本發(fā)明涉及腦機(jī)接口領(lǐng)域，具體涉及一種變時(shí)長(zhǎng)編碼的非侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)及編碼方式。

背景技術(shù)：

研究表明，當(dāng)受到一個(gè)固定頻率的視覺(jué)刺激的時(shí)候，人的大腦視覺(jué)皮層會(huì)產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的與刺激頻率有關(guān)（刺激頻率的基頻或倍頻處）的響應(yīng)。這個(gè)響應(yīng)被稱為穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位—steady-statevisualevokedpotentials,ssvep。它可以可靠地應(yīng)用于腦-機(jī)接口系統(tǒng)（bcis）。

為了接收、檢測(cè)并分析ssvep信號(hào)，現(xiàn)有技術(shù)提供了一種fm-ssvep刺激器系統(tǒng)，一種基于固定頻率的穩(wěn)態(tài)視覺(jué)刺激器系統(tǒng)，是指利用固定的幾個(gè)不同的頻率分別作為刺激信號(hào)，然后采集大腦在受到這些刺激時(shí)的腦電信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，進(jìn)而得到ssvep信號(hào)的頻率，通過(guò)ssvep信號(hào)的標(biāo)志頻率與刺激信號(hào)的頻率進(jìn)行對(duì)比，即可反饋出刺激信號(hào)的信息，從而完成指令的傳遞，該技術(shù)可應(yīng)用到腦電撥號(hào)、控制等多個(gè)領(lǐng)域。

在之前提出的專利《基于ssvep腦機(jī)接口的腦電波指令識(shí)別方法》中，使用“bit0”,“bit1”,“bit2”三個(gè)頻率（或者說(shuō)信號(hào)）來(lái)分別實(shí)現(xiàn)刺激單元的二進(jìn)制比特流編碼與比特流末端標(biāo)定。

然而，這樣的編碼方法編碼需要的頻率較多，在顯示器等刺激單元上實(shí)現(xiàn)難度仍然較大,且在解碼過(guò)程中需要對(duì)“bit0”,“bit1”,“bit2”進(jìn)行解調(diào)（需要三次濾波）；一次解調(diào)過(guò)程需要的處理時(shí)間較長(zhǎng)（主要原因是，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是基于二進(jìn)制編碼的，當(dāng)需要用二進(jìn)制編碼對(duì)有三種狀態(tài)的信號(hào)（或者說(shuō)三個(gè)信號(hào)）進(jìn)行解碼時(shí)，需要兩位二進(jìn)制編碼對(duì)應(yīng)一種狀態(tài)的信號(hào)），并且讓大腦在產(chǎn)生三種狀態(tài)不同且便于識(shí)別的信號(hào)，對(duì)人腦來(lái)說(shuō)難度較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中編碼難度大、解調(diào)困難以及難以適應(yīng)不同用戶腦電特點(diǎn)的技術(shù)問(wèn)題，提供了一種變時(shí)長(zhǎng)編碼的非侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)及編碼方式。

本發(fā)明提供的基礎(chǔ)方案為：變時(shí)長(zhǎng)編碼的非侵入式腦機(jī)接口編碼方法，用于人腦向計(jì)算機(jī)發(fā)送便于計(jì)算機(jī)識(shí)別的二進(jìn)制編碼，人腦產(chǎn)生兩個(gè)頻率固定、刺激時(shí)間長(zhǎng)度固定的第一階段信號(hào)，兩個(gè)第一階段信號(hào)分別與二進(jìn)制的編碼對(duì)應(yīng)，若干個(gè)第一階段信號(hào)組成一個(gè)碼元，改變碼元最后一位的第一階段信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)或者插入標(biāo)志編碼的方式來(lái)標(biāo)定碼元之間的間隔。

本發(fā)明的工作原理及優(yōu)點(diǎn)在于：本申請(qǐng)所說(shuō)的腦機(jī)接口，是特指單向腦機(jī)接口，是計(jì)算機(jī)單向接收大腦傳來(lái)的信號(hào)。在本方案中碼元之間的間隔需要用延長(zhǎng)最后一位二進(jìn)制信號(hào)的刺激時(shí)間來(lái)標(biāo)定。與現(xiàn)有技術(shù)中碼元之間的間隔需要用單獨(dú)的信號(hào)來(lái)標(biāo)定相比，本發(fā)明只需要人腦產(chǎn)生兩個(gè)頻率固定、刺激時(shí)間長(zhǎng)度固定的第一階段信號(hào)，現(xiàn)有技術(shù)需要人腦產(chǎn)生三個(gè)頻率固定、刺激時(shí)間長(zhǎng)度固定的信號(hào)。插入標(biāo)志編碼的方式是指，通過(guò)在碼元之間插入一個(gè)時(shí)間與二進(jìn)制編碼刺激時(shí)間長(zhǎng)度不同的刺激，這個(gè)刺激稱之為標(biāo)志編碼。標(biāo)志編碼與改變碼元最后一位的第一階段信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)相比，標(biāo)志編碼所提供的刺激時(shí)間長(zhǎng)度不同刺激可能不是碼元的最后一位，可能是其他的刺激信號(hào)。用插入標(biāo)志編碼的方式來(lái)表示，其實(shí)際為在一個(gè)指令末尾插入與兩位刺激時(shí)間長(zhǎng)度不同的二進(jìn)制信號(hào)（如“01”或者“10”）。（分別等效于串口通信中的換行符“\n”）在接受刺激的同時(shí)，人腦能夠產(chǎn)生與刺激源頻率、相位相近的信號(hào)。這樣以達(dá)到區(qū)分碼元間隔的目的。刺激單元可以是led燈或者顯示屏等發(fā)光體。

多形成一個(gè)頻率固定、刺激時(shí)間長(zhǎng)度固定的信號(hào)就增大了人腦的訓(xùn)練負(fù)擔(dān)。設(shè)身處地的想一想，比如要求我們?cè)谂ο胝叫螘r(shí)，產(chǎn)生的是一個(gè)頻率固定的信號(hào)，刺激時(shí)間長(zhǎng)度直接與我們想象的時(shí)間相同，這樣就可以很好的理解其實(shí)大腦產(chǎn)生一個(gè)頻率固定的信號(hào)的難度遠(yuǎn)大于控制刺激時(shí)間長(zhǎng)度的問(wèn)題。在編碼時(shí)（即人腦產(chǎn)生信號(hào)時(shí)），人腦產(chǎn)生的編碼的要求與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠極大降低難度，達(dá)到降低編碼難度的目的。

由于人腦產(chǎn)生的兩個(gè)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制的“bit0”和“bit1”，在碼元間隔時(shí)，是最后一位延長(zhǎng)，在機(jī)器識(shí)別時(shí)，只需要加入一個(gè)條件判斷，即延長(zhǎng)（或者縮短）記為碼元之間的間隔，這樣可極大的提高機(jī)器的識(shí)別效率，降低解調(diào)難度。并且在進(jìn)行信號(hào)提取時(shí)，本發(fā)明需要對(duì)兩路信號(hào)提取即可得到最后的信號(hào)（碼元和碼元之間的間隔），而現(xiàn)有技術(shù)需要對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行提取，才能得到最后的信號(hào)，即本發(fā)明降低了比對(duì)分析抽樣的難度。而且三路信號(hào)容易出現(xiàn)信號(hào)混疊的情況，在該情況下，由于信號(hào)間隔較近，極易出現(xiàn)誤碼。在適應(yīng)不同用戶方面，由于延長(zhǎng)（縮短）最后一位，對(duì)于用戶而言相比重新產(chǎn)生另一個(gè)信號(hào)而言，降低了難度，在本發(fā)明中，用戶僅需要產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)即可，不需要像現(xiàn)有技術(shù)那樣，需要重新產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。即產(chǎn)生兩個(gè)可區(qū)別的信號(hào)，與產(chǎn)生三個(gè)可區(qū)別的信號(hào)相比，能夠讓用戶更快的適應(yīng)。即每個(gè)用戶均存在個(gè)體差異，在實(shí)際應(yīng)用中，能夠產(chǎn)生三個(gè)可區(qū)別的信號(hào)的用戶數(shù)量較少，且需要長(zhǎng)期的訓(xùn)練，但是能夠產(chǎn)生兩個(gè)可區(qū)別的信號(hào)的用戶的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于能夠產(chǎn)生三個(gè)信號(hào)的用戶數(shù)量，即降低了對(duì)用戶的要求，達(dá)到提高適應(yīng)不同用戶腦電特點(diǎn)的效果。

本發(fā)明變時(shí)長(zhǎng)編碼的非侵入式腦機(jī)接口編碼方法具有如下優(yōu)勢(shì)：1.人腦在發(fā)出腦電信號(hào)時(shí)，僅需要產(chǎn)生兩個(gè)可區(qū)別的信號(hào)，降低了編碼難度。2.機(jī)器在識(shí)別時(shí)，僅需要加入一個(gè)條件判斷，即可快速的識(shí)別腦電信號(hào)中的信息，達(dá)到降低解調(diào)難度的目的。

進(jìn)一步，通過(guò)延長(zhǎng)碼元最后一位的第一階段信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)來(lái)標(biāo)定碼元之間的間隔。延長(zhǎng)碼元最后一位與縮短碼元最后一位相比，延長(zhǎng)能夠降低用戶產(chǎn)生腦電的難度。

進(jìn)一步，人腦產(chǎn)生兩個(gè)頻率固定、刺激時(shí)間長(zhǎng)度固定的第一階段信號(hào)，是通過(guò)刺激單元對(duì)人腦進(jìn)行訓(xùn)練而讓人腦產(chǎn)生的。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的適應(yīng)性訓(xùn)練之后，人腦產(chǎn)生的信號(hào)能夠更易被機(jī)器識(shí)別。

進(jìn)一步，刺激單元是按如下方式對(duì)人腦進(jìn)行訓(xùn)練的，刺激單元對(duì)人腦按照二進(jìn)制編碼的方式進(jìn)行刺激，刺激單元采用二進(jìn)制編碼唯一一個(gè)標(biāo)識(shí)：“bit0”和“bit1”，“bit0”和“bit1”均有對(duì)應(yīng)的固定頻率、對(duì)應(yīng)的固定的刺激時(shí)間長(zhǎng)度，刺激單元通過(guò)延長(zhǎng)二進(jìn)制編碼最后一位的“bit0”或“bit1”對(duì)應(yīng)的刺激時(shí)間標(biāo)定一個(gè)指令的結(jié)束，不需要任何訓(xùn)練，人腦能夠自己發(fā)出“bit0”和“bit1”以及延長(zhǎng)后的“bit0”和“bit1”的信號(hào)。

變時(shí)長(zhǎng)編碼的非侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)，包括：

刺激單元，刺激單元用于對(duì)人腦按二進(jìn)制編碼的方式進(jìn)行刺激，刺激單元采用二進(jìn)制編碼唯一一個(gè)標(biāo)識(shí)：“bit0”和“bit1”，“bit0”和“bit1”均有對(duì)應(yīng)的固定頻率、對(duì)應(yīng)的固定的刺激時(shí)間長(zhǎng)度，刺激單元通過(guò)延長(zhǎng)二進(jìn)制編碼最后一位的“bit0”或“bit1”對(duì)應(yīng)的刺激時(shí)間標(biāo)定一個(gè)指令的結(jié)束；

信號(hào)采集單元，信號(hào)采集單元用于獲取人腦的信號(hào)；

解碼單元，解碼單元用于獲取采集到的人腦的信號(hào)，解碼單元找出其中編碼被延長(zhǎng)的“bit0”或“bit1”并依此對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段，解碼單元根據(jù)分段的結(jié)果提取二進(jìn)制碼流。

本系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)，1.人腦在發(fā)出腦電信號(hào)時(shí)，僅需要產(chǎn)生兩個(gè)可區(qū)別的信號(hào)，降低了編碼難度。2.機(jī)器在識(shí)別時(shí)，僅需要加入一個(gè)條件判斷，即可快速的識(shí)別腦電信號(hào)中的信息，達(dá)到降低解調(diào)困難的目的。

進(jìn)一步，還包括信號(hào)處理單元，信號(hào)采集單元將獲取到的人腦信號(hào)傳遞到信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元對(duì)接收到的人腦信號(hào)進(jìn)行去除基線漂移處理和帶通濾波處理。這樣處理之后能提高信號(hào)的識(shí)別率，降低誤碼率。

進(jìn)一步，還包括反饋模塊，反饋模塊用于調(diào)節(jié)“bit0”和“bit1”的固有頻率與腦電信號(hào)的匹配度。反饋模塊與本系統(tǒng)配合，根據(jù)用戶的個(gè)人特點(diǎn)，調(diào)節(jié)與“bit0”和“bit1”相匹配的腦電信號(hào)，以適應(yīng)用戶的腦電特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的腦機(jī)接口編碼方法解碼出來(lái)的結(jié)果圖；

圖2為本方案的腦機(jī)接口編碼方案解碼出來(lái)的結(jié)果圖；

圖3現(xiàn)有的編碼方式的頻譜圖；

圖4本發(fā)明的頻譜圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明：

實(shí)施例：

變時(shí)長(zhǎng)編碼的非侵入式腦機(jī)接口編碼方法，用于人腦向計(jì)算機(jī)發(fā)送便于計(jì)算機(jī)識(shí)別的二進(jìn)制編碼，人腦產(chǎn)生兩個(gè)頻率固定、刺激時(shí)間長(zhǎng)度固定的第一階段信號(hào)，兩個(gè)第一階段信號(hào)分別與二進(jìn)制的編碼對(duì)應(yīng)，若干個(gè)第一階段信號(hào)組成一個(gè)碼元，延長(zhǎng)碼元最后一位的第一階段信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)來(lái)標(biāo)定碼元之間的間隔。

其中，人腦產(chǎn)生兩個(gè)頻率固定、刺激時(shí)間長(zhǎng)度固定的第一階段信號(hào)，是刺激單元是按如下方式對(duì)人腦進(jìn)行訓(xùn)練的，刺激單元對(duì)人腦按照二進(jìn)制編碼的方式進(jìn)行刺激，刺激單元采用二進(jìn)制編碼唯一一個(gè)標(biāo)識(shí)：“bit0”和“bit1”，“bit0”和“bit1”均有對(duì)應(yīng)的固定頻率、對(duì)應(yīng)的固定的刺激時(shí)間長(zhǎng)度，刺激單元通過(guò)延長(zhǎng)二進(jìn)制編碼最后一位的“bit0”或“bit1”對(duì)應(yīng)的刺激時(shí)間標(biāo)定一個(gè)指令的結(jié)束，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，人腦能夠自己發(fā)出“bit0”和“bit1”以及延長(zhǎng)后的“bit0”和“bit1”的信號(hào)。在本實(shí)施例中，刺激單元可以是led燈或者是任何形式的光刺激。光刺激也可以是同種顏色光以不同的閃爍頻率實(shí)現(xiàn)，或者閃爍不同顏色的光來(lái)區(qū)分二進(jìn)制編碼中的不同標(biāo)識(shí)。在本實(shí)施例中，選用的同種顏色光以兩種不同的閃爍頻率來(lái)區(qū)分（或者說(shuō)代表）二進(jìn)制編碼中的不同標(biāo)識(shí)的。

變時(shí)長(zhǎng)編碼的非侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)，包括：

刺激單元，刺激單元用于對(duì)人腦按二進(jìn)制編碼的方式進(jìn)行刺激，刺激單元采用二進(jìn)制編碼唯一一個(gè)標(biāo)識(shí)：“bit0”和“bit1”，“bit0”和“bit1”均有對(duì)應(yīng)的固定頻率、對(duì)應(yīng)的固定的刺激時(shí)間長(zhǎng)度，刺激單元通過(guò)延長(zhǎng)二進(jìn)制編碼最后一位的“bit0”或“bit1”對(duì)應(yīng)的刺激時(shí)間標(biāo)定一個(gè)指令的結(jié)束。即刺激單元采用的是led燈，led燈連接一個(gè)單片機(jī)，單片機(jī)控制led燈有兩種閃爍頻率（均有固定的刺激時(shí)間長(zhǎng)度）分別代表不同的二進(jìn)制編碼。

信號(hào)采集單元，信號(hào)采集單元用于獲取人腦的信號(hào)；

解碼單元，解碼單元用于獲取采集到的人腦的信號(hào)，解碼單元找出其中編碼被延長(zhǎng)的“bit0”或“bit1”并依此對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段，解碼單元根據(jù)分段的結(jié)果提取二進(jìn)制碼流；

信號(hào)處理單元，信號(hào)采集單元將獲取到的人腦信號(hào)傳遞到信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元對(duì)接收到的人腦信號(hào)進(jìn)行去除基線漂移處理和帶通濾波處理；

反饋模塊，反饋模塊用于調(diào)節(jié)“bit0”和“bit1”的固有頻率與腦電信號(hào)的匹配度。

本實(shí)施例中，刺激單元采用的是能夠發(fā)出兩種顏色光的顯示器，給人腦不同的刺激信號(hào)。

信號(hào)采集單元，主要由電極、腦電放大器、低通和帶阻濾波器、調(diào)節(jié)電路、信號(hào)采集以及量化模塊，現(xiàn)有技術(shù)中有較多的設(shè)備，本實(shí)施例采用ads1299作為腦電信號(hào)采集裝置。

信號(hào)處理單元，直接可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，反饋模塊可以通過(guò)調(diào)節(jié)按鍵實(shí)現(xiàn)。

并且還可以將fir濾波器應(yīng)用到本實(shí)施例中，降低芯片的運(yùn)算量。

與現(xiàn)有技術(shù)在解碼時(shí)使用濾波器不同，本方案中可使用基于fft（快速傅里葉變換）overlap（疊加法）的fir（英文全名:“fft-basedoverlap-addmethod”簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它可以快速計(jì)算信號(hào)與濾波器系統(tǒng)函數(shù)的卷積）濾波器。在現(xiàn)有技術(shù)使用的傳統(tǒng)濾波器中，每獲取到一個(gè)新數(shù)據(jù)后需要對(duì)全部數(shù)據(jù)再進(jìn)行一次濾波操作，這樣浪費(fèi)了處理能力同時(shí)也使得現(xiàn)有技術(shù)對(duì)處理器的運(yùn)算能力有所要求。然而本發(fā)明，對(duì)于新來(lái)的數(shù)據(jù)就只需要對(duì)其運(yùn)算后附加在已有數(shù)據(jù)之后。節(jié)約了處理能力，使得bfsk可以在一些低功耗處理器上實(shí)現(xiàn)。

具體而言，對(duì)于一般的卷積來(lái)說(shuō)，其計(jì)算復(fù)雜度為：quote，而fft-basedoverlap-addmethod的計(jì)算復(fù)雜度為：quote其中quote為信號(hào)周期長(zhǎng)度，n為fft的區(qū)間長(zhǎng)度。

為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的效果，我們將一段編碼按照現(xiàn)有的方式（碼元之間的間隔通過(guò)用“bit2”標(biāo)識(shí)，即3個(gè)信號(hào)）對(duì)人腦進(jìn)行刺激（或者說(shuō)人腦開(kāi)始想象，發(fā)出包含這段編碼的信號(hào)），然后用現(xiàn)有的編碼方式和系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)的結(jié)果如圖1所示，我們可以明確的看出在1.2秒和8.4秒都出現(xiàn)了信號(hào)混疊的情況，在該情況下，由于信號(hào)間隔較近，幅值相當(dāng)算法極易發(fā)生誤判。而本方案提供的方法則可以完全避免這種情況。

按照本發(fā)明提供的方法和系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)結(jié)果如圖2所示。

我們還提取了現(xiàn)有的編碼方式的頻譜圖（圖3）和本方案的頻譜圖（圖4）來(lái)進(jìn)一步對(duì)比說(shuō)明，從圖3和圖4的對(duì)比可以明確的發(fā)現(xiàn)，圖3中存在3個(gè)波峰，即有是三個(gè)信號(hào)，信號(hào)之間的區(qū)分度（波峰之間的波谷）明顯不如圖4的明顯。

以上所述的僅是本發(fā)明的實(shí)施例，方案中公知的具體結(jié)構(gòu)及特性等常識(shí)在此未作過(guò)多描述。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明結(jié)構(gòu)的前提下，還可以作出若干變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍，這些都不會(huì)影響本發(fā)明實(shí)施的效果和專利的實(shí)用性。本申請(qǐng)要求的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以其權(quán)利要求的內(nèi)容為準(zhǔn)，說(shuō)明書(shū)中的具體實(shí)施方式等記載可以用于解釋權(quán)利要求的內(nèi)容。