次BCI (Brain-Computer Interface，腦-機(jī)接口 )國(guó)際會(huì)議給出的BCI的定義是“BCI是一種不依賴于大腦外圍神經(jīng)與肌肉正常輸出通道的通訊控制系統(tǒng)?！钡侥壳盀橹?，最常用的BCI系統(tǒng)大都是基于腦電信息的，技術(shù)原理是一致的。參見(jiàn)圖1，含有操作控制意圖的腦電信息通過(guò)電極從頭皮或顱內(nèi)獲得，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理提取反映使用者意圖的腦電信息特征，并將之轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的操作命令。BCI研究的主要應(yīng)用目標(biāo)是幫助肢體嚴(yán)重癱瘓的殘疾人操縱和使用周邊日常生活工具，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的信息交流和設(shè)備控制。Alpha波為自發(fā)腦電的主要成分之一，與視覺(jué)皮層的閑散節(jié)律相對(duì)應(yīng)，頻率為8 13Hz，是節(jié)律性腦電波中最具明顯特征的成分。正常人在清醒閉目時(shí)Alpha波增強(qiáng)，睜眼、 思考問(wèn)題，或受到其它刺激時(shí)，Alpha波減弱或消失的電生理現(xiàn)象稱為Alpha波的阻斷；此后若受試者再度安靜閉目，則Alpha波又重新出現(xiàn)。P300是典型的內(nèi)源性事件相關(guān)電位，它是對(duì)一系列無(wú)關(guān)事件刺激中相對(duì)稀少的有關(guān)刺激做出的反應(yīng)。所謂P300電位是指距離刺激時(shí)刻的潛伏期為300ms左右，電位極性為正的ERP波峰信號(hào)。目前BCI系統(tǒng)中產(chǎn)生P300信號(hào)的思維作業(yè)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，較為典型的設(shè)計(jì)為oddball試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑唇M成一個(gè)事件序列，該事件序列中含有一個(gè)或幾個(gè)靶刺激事件，其它為非靶刺激事件。P300信號(hào)的產(chǎn)生條件是靶刺激事件的出現(xiàn)頻率要遠(yuǎn)小于非靶刺激事件，這時(shí)靶刺激成為稀少刺激，靶刺激的出現(xiàn)概率越小，P300信號(hào)越顯著。這樣通過(guò)檢測(cè)P300信號(hào)的發(fā)生時(shí)刻即可定位出使用者在一系列的刺激事件序列中的選擇目標(biāo)，從而完成思維指令的傳輸。發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點(diǎn)和不足傳統(tǒng)P300-Speller BCI系統(tǒng)的刺激編碼模式不利于實(shí)現(xiàn)大指令集的信息傳輸，存在信息傳輸效率低、可選字符數(shù)目有限等問(wèn)題，難以滿足實(shí)際應(yīng)用中的需要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決信息傳輸效率低、可選字符數(shù)目有限的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種Speller BCI系統(tǒng)及其控制方法，詳見(jiàn)下文描述一種腦機(jī)接口系統(tǒng)，所述腦機(jī)接口系統(tǒng)包括腦電數(shù)據(jù)采集模塊、第一數(shù)據(jù)處理模塊、第二數(shù)據(jù)處理模塊和模式識(shí)別模塊。在所述腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上按照第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔顯示Speller刺激界面的各個(gè)層面，采集使用者的腦電信號(hào)，所述第一數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)所述腦電信號(hào)進(jìn)行處理， 輸出控制信號(hào)，選擇字符所在層面；所述第二數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)所述腦電信號(hào)進(jìn)行處理，獲取視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)；所述模式識(shí)別模塊對(duì)所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別，輸出待選字符。
所述Speller刺激界面具體為先進(jìn)行列的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍，再進(jìn)行行的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍，所述Speller刺激界面中包括鍵盤(pán)上的所有字符。所述Speller刺激界面為三個(gè)層面的Speller刺激界面，第一層面的Speller刺激界面為鍵盤(pán)上不按shift直接輸入的字符；第二層面的Speller刺激界面為鍵盤(pán)上同時(shí)按shift輸入的字符；第三層面的Speller刺激界面為鍵盤(pán)上的所有功能鍵。一種腦機(jī)接口系統(tǒng)的控制方法，所述方法包括以下步驟(1)使用者在腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上觀看Speller刺激界面，若當(dāng)前顯示的是待選字符所在層面，則使用者在界面顯示時(shí)間內(nèi)閉眼，確定所述待選字符所在層面；使用者判斷當(dāng)前層面是否是所述待選字符所在層面，如果是，使用者執(zhí)行閉眼操作；在閃爍過(guò)程中，使用者注視所述待選字符，數(shù)據(jù)采集模塊采集使用者的腦電信號(hào)；如果否，使用者不閉眼；(2)對(duì)閉眼后采集到的腦電信號(hào)進(jìn)行8 13Hz的帶通濾波，提取Alpha波；對(duì) Alpha波進(jìn)行第二預(yù)設(shè)時(shí)間的均方根平滑處理，獲取均方根平滑處理后的Alpha波；(3)所述均方根平滑處理后的Alpha波經(jīng)過(guò)第三預(yù)設(shè)時(shí)間的平均處理獲取主控制通道信號(hào)；所述均方根平滑處理后的Alpha波經(jīng)過(guò)第四預(yù)設(shè)時(shí)間的平均處理獲取輔助控制通道信號(hào)；所述平均處理即對(duì)預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)的信號(hào)取平均值；(4)判斷所述主控制通道信號(hào)是否超過(guò)門(mén)限電壓，如果是，執(zhí)行步驟(5)；如果否， 重新執(zhí)行步驟(3)；其中所述門(mén)限電壓具體為Vref = Vopen+0. 8 (Vclose-Vopen)，其中，Vopen 為睜眼時(shí) Alpha 波幅平均值；Vel。se 為閉眼時(shí)Alpha波幅平均值；(5)所述主控制通道信號(hào)與所述輔助控制通道信號(hào)進(jìn)行比較，判斷所述主控制通道信號(hào)是否是真實(shí)Alpha波信號(hào)，如果是，執(zhí)行步驟(6)；如果否，重新執(zhí)行步驟(3)；(6)輸出控制信號(hào)，確定待選字符所在層面；(7)通過(guò)相干平均方式將腦電信號(hào)中的噪聲信號(hào)去除，提取視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)；(8)對(duì)所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，輸出所述待選字符；其中，步驟(7)中的所述相干平均方式具體為xn(i, t) = pn(i, t)+en(i, t)n = IAN其中，η為刺激的序號(hào)，N為刺激的總數(shù)，i為導(dǎo)聯(lián)的序號(hào)，t為時(shí)間，xn(i, t)為采集到的腦電信號(hào)，Pn(i，t)為第η次刺激時(shí)理想的Ρ300信號(hào)，en(i, t)為總的噪聲信號(hào)；設(shè)背景噪聲為零均值，方差為Crf的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，且不同刺激產(chǎn)生的噪聲信號(hào)都不相關(guān)，即第
m次和第η次刺激產(chǎn)生的噪聲信號(hào)不相關(guān)；E[em(i, t)en(i, t) ] = 0 m乒 η假設(shè)每次刺激所產(chǎn)生的Ρ300信號(hào)都表示成一個(gè)確定的信號(hào)ρ (i，t)，即P1 (i, t) = p2(i, t) = A = pN(i, t) = p(i, t)；其中，步驟(8)中的所述對(duì)所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，輸出待選字符具體為刺激界面進(jìn)行列的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍時(shí)，所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)作為一個(gè)特征向量，作為SVM分類器的輸入；進(jìn)行行的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍時(shí)，所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)作為另一個(gè)特征向量，作為所述SVM分類器的另一個(gè)輸入，經(jīng)過(guò)所述SVM分類器的處理，確定X， Y方向上的坐標(biāo)；所述控制信號(hào)決定了所述待選字符在Z軸方向上的位置。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是本發(fā)明提供了一種腦機(jī)接口系統(tǒng)及其控制方法，本發(fā)明將睜閉眼引起的Alpha波信號(hào)的幅值變化與視覺(jué)刺激誘發(fā)的P300信號(hào)兩類特征相結(jié)合，利用字符刺激矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)字符輸出，以及設(shè)計(jì)一種新的同步采集這兩類腦電特征的Speller BCI系統(tǒng)。本發(fā)明在基于傳統(tǒng)的視覺(jué)刺激誘發(fā)的P300Speller BCI系統(tǒng)之上，針對(duì)于傳統(tǒng)刺激編碼模式信息傳輸效率低，可選字符數(shù)有限的問(wèn)題，融合了睜閉眼引起的Alpha波阻斷，大大提高了可選字符數(shù)，并且有效地提高了信息傳輸效率；進(jìn)一步研究可以得到完善的腦-機(jī)接口系統(tǒng)，有望獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)提供的BCI系統(tǒng)及其控制的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的腦機(jī)接口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的刺激界面的示意圖；圖4為本發(fā)明提供的刺激界面的另一示意圖；圖5為本發(fā)明提供的刺激界面的另一示意圖；圖6為本發(fā)明提供的刺激界面的另一示意圖；圖7為本發(fā)明提供的閃爍頻率的波形示意圖；圖8為本發(fā)明提供的腦機(jī)接口系統(tǒng)的控制方法的流程圖；圖9為本發(fā)明提供的三維矩陣的示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。為了解決信息傳輸效率低、可選字符數(shù)目有限的問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種腦機(jī)接口系統(tǒng)，詳見(jiàn)下文描述一種腦機(jī)接口系統(tǒng)，參見(jiàn)圖2，該腦機(jī)接口系統(tǒng)包括腦電數(shù)據(jù)采集模塊、第一數(shù)據(jù)處理模塊、第二數(shù)據(jù)處理模塊和模式識(shí)別模塊。在腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上按照第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔顯示Speller刺激界面的各個(gè)層面，采集使用者的腦電信號(hào)，第一數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行處理，輸出Alpha波控制信號(hào)，選擇字符所在層面；第二數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)所述腦電信號(hào)進(jìn)行處理，獲取視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)；模式識(shí)別模塊對(duì)視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別，輸出待選字符。其中，第一預(yù)設(shè)時(shí)間反映了使用者閉眼后Alpha波幅超過(guò)門(mén)限電壓所需時(shí)間，為了獲得較穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)，要求每個(gè)使用者重復(fù)操作25次，求25次操作所得的平均時(shí)間t， 并將該系統(tǒng)的層面循環(huán)時(shí)間設(shè)定為2t。其中，該Speller刺激界面具體為先進(jìn)行列的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍，再進(jìn)行行的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍。Speller刺激界面中包括鍵盤(pán)上的所有字符，例如大寫(xiě)字符，A、B、C和D等； 小寫(xiě)字符a、b、c和d等；數(shù)字字符1、2、3和4等；功能鍵:F1、F2、F3和F4等。其中，為了取得較快的運(yùn)算速度，本發(fā)明實(shí)施例中的Speller刺激界面優(yōu)選為三個(gè)層面的Speller刺激界面，參見(jiàn)圖3、圖4、圖5和圖6，第一層面的Speller刺激界面為鍵盤(pán)上不按shift直接輸入的字符，例如a、b、c和d等；第二層面的Speller刺激界面為鍵盤(pán)上同時(shí)按shift輸入的字符，例如A、B、C和D等；第三層面的Speller刺激界面為鍵盤(pán)上的所有功能鍵，例如F1、F2、F3和F4等。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，鍵盤(pán)可以為計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)或手機(jī)鍵盤(pán)等，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制。其中，第一層面的Speller刺激界面還可以為鍵盤(pán)上同時(shí)按shift輸入的字符，例如A、B、C和D等；第二層面的Speller刺激界面還可以為鍵盤(pán)上不按shift直接輸入的字符，例如a、b、c和d等；第三層面的Speller刺激界面還可以為鍵盤(pán)上的所有功能鍵，也可以為其他的定義方式，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制。其中，閃爍頻率根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要進(jìn)行設(shè)定，參見(jiàn)圖7，本發(fā)明實(shí)施例中的行列以75ms間隔閃爍，閃爍時(shí)間為IOOms為例進(jìn)行說(shuō)明，每?jī)蓚€(gè)待選字符間有四秒鐘的休息時(shí)間。一種腦機(jī)接口系統(tǒng)的控制方法，參見(jiàn)圖8，該方法包括以下步驟101 使用者在腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上觀看Speller刺激界面，若當(dāng)前顯示的是待選字符所在層面，則使用者在界面顯示時(shí)間內(nèi)閉眼，確定待選字符所在層面；使用者判斷當(dāng)前層面是否是待選字符所在層面，如果是，使用者執(zhí)行閉眼操作；在閃爍過(guò)程中，使用者注視待選字符，數(shù)據(jù)采集模塊采集使用者的腦電信號(hào)；如果否，使用者不閉眼；其中，為了取得較好的效果，使用者優(yōu)選安靜地正坐于距屏幕約Im的靠椅上，若當(dāng)前顯示的是待選字符所在層面，那么使用者在界面顯示時(shí)間內(nèi)閉眼，以確定待選字符所在層面。為避免誤操作，在層面確定之后屏幕上會(huì)出現(xiàn)如圖6所示的YES或NO的提示界面，使用者判斷當(dāng)前層面是否是待選字符所在層面，若是待選字符所在層面，使用者進(jìn)行一次閉眼操作以再次確認(rèn)；若不是待選字符所在層面，使用者不閉眼，Speller刺激界面的各層面繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)顯示。102 對(duì)閉眼后采集到的腦電信號(hào)進(jìn)行8 13Hz的帶通濾波，提取Alpha波；對(duì) Alpha波進(jìn)行第二預(yù)設(shè)時(shí)間的均方根平滑處理，獲取均方根平滑處理后的Alpha波；其中，第二預(yù)設(shè)時(shí)間根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要進(jìn)行設(shè)定，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制，本發(fā)明實(shí)施例以IOms的均方根平滑處理為例進(jìn)行說(shuō)明。103 均方根平滑處理后的Alpha波經(jīng)過(guò)第三預(yù)設(shè)時(shí)間的平均處理獲取主控制通道信號(hào)；均方根平滑處理后的Alpha波經(jīng)過(guò)第四預(yù)設(shè)時(shí)間的平均處理獲取輔助控制通道信號(hào)；所述平均處理即對(duì)預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)的信號(hào)取平均值；其中，第三預(yù)設(shè)時(shí)間根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要進(jìn)行設(shè)定，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制，本發(fā)明實(shí)施例以400 500ms的平均處理為例進(jìn)行說(shuō)明。其中，第四預(yù)設(shè)時(shí)間根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要進(jìn)行設(shè)定，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制，本發(fā)明實(shí)施例以50ms的平均處理為例進(jìn)行說(shuō)明。例如由頭皮電極采集到閉眼時(shí)的腦電信號(hào)，經(jīng)8 13Hz的帶通濾波保留其中 Alpha波成分；該Alpha波經(jīng)過(guò)IOms的均方根(冊(cè)幻平滑處理后分為兩路信號(hào)一路經(jīng)過(guò)400 500ms的平均處理后成為主控制通道信號(hào)，用于輸出控制；另一路經(jīng)過(guò)50ms的平均處理后成為輔助控制通道信號(hào)，用來(lái)判斷主控制通道信號(hào)是由使用者閉眼產(chǎn)生的真實(shí) Alpha波增幅信號(hào)還是其它干擾所引起的噪聲信號(hào)。104 判斷主控制通道信號(hào)是否超過(guò)門(mén)限電壓，如果是，執(zhí)行步驟105 ；如果否，重新執(zhí)行步驟103 ；把使用者睜眼時(shí)Alpha波幅平均值記為V。pm，閉眼時(shí)Alpha波幅平均值記為V。1()se， 則使用者的門(mén)限電壓參考值可按下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Vref = Vopen+0. 8 (Vclose-Vopen)(1)其中，0.8是使用者睜、閉眼狀態(tài)下Alpha波幅差異的增益系數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，增益系數(shù)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要進(jìn)行設(shè)定，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制。105 判斷主控制通道信號(hào)是否是Alpha波控制信號(hào)，如果是，執(zhí)行步驟106 ；如果否，重新執(zhí)行步驟103;106 輸出控制信號(hào)，確定待選字符所在層面；使用者確定待選字符所在層面之后，Speller矩陣先進(jìn)行列的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍，再進(jìn)行行的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍；在Speller矩陣閃爍過(guò)程中，使用者注視待選字符，且心中默數(shù)目標(biāo)區(qū)域閃爍的次數(shù)(有利于集中使用者精力)，這樣即可完成一個(gè)待選字符的輸出。待選字符輸出之后，Speller刺激界面的各層面將繼續(xù)循環(huán)顯示，按照上述過(guò)程即可完成下一個(gè)待選字符的輸出。當(dāng)Speller刺激界面優(yōu)選為三個(gè)層面的Speller刺激界面時(shí)，將進(jìn)行三個(gè)層面的循環(huán)顯示。107 通過(guò)相干平均方式將腦電信號(hào)中的噪聲信號(hào)去除，提取視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)；其中，噪聲信號(hào)主要包括自發(fā)腦電信號(hào)、外部背景噪聲以及其他與導(dǎo)聯(lián)相關(guān)的噪聲。相干平均方式是處理腦電信號(hào)常用的處理方式之一，是提取強(qiáng)噪聲背景下微弱信號(hào)的有效方式。本發(fā)明實(shí)施例中所采集到的腦電信號(hào)通常伴隨著很強(qiáng)的噪聲或偽跡，而相干平均方式的作用就是將噪聲信號(hào)從腦電信號(hào)中去除。對(duì)于每次的刺激，這些噪聲信號(hào)都是不相關(guān)的。而ERP中的視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)可以看作是個(gè)確定性的信號(hào)，并且獨(dú)立于自發(fā)腦電信號(hào)和其他噪聲信號(hào)。其中，相干平均方式具體為xn(i, t) = pn(i, t)+en(i, t)n = IAN(2)其中，η為刺激的序號(hào)，N為刺激的總數(shù)，i為導(dǎo)聯(lián)的序號(hào)，t為時(shí)間，xn(i, t)為采集到的腦電信號(hào)，Pn(i，t)為第η次刺激時(shí)理想的Ρ300信號(hào)，en(i, t)為總的噪聲信號(hào)。由于外部背景噪聲的存在，單次的^(i，t)并不能體現(xiàn)腦電信號(hào)中的視覺(jué)誘發(fā)的 P300成分，并且往往淹沒(méi)在強(qiáng)的背景噪聲下。假設(shè)實(shí)驗(yàn)中客觀條件不變，背景噪聲為零均值，方差為crf的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，且不同刺激產(chǎn)生的噪聲信號(hào)都不相關(guān)，即滿足下式E[em(i, t)en(i, t) ] = 0 m乒 η(3)假設(shè)每次刺激所產(chǎn)生的視覺(jué)誘發(fā)的Ρ300信號(hào)都可以近似表示成一個(gè)確定的信號(hào) P(i，t)，即P1 (i，t) = p2(i, t) = Λ = pN(i, t) = p(i, t)(4)本發(fā)明實(shí)施例中，首先將每一次閃爍刺激之后的腦電信號(hào)從連續(xù)的腦電信號(hào)中提取出來(lái)，然后按照每一次閃爍將這些腦電信號(hào)分段排列，再以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的迭加平均。108 對(duì)視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，輸出待選字符。其中，模式識(shí)別是通過(guò)對(duì)提取的腦電信號(hào)特征進(jìn)行分類來(lái)辨識(shí)出其中所攜帶的自主性動(dòng)作信息。SVM(支持向量機(jī))是近年來(lái)在模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中出現(xiàn)的新工具， 以統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，有效地避免經(jīng)典學(xué)習(xí)方法中過(guò)學(xué)習(xí)、維數(shù)災(zāi)難和局部極小等傳統(tǒng)分類存在的問(wèn)題，在小樣本條件下仍然具有良好的范化能力，它通過(guò)構(gòu)造最優(yōu)超平面，使得未知樣本的分類誤差最小。模式識(shí)別的過(guò)程如下在經(jīng)過(guò)了特征提取階段之后，將這些從樣本中提取到的特征用來(lái)訓(xùn)練SVM分類器，訓(xùn)練后得到一個(gè)model，然后再利用這個(gè)model來(lái)對(duì)未知模式類型的想象動(dòng)作進(jìn)行分類，得到的結(jié)果即為未知模式想象動(dòng)作的模式識(shí)別結(jié)果以及識(shí)別正確率。其中，對(duì)視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，輸出待選字符具體為刺激界面進(jìn)行列的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍時(shí)，所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)作為一個(gè)特征向量，作為SVM分類器的輸入；進(jìn)行行的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍時(shí)，所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)作為另一個(gè)特征向量，作為所述SVM分類器的另一個(gè)輸入，經(jīng)過(guò)所述SVM分類器的處理，確定X， Y方向上的坐標(biāo)。參見(jiàn)圖9，在這個(gè)三維矩陣中由(x，y，z)坐標(biāo)共同決定一個(gè)待選字符，Alpha波信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸出的控制信號(hào)決定了待選字符在Z軸方向上的位置，而視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)決定了待選字符在X-Y平面上的坐標(biāo)。閉眼操作確定了 Speller刺激界面中待選字符所在層面也就確定了待選字符在三維矩陣中Z軸方向上的坐標(biāo)。之后，Speller矩陣先進(jìn)行列的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍，再進(jìn)行行的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍。當(dāng)進(jìn)行列或行的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)。進(jìn)行列的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍時(shí)，產(chǎn)生的視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)作為一個(gè)特征向量，輸入SVM分類器，那么待選字符Y方向上的坐標(biāo)就被確定了。同理， 進(jìn)行行的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍，產(chǎn)生的視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)作為特征向量，經(jīng)過(guò)SVM處理之后則能確定待選字符X方向上的坐標(biāo)，那么在X-Y平面上字符所在位置的坐標(biāo)就確定了。這樣便確定了字符在矩陣中X，Y，Z三個(gè)方向上的坐標(biāo)，即確定了待選字符，隨后將其輸出。這種Alpha波和視覺(jué)刺激誘發(fā)的P300信號(hào)兩種腦電特征的雙模Speller BCI系統(tǒng)，有效地提高了可選字符數(shù)，并且加快了待選字符輸出速率。下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明實(shí)施例提供的一種腦機(jī)接口系統(tǒng)及其控制方法的可行性，詳見(jiàn)下文描述本發(fā)明實(shí)施例使用64導(dǎo)聯(lián)的腦電數(shù)據(jù)采集模塊，所用電極均為Ag或AgCl電極 (阻抗小于15000歐姆)，以雙側(cè)乳突作為參考電平，腦電采樣頻率為1000Hz，濾波通帶為 0. 5 100Hz，并采用50Hz陷波器去除工頻干擾，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種腦機(jī)接口系統(tǒng)及其控制方法的可行性，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的需要。綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種腦機(jī)接口系統(tǒng)及其控制方法，本發(fā)明實(shí)施例將Alpha波的幅值變化與視覺(jué)刺激誘發(fā)的P300信號(hào)兩類特征相結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)字符輸出，以及設(shè)計(jì)一種新的同步采集這兩類腦電特征的Speller BCI系統(tǒng)。本發(fā)明實(shí)施例在基于傳統(tǒng)的視覺(jué)刺激誘發(fā)的P300 Speller BCI系統(tǒng)之上，針對(duì)于傳統(tǒng)刺激編碼模式信息傳輸效率低，可選字符數(shù)有限的問(wèn)題，融合了睜閉眼引起的Alpha波阻斷，大大提高了可選字符數(shù)，并且有效地提高了信息傳輸效率；進(jìn)一步研究可以得到完善的腦-機(jī)接口系統(tǒng)，有望獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種腦機(jī)接口系統(tǒng)，其特征在于，所述腦機(jī)接口系統(tǒng)包括腦電數(shù)據(jù)采集模塊、第一數(shù)據(jù)處理模塊、第二數(shù)據(jù)處理模塊和模式識(shí)別模塊。在所述腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上按照第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔顯示Speller刺激界面的各個(gè)層面，采集使用者的腦電信號(hào)，所述第一數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)所述腦電信號(hào)進(jìn)行處理，輸出控制信號(hào)，選擇待選字符所在層面；所述第二數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)所述腦電信號(hào)進(jìn)行處理，獲取視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)；所述模式識(shí)別模塊對(duì)所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別，輸出所述待選字符。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種腦機(jī)接口系統(tǒng)，其特征在于，所述Speller刺激界面具體為先進(jìn)行列的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍，再進(jìn)行行的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍，所述Speller刺激界面中包括鍵盤(pán)上的所有字符。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種腦機(jī)接口系統(tǒng)，其特征在于，所述Speller刺激界面為三個(gè)層面的Speller刺激界面，第一層面的Speller刺激界面為鍵盤(pán)上不按shift直接輸入的字符；第二層面的Speller刺激界面為鍵盤(pán)上同時(shí)按shift輸入的字符；第三層面的Speller刺激界面為鍵盤(pán)上的所有功能鍵。
4.一種腦機(jī)接口系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)使用者在腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上觀看Speller刺激界面，若當(dāng)前顯示的是待選字符所在層面，則使用者在界面顯示時(shí)間內(nèi)閉眼，確定所述待選字符所在層面；使用者判斷當(dāng)前層面是否是所述待選字符所在層面，如果是，使用者執(zhí)行閉眼操作；在閃爍過(guò)程中， 使用者注視所述待選字符，數(shù)據(jù)采集模塊采集使用者的腦電信號(hào)；如果否，使用者不閉眼；(2)對(duì)閉眼后采集到的腦電信號(hào)進(jìn)行8 13Hz的帶通濾波，提取Alpha波；對(duì)Alpha波進(jìn)行第二預(yù)設(shè)時(shí)間的均方根平滑處理，獲取均方根平滑處理后的Alpha波；(3)所述均方根平滑處理后的Alpha波經(jīng)過(guò)第三預(yù)設(shè)時(shí)間的平均處理獲取主控制通道信號(hào)；所述均方根平滑處理后的Alpha波經(jīng)過(guò)第四預(yù)設(shè)時(shí)間的平均處理獲取輔助控制通道信號(hào)；所述平均處理即對(duì)預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)的信號(hào)取平均值；(4)判斷所述主控制通道信號(hào)是否超過(guò)門(mén)限電壓，如果是，執(zhí)行步驟(5)；如果否，重新執(zhí)行步驟⑶；其中所述門(mén)限電壓具體為Vref = vopen+0. 8 (Vclose-Vopen)，其中，V。pm為睜眼時(shí)Alpha波幅平均值；V。一為閉眼時(shí) Alpha波幅平均值；(5)所述主控制通道信號(hào)與所述輔助控制通道信號(hào)進(jìn)行比較，判斷所述主控制通道信號(hào)是否是真實(shí)Alpha波信號(hào)，如果是，執(zhí)行步驟(6)；如果否，重新執(zhí)行步驟(3)；(6)輸出控制信號(hào)，確定待選字符所在的層面；(7)通過(guò)相干平均方式將腦電信號(hào)中的噪聲信號(hào)去除，提取視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)；(8)對(duì)所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，輸出所述待選字符；其中，步驟(7)中的所述相干平均方式具體為xn(i, t) = pn(i, t)+en(i, t)n = IAN其中，η為刺激的序號(hào)，N為刺激的總數(shù)，i為導(dǎo)聯(lián)的序號(hào)，t為時(shí)間，xn(i, t)為采集到的腦電信號(hào)，Pn(i，t)為第η次刺激時(shí)理想的Ρ300信號(hào)，en(i, t)為總的噪聲信號(hào)；設(shè)背景噪聲為零均值，方差為CTe2的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，且不同刺激產(chǎn)生的噪聲信號(hào)都不相關(guān)，即第m次和第η次刺激產(chǎn)生的噪聲信號(hào)不相關(guān)；E[em(i, t) en(i, t) ] = 0 m 興 η假設(shè)每次刺激所產(chǎn)生的Ρ300信號(hào)都表示成一個(gè)確定的信號(hào)ρ (i，t)，即P1(Lt) = p2(i, t) = A =pN(i,t) =p(i,t)；其中，步驟(8)中的所述對(duì)所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，輸出所述待選字符具體為刺激界面進(jìn)行列的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍時(shí)，所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)作為一個(gè)特征向量， 作為SVM分類器的輸入；進(jìn)行行的隨機(jī)無(wú)重復(fù)閃爍時(shí)，所述視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)作為另一個(gè)特征向量，作為所述SVM分類器的另一個(gè)輸入，經(jīng)過(guò)所述SVM分類器的處理，確定X，Y方向上的坐標(biāo)；所述控制信號(hào)決定了所述待選字符在Z軸方向上的位置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種腦機(jī)接口系統(tǒng)及其控制方法，涉及BCI技術(shù)領(lǐng)域，包括腦電數(shù)據(jù)采集模塊、第一數(shù)據(jù)處理模塊、第二數(shù)據(jù)處理模塊和模式識(shí)別模塊，在腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上按照第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔顯示Speller刺激界面的各個(gè)層面，采集使用者的腦電信號(hào)，第一數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行處理，輸出控制信號(hào)，選擇待選字符所在層面；第二數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行處理，獲取視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)；模式識(shí)別模塊對(duì)視覺(jué)誘發(fā)的P300信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別，輸出待選字符。本發(fā)明提高了可選字符數(shù)，并且有效地提高了信息傳輸效率，有望獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)G06F3/01GK102184018SQ20111012639
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者丁浩, 萬(wàn)柏坤, 奕偉波, 明東, 李文, 綦宏志, 許敏鵬 申請(qǐng)人:天津大學(xué)