專利名稱：基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接口系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一種腦電信號分類處理方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，特別涉及一種基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
近年來，腦-機(jī)接ロ技術(shù)備受關(guān)注。腦-機(jī)接ロ(BCI)是ー種直接將人的腦電活動(dòng)模式轉(zhuǎn)換成外部控制命令的新穎的人-機(jī)接ロ技木，該技術(shù)下送到外部世界的信息和命令不是通過腦部正常外圍神經(jīng)和肌肉輸出途徑。BCI系統(tǒng)可以幫助患有癱瘓、中風(fēng)的病人向看護(hù)人員表達(dá)他們的意愿，甚至可以控制外界輔助設(shè)備來完成日常活動(dòng)。異步BCI可以使個(gè)人按照自己的意愿去控制，是未來BCI的發(fā)展方向?！せ诜€(wěn)態(tài)誘發(fā)電位(SSVEP)的BCI利用固定頻率閃爍的視覺刺激所誘發(fā)的電位將受試者的視覺活動(dòng)轉(zhuǎn)換成實(shí)際命令，具有較高的速度和穩(wěn)定性，是目前BCI的研究的ー個(gè)熱點(diǎn)。但是目前的異步SSVEP系統(tǒng)在準(zhǔn)確性和速度性兩方面還不足，達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的需要。而且其基本上都是針對特定應(yīng)用的，一旦算法更改，就需要大量的時(shí)間來測試系統(tǒng)的性能，這使異步SSVEP系統(tǒng)的開發(fā)，改進(jìn)周期較長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，能夠方便進(jìn)行系統(tǒng)的測試，并且能夠普遍適用于各種控制應(yīng)用，同時(shí)提高SSVEP轉(zhuǎn)換實(shí)際命令時(shí)的準(zhǔn)確率和反應(yīng)速度。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供ー種基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含
刺激器，其向受試者發(fā)送刺激信號；
信號采集器，其獲取采集受試者的腦部經(jīng)過所述刺激信號誘發(fā)形成的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信
號;
信號處理器，其與所述信號采集器信號連接，并將所述穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的指令；
任務(wù)提示器，其向受試者發(fā)送與所述刺激信號相匹配的任務(wù)提示信號；
輸出結(jié)果及反饋裝置，其與所述信號處理器信號連接，將所述指令與所述任務(wù)提示信號進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果向受試者反饋；
控制命令轉(zhuǎn)換接ロ，其與所述信號處理器信號連接，將所述指令進(jìn)ー步轉(zhuǎn)化成能夠控制外部設(shè)備的控制命令；
其中，所述刺激器、任務(wù)提示器、信號采集器、信號處理器、輸出結(jié)果及反饋裝置形成所述系統(tǒng)的測試系統(tǒng)部分；所述刺激器、信號采集器、信號處理器、控制命令轉(zhuǎn)換接ロ形成所述系統(tǒng)的控制系統(tǒng)部分。優(yōu)選的，所述刺激器是ー個(gè)視覺刺激器，其包含在顯示器的顯示界面上環(huán)形分布的四個(gè)具有不同閃爍頻率的刺激模塊；
所述任務(wù)提示器在所述顯示界面上隨機(jī)時(shí)間出現(xiàn)能夠具有不同方向的箭頭，所述箭頭的方向與其中一個(gè)所述刺激模塊在顯示界面上所處的位置相對應(yīng)，以提示受試者注視與箭頭所指方向相對應(yīng)的那ー個(gè)刺激模塊。所述信號采集器包含在線采集設(shè)備，其中設(shè)置有放大設(shè)備，能夠?qū)⒔?jīng)由多個(gè)電極從大腦頭皮上采集的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號轉(zhuǎn)化成離散數(shù)字信號；所述信號采集器采集枕骨區(qū)域的P03，POz, PO4, O1, Oz, O2電極通道作為信號采集通道，還采集左右任意一側(cè)的耳垂作為參考通道，并將Fz電極通道作為接地通道；
所述信號采集器還包含離線載入設(shè)備，能夠?qū)⒁郧皩?shí)驗(yàn)獲得的信號數(shù)據(jù)直接載入到系統(tǒng)中，以替代在線采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，便于在實(shí)驗(yàn)后對受試者的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。所述信號處理器進(jìn)ー步包含
基于拉普拉斯組合的信號預(yù)處理器，其與所述信號采集器信號連接，并從所述穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號中去除噪聲；
基于典型相關(guān)分析的特征提取器，其與所述信號預(yù)處理器信號連接，并從所述穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號中提取反映受試者意圖的信號特征；
基于閾值分類來區(qū)分受試者腦部的工作與空閑狀態(tài)的模式分類器，其與所述特征提取器信號連接，并將所述信號特征轉(zhuǎn)化為指令進(jìn)行輸出。本發(fā)明的另ー個(gè)技術(shù)方案是提供一種基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ的實(shí)現(xiàn)方法，使用上述的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；
所述方法包含對受試者使用測試系統(tǒng)部分來驗(yàn)證異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)的性能的以下若干步驟
步驟Al、使用刺激器向受試者發(fā)送刺激信號，并且使用任務(wù)提示器向受試者發(fā)送與所述刺激信號相匹配的任務(wù)提示信號；
步驟A2、使用信號采集器獲取采集受試者的腦部經(jīng)過所述刺激信號誘發(fā)形成的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號；
步驟A3、使用信號處理器將所述穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的指令；
步驟A4、使用輸出結(jié)果及反饋裝置，將所述指令與所述任務(wù)提示信號進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果向受試者反饋；
所述方法還包含使用控制系統(tǒng)部分向外部設(shè)備發(fā)送控制命令的以下若干步驟
步驟BI、使用刺激器向受試者發(fā)送刺激信號；
步驟B2、使用信號采集器獲取采集受試者的腦部經(jīng)過所述刺激信號誘發(fā)形成的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號；
步驟B3、使用信號處理器將所述穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的指令；
步驟B4、使用控制命令轉(zhuǎn)換接ロ將所述指令進(jìn)ー步轉(zhuǎn)化成控制命令井向外部設(shè)備發(fā)送。所述刺激器控制四個(gè)刺激模塊在顯示器的顯示界面上呈環(huán)形分布，并以不同的刺激頻率進(jìn)行閃爍；
所述任務(wù)提示器基于隨機(jī)算法，使一箭頭以不同的方向出現(xiàn)在所述顯示界面上，所述箭頭的方向與其中一個(gè)所述刺激模塊在顯示界面上所處的位置相對應(yīng)，以提示受試者注視與箭頭所指方向相對應(yīng)的那ー個(gè)刺激模塊；
所述輸出結(jié)果及反饋裝置比較所述信號處理器輸出的指令所代表的方向信息及所述任務(wù)提示器的箭頭所示的方向，當(dāng)比較結(jié)果不一致時(shí)，提示受試者調(diào)整下一次的注視狀態(tài)。所述信號采集器在ー種在線采集方式中，通過放大設(shè)備將經(jīng)由多個(gè)電極從大腦頭皮上采集的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號轉(zhuǎn)化成離散數(shù)字信號；所述信號采集器采集枕骨區(qū)域的P03，POz, PO4, O1, Oz, O2電極通道作為信號采集通道，還采集左右任意一側(cè)的耳垂作為參考通道，并將Fz作為接地通道；所述信號采集通道的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號幅度大于所述參考通道的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號幅度；
所述信號采集器在另ー種離線載入方式中，能夠?qū)⒁郧皩?shí)驗(yàn)獲得的信號數(shù)據(jù)直接載入到異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)中，以替代在線采集的數(shù)據(jù)，便于在實(shí)驗(yàn)后對受試者的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。所述信號處理器包含信號預(yù)處理環(huán)節(jié)的兩個(gè)步驟
第一歩是對采集到的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號進(jìn)行濾波和陷波，將信號集中在特定的頻率范圍內(nèi)，并且去除エ頻信號；
第二步是使用拉普拉斯組合方法對信號進(jìn)行增強(qiáng)，同時(shí)減弱共同噪聲，即在P03，POz,PO4, O1, Oz, O2電極通道中，將Oz作為中心電極，與從PO3, POz, PO4, O1, O2中依次選取的4個(gè)外周電極組成対稱的差分來處理信號；形成權(quán)重矩陣r為
權(quán)利要求
1.一種基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包含 刺激器，其向受試者發(fā)送刺激信號； 信號采集器，其獲取采集受試者的腦部經(jīng)過所述刺激信號誘發(fā)形成的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號; 信號處理器，其與所述信號采集器信號連接，并將所述穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的指令； 任務(wù)提示器，其向受試者發(fā)送與所述刺激信號相匹配的任務(wù)提示信號； 輸出結(jié)果及反饋裝置，其與所述信號處理器信號連接，將所述指令與所述任務(wù)提示信號進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果向受試者反饋； 控制命令轉(zhuǎn)換接ロ，其與所述信號處理器信號連接，將所述指令進(jìn)ー步轉(zhuǎn)化成能夠控制外部設(shè)備的控制命令； 其中，所述刺激器、任務(wù)提示器、信號采集器、信號處理器、輸出結(jié)果及反饋裝置形成所述系統(tǒng)的測試系統(tǒng)部分；所述刺激器、信號采集器、信號處理器、控制命令轉(zhuǎn)換接ロ形成所述系統(tǒng)的控制系統(tǒng)部分。
2.如權(quán)利要求I所述基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)，其特征在干， 所述刺激器是ー個(gè)視覺刺激器，其包含在顯示器的顯示界面上環(huán)形分布的四個(gè)具有不同閃爍頻率的刺激模塊； 所述任務(wù)提示器在所述顯示界面上隨機(jī)時(shí)間出現(xiàn)能夠具有不同方向的箭頭，所述箭頭的方向與其中一個(gè)所述刺激模塊在顯示界面上所處的位置相對應(yīng)，以提示受試者注視與箭頭所指方向相對應(yīng)的那ー個(gè)刺激模塊。
3.如權(quán)利要求2所述基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)，其特征在干， 所述信號采集器包含在線采集設(shè)備，其中設(shè)置有放大設(shè)備，能夠?qū)⒔?jīng)由多個(gè)電極從大腦頭皮上采集的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號轉(zhuǎn)化成離散數(shù)字信號；所述信號采集器采集枕骨區(qū)域的PO3, POz, PO4, O1, Oz, O2電極通道作為信號采集通道，還采集左右任意一側(cè)的耳垂作為參考通道，并將Fz電極通道作為接地通道； 所述信號采集器還包含離線載入設(shè)備，能夠?qū)⒁郧皩?shí)驗(yàn)獲得的信號數(shù)據(jù)直接載入到系統(tǒng)中，以替代在線采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，便于在實(shí)驗(yàn)后對受試者的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
4.如權(quán)利要求3所述基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)，其特征在干， 所述信號處理器進(jìn)ー步包含 基于拉普拉斯組合的信號預(yù)處理器，其與所述信號采集器信號連接，并從所述穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號中去除噪聲； 基于典型相關(guān)分析的特征提取器，其與所述信號預(yù)處理器信號連接，并從所述穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號中提取反映受試者意圖的信號特征； 基于閾值分類來區(qū)分受試者腦部的工作與空閑狀態(tài)的模式分類器，其與所述特征提取器信號連接，并將所述信號特征轉(zhuǎn)化為指令進(jìn)行輸出。
5.一種基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ的實(shí)現(xiàn)方法，使用權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其特征在干， 所述方法包含對受試者使用測試系統(tǒng)部分來驗(yàn)證異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)的性能的以下若干步驟 步驟Al、使用刺激器向受試者發(fā)送刺激信號，并且使用任務(wù)提示器向受試者發(fā)送與所述刺激信號相匹配的任務(wù)提示信號； 步驟A2、使用信號采集器獲取采集受試者的腦部經(jīng)過所述刺激信號誘發(fā)形成的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號； 步驟A3、使用信號處理器將所述穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的指令； 步驟A4、使用輸出結(jié)果及反饋裝置，將所述指令與所述任務(wù)提示信號進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果向受試者反饋； 所述方法還包含使用控制系統(tǒng)部分向外部設(shè)備發(fā)送控制命令的以下若干步驟 步驟BI、使用刺激器向受試者發(fā)送刺激信號； 步驟B2、使用信號采集器獲取采集受試者的腦部經(jīng)過所述刺激信號誘發(fā)形成的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號； 步驟B3、使用信號處理器將所述穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的指令； 步驟B4、使用控制命令轉(zhuǎn)換接ロ將所述指令進(jìn)ー步轉(zhuǎn)化成控制命令井向外部設(shè)備發(fā)送。
6.如權(quán)利要求5所述基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在干， 所述刺激器控制四個(gè)刺激模塊在顯示器的顯示界面上呈環(huán)形分布，并以不同的刺激頻率進(jìn)行閃爍； 所述任務(wù)提示器基于隨機(jī)算法，使一箭頭以不同的方向出現(xiàn)在所述顯示界面上，所述箭頭的方向與其中一個(gè)所述刺激模塊在顯示界面上所處的位置相對應(yīng)，以提示受試者注視與箭頭所指方向相對應(yīng)的那ー個(gè)刺激模塊； 所述輸出結(jié)果及反饋裝置比較所述信號處理器輸出的指令所代表的方向信息及所述任務(wù)提示器的箭頭所示的方向，當(dāng)比較結(jié)果不一致時(shí)，提示受試者調(diào)整下一次的注視狀態(tài)。
7.如權(quán)利要求6所述基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在干， 所述信號采集器在ー種在線采集方式中，通過放大設(shè)備將經(jīng)由多個(gè)電極從大腦頭皮上采集的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號轉(zhuǎn)化成離散數(shù)字信號；所述信號采集器采集枕骨區(qū)域的P03，POz,PO4, O1, Oz, O2電極通道作為信號采集通道，還采集左右任意一側(cè)的耳垂作為參考通道，并將Fz作為接地通道；所述信號采集通道的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號幅度大于所述參考通道的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號幅度； 所述信號采集器還在ー種離線載入方式中，將以前實(shí)驗(yàn)獲得的信號數(shù)據(jù)直接載入到異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)中，以替代在線采集的數(shù)據(jù)，便于在實(shí)驗(yàn)后對受試者的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
8.如權(quán)利要求7所述基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在干， 所述信號處理器包含信號預(yù)處理環(huán)節(jié)的兩個(gè)步驟第一歩是對采集到的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號進(jìn)行濾波和陷波，將信號集中在特定的頻率范圍內(nèi)，并且去除エ頻信號； 第二步是使用拉普拉斯組合方法，對信號進(jìn)行增強(qiáng)同時(shí)減弱共同噪聲，即在P03，POz,PO4, O1, Oz, O2電極通道中，將Oz作為中心電極，與從PO3, POz, PO4, O1, O2中依次選取的4個(gè)外周電極組成対稱的差分來處理信號，形成權(quán)重矩陣r為
9.如權(quán)利要求8所述基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在干， 所述信號處理器進(jìn)ー步包含模式分類環(huán)節(jié)，采用閾值分類方法來區(qū)分受試者腦部的空閑和工作狀態(tài)
10.如權(quán)利要求5或8所述基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接ロ的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于， 所述異步腦機(jī)接ロ系統(tǒng)采用滑動(dòng)窗ロ方法，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間一直對模式分類后得到的信號進(jìn)行分析處理以形成相應(yīng)的命令；在定義的延遲時(shí)間內(nèi)，當(dāng)有連續(xù)的兩個(gè)及兩個(gè)以上相同的命令產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)只輸出ー個(gè)命令，少于兩個(gè)命令時(shí)，系統(tǒng)不輸出；并且定義有無反應(yīng)時(shí)間，當(dāng)系統(tǒng)檢測出ー個(gè)命令之后的無反應(yīng)時(shí)間內(nèi)將不進(jìn)行任務(wù)工作狀態(tài)命令的輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供基于穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的異步腦機(jī)接口系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，由刺激器、任務(wù)提示器、信號采集器、信號處理器、輸出結(jié)果及反饋裝置形成系統(tǒng)的測試系統(tǒng)部分；由刺激器、信號采集器、信號處理器、控制命令轉(zhuǎn)換接口另外形成系統(tǒng)的控制系統(tǒng)部分。采集腦部經(jīng)刺激器誘發(fā)形成的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位信號，被轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的指令后，與任務(wù)提示信號進(jìn)行比較，并向受試者反饋結(jié)果；本發(fā)明能夠?qū)⒅噶钸M(jìn)一步轉(zhuǎn)化成能夠控制外部設(shè)備的控制命令；本發(fā)明便于系統(tǒng)測試，對穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的轉(zhuǎn)換效率高，速度快，能夠普遍適用于各種應(yīng)用。
文檔編號G06F13/38GK102789441SQ20121028079
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者吳金玲, 夏斌, 安德華, 李星, 楊晶 申請人:上海海事大學(xué)