本發(fā)明涉及腦-機(jī)接口技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于擺動(dòng)視覺感知的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法。

背景技術(shù)：

腦-機(jī)接口技術(shù)(BCI)常用方法有運(yùn)動(dòng)想象、P300事件相關(guān)電位、瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)等。相比而言，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位所需電極數(shù)目更少、使用者不需要訓(xùn)練，辨識(shí)準(zhǔn)確率更高。但基于SSVEP的腦-機(jī)接口常采用光閃爍或圖形翻轉(zhuǎn)等刺激方式，易造成使用者視覺疲勞、降低辨識(shí)準(zhǔn)確率，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。近年來有學(xué)者提出基于運(yùn)動(dòng)感知的腦-機(jī)接口方法，能避免長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)刺激對(duì)大腦響應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)面影響。運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位(mVEP)分為瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種，相比穩(wěn)態(tài)而言，瞬態(tài)范式要求刺激目標(biāo)按不同起始時(shí)刻作單一方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)具有方向特異性，易引發(fā)大腦運(yùn)動(dòng)后效應(yīng)。西安交通大學(xué)謝俊等人基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位(SSMVEP)，設(shè)計(jì)了收縮-擴(kuò)張的牛頓環(huán)，作為腦-機(jī)接口方法，獲得了很好的辨識(shí)準(zhǔn)確率。但牛頓環(huán)中央?yún)^(qū)域圖案破壞了牛頓環(huán)在運(yùn)動(dòng)過程中保持亮度恒定這一性質(zhì)，降低了譜峰信噪比，不利于減輕使用者的視覺疲勞。為了保證在運(yùn)動(dòng)過程中保持亮度恒定，西安交通大學(xué)徐光華等人設(shè)計(jì)了收縮-擴(kuò)張的黑白棋盤格，辨識(shí)效果良好，但該方法只能在低頻段(15H以下)誘發(fā)出刺激頻率，15Hz以上的辨識(shí)準(zhǔn)確率大大降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于往復(fù)擺動(dòng)視覺感知的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法，提高信噪比，降低使用者視覺疲勞，在中頻段(15-25Hz)也可以誘發(fā)出刺激頻率，拓寬范式頻率設(shè)置范圍，用以提升腦-機(jī)接口的交互性能。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于往復(fù)擺動(dòng)視覺感知的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法，包括以下步驟：

1)紅色扇形往復(fù)擺動(dòng)范式設(shè)計(jì)：

根據(jù)色彩空間理論，選用紅綠作為彩色刺激范式，背景色設(shè)為白色，將扇形半徑設(shè)為360像素，擺動(dòng)角度范圍設(shè)置為120°；設(shè)扇形運(yùn)動(dòng)頻率為f,即往復(fù)擺動(dòng)一個(gè)周期所需時(shí)間的倒數(shù)，反轉(zhuǎn)頻率為f_c，即扇形擺動(dòng)方向改變的頻率，該范式刺激效果以f為基頻，能量集中在其二倍頻，即反轉(zhuǎn)頻率f_c處，將反轉(zhuǎn)頻率f_c作為誘發(fā)的SSMVEP信號(hào)基頻；范式圖案是通過顯示屏一幀一幀呈現(xiàn)的，屏幕刷新率為f_r，則范式呈現(xiàn)一個(gè)周期所需幀數(shù)n為：

n＝f_r/f (1)

由于幀數(shù)n需為整數(shù)，這里將其圓整為N，則扇形每一幀轉(zhuǎn)過的角度Deg為：

Deg＝(120*2)/N (2)

得到轉(zhuǎn)角后，將扇形弧度Ang設(shè)置為：

Ang＝Deg+2 (3)

在扇形每一次擺動(dòng)過程中有2°的交疊，更加有利于辨識(shí)；為了使扇形對(duì)稱擺動(dòng)，需要設(shè)置一個(gè)初始擺動(dòng)位置角度Startang₀:

Startang₀＝360-(N/2*Deg)/2 (4)

Startang₀表示每一刺激開始時(shí)扇形初始位置角度；范式圖案通過顯示屏一幀一幀呈現(xiàn)，只要改變每一幀扇形初始擺動(dòng)位置角度就實(shí)現(xiàn)扇形的往復(fù)擺動(dòng)：

Startang_i+1＝Startang_i+k*Deg (5)

其中i表示第i幀范式圖案；根據(jù)式(5)知，通過改變K的值實(shí)現(xiàn)扇形的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，k取1時(shí)，順時(shí)針轉(zhuǎn)，k取-1時(shí)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)；正式應(yīng)用時(shí)，首先設(shè)置范式刺激頻率，根據(jù)式(1)計(jì)算出幀數(shù)，根據(jù)式(2)計(jì)算出轉(zhuǎn)角，根據(jù)式(3)計(jì)算扇形的弧度，根據(jù)式(4)、式(5)，改變扇形初始擺動(dòng)角度就實(shí)現(xiàn)其往復(fù)擺動(dòng)；

2)搭建腦-機(jī)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：

電極帽通過腦電采集設(shè)備和主控制器的輸入連接，主控制器的輸出通過顯示屏擴(kuò)展和屏幕的輸入連接，使用者頭戴電極帽端坐于屏幕前，頭部距離屏幕100-120cm,測(cè)量電極為O1、Oz、O2、POz、PO4和PO8，左耳垂放置參考電極，F(xiàn)Pz處為地電極，給各測(cè)量電極注入導(dǎo)電膏，保證電極與頭皮良好接觸；

3)范式呈現(xiàn)與識(shí)別：

主控制器通過顯示屏擴(kuò)展使屏幕上呈現(xiàn)數(shù)個(gè)刺激頻率不同的紅色扇形往復(fù)擺動(dòng)范式，使用者每次注視刺激范式圖案中任意一個(gè)，通過腦電采集設(shè)備采集使用者注視范式圖案時(shí)產(chǎn)生的腦電信號(hào)，然后經(jīng)過放大、濾波與A/D轉(zhuǎn)換后，將處理后的腦電信號(hào)輸入主控制器，將采集到的腦電信號(hào)利用典型相關(guān)分析進(jìn)行特征提取及分類識(shí)別；

4)識(shí)別結(jié)果通過屏幕輸出，完成視覺反饋后，返回步驟3)，進(jìn)行下一輪的目標(biāo)辨識(shí)。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位，將色彩、形狀、運(yùn)動(dòng)等視覺信息融合設(shè)計(jì)的紅色扇形擺動(dòng)范式，可以激活更多的腦區(qū)，誘發(fā)更強(qiáng)的SSMVEP。

2、以往范式形狀大多是整圓，人眼接受的刺激較大，而本發(fā)明扇形范式面積較小，降低了使用者的視覺疲勞，提高了EEG信噪比，具有低閃爍，低適應(yīng)性的特點(diǎn)。

3、本本發(fā)明不但在低頻段(15Hz以下)有良好的響應(yīng)，在中頻段(15-25Hz)也可以誘發(fā)出刺激頻率，拓寬了范式可設(shè)置的頻率范圍，對(duì)注視目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率也更高，適宜于長(zhǎng)期使用的腦-機(jī)交互場(chǎng)合。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的紅色扇形擺動(dòng)范式圖案。

圖2為本發(fā)明方法的腦-機(jī)接口平臺(tái)示意圖。

圖3為擺動(dòng)范式刺激頻率為13Hz、18Hz時(shí)功率譜密度圖，其中圖(a)是刺激頻率為13Hz時(shí)功率譜密度圖，圖(b)刺激頻率為18Hz時(shí)功率譜密度圖。

圖4為刺激頻率為7.6Hz、9.6Hz、11Hz時(shí)，擺動(dòng)范式與棋盤格功率譜密度圖,其中圖(a)是刺激頻率為7.6Hz時(shí)，擺動(dòng)范式與棋盤格功率譜密度圖，圖(b)是刺激頻率為9.6Hz時(shí)，擺動(dòng)范式與棋盤格功率譜密度圖，圖(c)是刺激頻率為11Hz時(shí)，擺動(dòng)范式與棋盤格功率譜密度圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。

一種基于往復(fù)擺動(dòng)視覺感知的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法，包括以下步驟：

1)紅色扇形往復(fù)擺動(dòng)范式設(shè)計(jì)：

參照?qǐng)D1，根據(jù)色彩空間理論，人眼最容易辨識(shí)紅色，并且紅色刺激，潛伏期最短，有利于大腦快速響應(yīng)，所以選用紅綠作為彩色刺激范式，背景色設(shè)為白色，基于前期實(shí)驗(yàn)以及參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，將扇形半徑設(shè)為360像素，擺動(dòng)角度范圍設(shè)置為120°；設(shè)扇形運(yùn)動(dòng)頻率為f，即往復(fù)擺動(dòng)一個(gè)周期所需時(shí)間的倒數(shù)，反轉(zhuǎn)頻率為f_c,即扇形擺動(dòng)方向改變的頻率，該范式刺激效果以f為基頻，能量集中在其二倍頻，即反轉(zhuǎn)頻率f_c處，將反轉(zhuǎn)頻率f_c作為誘發(fā)的SSMVEP信號(hào)基頻；范式圖案是通過顯示屏一幀一幀呈現(xiàn)的，屏幕刷新率為f_r，則范式呈現(xiàn)一個(gè)周期所需幀數(shù)n為：

n＝f_r/f (1)

由于幀數(shù)n需為整數(shù)，這里將其圓整為N，則扇形每一幀轉(zhuǎn)過的角度Deg為：

Deg＝(120*2)/N (2)

得到轉(zhuǎn)角后，將扇形弧度Ang設(shè)置為：

Ang＝Deg+2 (3)

在扇形每一次擺動(dòng)過程中有2°的交疊，更加有利于辨識(shí)；為了使扇形對(duì)稱擺動(dòng)，需要設(shè)置一個(gè)初始擺動(dòng)位置角度Startang₀:

Startang₀＝360-(N/2*Deg)/2 (4)

Startang₀表示每一刺激開始時(shí)扇形初始位置角度；范式圖案通過顯示屏一幀一幀呈現(xiàn)，只要改變每一幀扇形初始擺動(dòng)位置角度就實(shí)現(xiàn)扇形的往復(fù)擺動(dòng)：

Startang_i+1＝Startang_i+k*Deg (5)

其中i表示第i幀范式圖案；根據(jù)式(5)知，通過改變K的值實(shí)現(xiàn)扇形的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，k取1時(shí)，順時(shí)針轉(zhuǎn)，k取-1時(shí)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)；正式應(yīng)用時(shí)，首先設(shè)置范式刺激頻率，根據(jù)式(1)計(jì)算出幀數(shù)，根據(jù)式(2)計(jì)算出轉(zhuǎn)角，根據(jù)式(3)計(jì)算扇形的弧度，根據(jù)式(4)、式(5)，改變扇形初始擺動(dòng)角度就實(shí)現(xiàn)其往復(fù)擺動(dòng)；

2)搭建腦-機(jī)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：

參照?qǐng)D2，電極帽通過腦電采集設(shè)備和主控制器的輸入連接，主控制器的輸出通過顯示屏擴(kuò)展和屏幕的輸入連接，使用者頭戴電極帽端坐于屏幕前，頭部距離屏幕100-120cm,測(cè)量電極為O1、Oz、O2、POz、PO4和PO8，左耳垂放置參考電極，F(xiàn)Pz處為地電極，給各測(cè)量電極注入導(dǎo)電膏，保證電極與頭皮良好接觸；

3)范式呈現(xiàn)與識(shí)別：

主控制器通過顯示屏擴(kuò)展使屏幕上呈現(xiàn)數(shù)個(gè)刺激頻率不同的紅色扇形往復(fù)擺動(dòng)范式，使用者每次注視刺激范式圖案中任意一個(gè)，通過腦電采集設(shè)備采集使用者注視范式圖案時(shí)產(chǎn)生的腦電信號(hào)，然后經(jīng)過放大、濾波與A/D轉(zhuǎn)換后，將處理后的腦電信號(hào)輸入主控制器，將采集到的腦電信號(hào)利用典型相關(guān)分析進(jìn)行特征提取及分類識(shí)別；

4)識(shí)別結(jié)果通過屏幕輸出，完成視覺反饋后，返回步驟3)，進(jìn)行下一輪的目標(biāo)辨識(shí)。

下面結(jié)合具體實(shí)施例說明該范式的刺激效果，參照?qǐng)D3，顯示屏上布置兩個(gè)范式圖案，刺激頻率為13Hz和18Hz,被試每次注視其中一個(gè)。每個(gè)范式單次刺激時(shí)長(zhǎng)為5s,10次為一個(gè)周期，中間間隔2秒，被試可以適當(dāng)休息，接著注視另一個(gè)，直到兩個(gè)都注視完畢。選用被試Cz電極數(shù)據(jù)做Welch功率譜，可以看到刺激頻率突出，信燥比較高，不但在低頻13Hz,還在中頻18Hz處誘發(fā)出了刺激頻率，可以確定往復(fù)擺動(dòng)的扇形刺激范式在中、低頻段都可以誘發(fā)出刺激頻率。

參照?qǐng)D4，為黑白棋盤格與紅色扇形往復(fù)擺動(dòng)范式在刺激頻率為7.6Hz、9.6Hz、11Hz處刺激效果的比較，選用被試Cz電極采集的數(shù)據(jù)做Welch功率譜，從功率譜圖上可以看到往復(fù)擺動(dòng)的范式誘發(fā)的刺激頻率處峰值更高，信噪比更高，說明人眼對(duì)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)感知更加敏感。