基于運動想象和mVEP信號控制的鼠標移動控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及生物信息技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及腦-機接口系統(tǒng)，特別設(shè)及一種基于運動想 象和mVEP信號控制的鼠標移動控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 腦-機接口度rainComputerInte計ace,BCI)是利用計算機或其他外部電子 設(shè)備之間實現(xiàn)人腦與外界進行直接交流和控制通道（WolpawJR,Bi;rbaumerN,McFarland DJ,PfurtschellerG,VaughanTM(2002)Brain-computerinterfacesforcommunication andcontrol.ClinNeuro地ysiol113:767-791.KBCI研究設(shè)及眾多學科，例如：神經(jīng)科學、 信號檢測、信號處理、模式識別、控制理論等，運些學科的交叉發(fā)展推動了BCI研究的推進。 BCI的基礎(chǔ)理論與臨床應用研究，已被納入腦科學和神經(jīng)工程學的范疇，也被國際上的很多 權(quán)威機構(gòu)認為是21世紀腦與神經(jīng)科學研究中的最前沿與熱點之一。
[0003] 腦-機接口的主要目標是在大腦和計算機之間建立一條直接的通道，為身體殘疾 或語言功能障礙的人提供一個與外界溝通的可行方式。腦機接口實現(xiàn)了不可思議的意念式 的控制，直接通過大腦與外界進行交流，從而代償或部分代償人們先天或后天喪失的與外 界的溝通交流功能，達到提高人們生活質(zhì)量的目的。
[0004] 如今是信息爆炸的時代，人們獲取信息的方式主要是互聯(lián)網(wǎng)，而互聯(lián)網(wǎng)的終端無 異于人們手中的個人電腦。然而對于身有殘疾的人們來說，控制電腦幾乎是一項不可能完 成的任務。為了改變運部分人的命運，使他們也能獲得控制電腦融入社會的能力，人們設(shè)計 了BCI在線多模態(tài)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鼠標功能的控制：鼠標的隨意移動、鼠標左鍵單擊和 右鍵單擊。在二維光標控制中，光標運動可W通過對其上下左右的控制實現(xiàn)。運種控制方 式雖然簡單，但導致的是不平滑的運動，因為光標只能沿上下左右四個固定的方向運動?，F(xiàn) 實生活中，光標的運動是光滑的軌跡是自然的，運就需要被試同時完成對上下方位和左右 方位的同時控制。當前大部分BCI控制都是基于單一模態(tài)或分時多模態(tài)，也有利用P300及 運動想象進行控制的。但是P300信號的未定性能較差，刺激性強，容易對運動想象信號的 特征提取產(chǎn)生影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用mVEP電位信號和運動想 象聯(lián)合控制，控制方式更加隨意和靈活，并且mVEP電位的刺激小，能夠使使用者更方便在 注視mVEP刺激的同時進行左右手的運動想象的控制的基于運動想象和mVEP信號控制的鼠 標移動控制方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：基于運動想象和mVEP信號控制的 鼠標移動控制方法，包括W下步驟：
[0007] S1、系統(tǒng)初始化：通過頭皮處的電極連接使用者與計算機腦-機接口設(shè)備，打開計 算機腦-機接口設(shè)備的工作界面，工作界面上出現(xiàn)目標和鼠標光標；
[0008] S2、腦信號采集：通過電極采集同時具有mVEP(運動起始視覺誘發(fā)電位）和MI(運 動想象特征信號）的混合信號并將其傳送至計算機；
[0009] S3、對采集到的混合信號進行處理，得到MI和mVEP的融合軌跡，即為鼠標光標的 移動軌跡。
[0010] 進一步地，所述的步驟S3包括W下子步驟：
[0011] S31、兩類信號的混合信號兼具了兩種信號的特征，因此無需分離，直接在混合信 號上按兩模態(tài)分別對MI信號和mVEP信號進行特征提取和分類識別；
[0012] S32、對MI信號和mVEP信號進行在線輸出控制，具體包括W下子步驟：
[0013] S321、鼠標光標的水平運動和垂直運動分別是通過MI和mVEP控制的，令Px(t)和 Py(t)分別表示光標t時亥IJ的X軸和y軸的坐標，AX和Ay分別代表t+1時亥IJ光標在水平 位置和垂直位置的增量，則t+1時刻光標的位置Px(t+1)和Py(t+1)更新表示為：
[0014]
C1)
[0015] 此式表明光標下一時刻的位置取決于其當前時刻在X軸和y軸的增量，故光標運 動方向的改變受制于AX和Ay;
[0016] S322、令町和DV分別代表t時刻MI和mVEP的分類輸出結(jié)果，此分類問題均為兩 分類，因此Dh和DV的取值均為1或-1，VX和Vy分別表示t時刻水平方向和垂直方向的移 動速率（由被試根據(jù)自身適應性進行設(shè)定），則小球的位置增量AX和Ay為：
[0017]
(2>;
[001引 S323、將公式（2)帶入公式（1)中，得到MI信號和mVEP信號的融合軌跡，即為鼠 標光標的移動軌跡。
[0019] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用mVEP電位信號和運動想象聯(lián)合控制，控制方式 更加隨意和靈活，相比于P300和運動想象聯(lián)合控制的方式，mVEP信號特征的穩(wěn)定性要優(yōu)于 P300 ;并且mVEP電位的刺激小，能夠使使用者更方便在注視mVEP刺激的同時進行左右手的 運動想象的控制，而不會影響到對運動想象信號特征的提取，能夠廣泛應用于腦-機接口 系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的鼠標光標控制方法驗證實驗的實驗界面；
[0021] 圖2為一名被試者在單模態(tài)與多模態(tài)任務中左、右手運動想象C3和C4電極處的 頻譜圖；
[0022] 圖3為該名被試者在單模態(tài)與多模態(tài)任務中左、右手運動想象在最大差別CSP濾 波方向上的頭表拓撲圖；
[0023] 圖4為一名被試者在多模態(tài)任務與單模態(tài)任務中，視覺區(qū)電極的mVEP信號幅度波 形示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[00巧]在二維光標控制中，光標運動可W通過對其上下左右的控制實現(xiàn)。運種控制方式 雖然簡單，但導致的是不平滑的運動，因為光標只能沿上下左右四個固定的方向運動?，F(xiàn)實 生活中，光標的運動是光滑的軌跡是自然的，運就需要被試同時完成對上下方位和左右方 位的同時控制。為此我們嘗試采用MI和mVEP建立混合BCI系統(tǒng)，前者是被試內(nèi)屯、的思想 活動，后者是外部視覺的刺激。
[0026] 本發(fā)明的一種基于運動想象和mVEP信號控制的鼠標移動控制方法，包括W下步 驟：
[0027] S1、系統(tǒng)初始化：通過頭皮處的電極連接使用者與計算機腦-機接口設(shè)備，打開計 算機腦-機接口設(shè)備的工作界面，工作界面上出現(xiàn)目標和鼠標光標；
[0028] S2、腦信號采集：通過電極采集同時具有mVEP(運動起始視覺誘發(fā)電位）和MI(運 動想象特征信號）的混合信號并將其傳送至計算機；
[0029] S3、對采集到的混合信號進行處理，得到MI和mVEP的融合軌跡，即為鼠標光標的 移動軌跡。
[0030] 進一步地，所述的步驟S3包括W下子步驟：
[0031] S31、兩類信號的混合信號兼具了兩種信號的特征，因此無需分離，直接在混合信 號上按兩模態(tài)分別對MI信號和mVEP信號進行特征提取和分類識別；
[0032] S32、對MI信號和mVEP信號進行在線輸出控制，具體包括W下子步驟：
[0033] S321、鼠標光標的水平運動和垂直運動分別是通過MI和mVEP控制的，令Px(t)和 Py(t)分別表示光標t時亥IJ的X軸和y軸的坐標，AX和Ay分別代表t+1時亥IJ光標在水平 位置和垂直位置的增量，則t+1時刻光標的位置Px(t+1)和Py(t+1)更新表示為：
[0034]
(U
[0035] 此式表明光標下一時刻的位置取決于其當前時刻在X軸和y軸的增量，故光標運 動方向的改變受制于AX和Ay;
[0036] S322、令町和DV分別代表t時刻MI和mVEP的分類輸出結(jié)果，此分類問題均為兩 分類，因此Dh和DV的取值均為1或-1，VX和Vy分別表示t時刻水平方向和垂直方向的移 動速率（由被試根據(jù)自身適應性進行設(shè)定），則小球的位置增量AX和Ay為：
[0037]
(2)；
[003引 S323、將公式似帶入公式（1)中，得到MI信號和mVEP信號的融合軌跡，即為鼠 標光標的移動軌跡。
[0039] 下面通過實驗對本發(fā)明的鼠標光標控制方法進行驗證。
[0040] 實驗界面如圖1所示，有四個閃爍的方框分別位于界面的四個角，當使用者注視 它們其中之一時