一種基于非對稱視覺誘發電位的腦-機接口通訊系統技術方案

本發明專利技術公開了一種基于非對稱視覺誘發電位的腦?機接口通訊系統，該系統包括：液晶顯示器，用于顯示刺激界面；腦電電極，用于腦電生物信號的采集；腦電放大器，用于將信號經過腦電放大器放大、濾波后輸入計算機；計算機處理平臺，用于根據非對稱VEP的誘發特點，設計和執行基于周圍視野非對稱視覺刺激的指令編碼，最終將腦電信號解碼后轉化為BCI指令進行輸出。與傳統視覺BCI系統相比，本發明專利技術能夠減輕受試者的視覺疲勞感，同時提高BCI系統的信息傳輸效率，進一步研究可以得到完善的腦?機接口系統，有望獲得可觀的社會效益和經濟效益。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于基于計算機的生物通訊
，特別是涉及一種基于非對稱視覺誘發電位的腦-機接口通訊協議系統。
技術介紹
腦-機接口(Brain-ComputerInterface，BCI)是一個將中樞神經系統活動直接轉化為人工輸出的系統，它能夠替代、修復、增強、補充或者改善中樞神經系統的正常輸出，從而改善中樞神經系統與內外環境之間的交互作用。通過采集和分析不同刺激下受試者的腦電信號，再使用一定的工程技術手段建立起人腦與計算機或其它電子設備之間的交流和控制通道。BCI技術實現了一種全新的信息交互與控制方式，可以為殘疾人尤其是那些基本肢體運動功能受損但思維正常的患者提供一種與外界進行信息交流和控制的途徑，使他們無需進行語言或肢體動作即可同外界交流或操縱外界設備。為此，BCI技術也越來越受到重視。在腦-機接口系統的研究中，基于事件相關電位(Event-RelatedPotential，ERP)特征的ERP-BCI是應用較廣泛的系統之一。視覺誘發電位(VEP)是ERP-BCI中經常用到的一種腦電特征信號，它是大腦皮質枕葉區對視覺刺激發生的電反應，反映了視網膜接受刺激，經視通路傳導至枕葉皮層而引起的電位變化。當視覺刺激在視野內不同區域出現時，會在大腦對應區域誘發出較為明顯的視覺ERP波形。基于穩態視覺誘發電位(SSVEP)的腦-機接口系統已經發展得較為穩定和成熟。典型相關分析(CanonicalCorrelationAnalysis，CCA)算法目前被普遍應用于基于穩態視覺誘發電位(SSVEP)的腦-機接口系統中，且有研究對該算法做了進一步改進，即在腦電信息處理過程中應用模板匹配原則引入了受試者自身信號，提升了系統的識別正確率和信息傳輸速率，目前基于視覺誘發電位的腦-機接口系統已經達到了最高207.53bit/min的信息傳輸速率，為將腦-機接口技術進一步向應用成果轉化奠定了有力基礎。然而傳統視覺腦-機接口的刺激都是出現在受試者的中央視野，容易使其產生視覺疲勞，且占據了受試者大部分的視覺信息輸入通道，因此不利于用戶的長時間操作與多任務操作。同時，傳統的視覺BCI利用對稱性刺激誘發腦電，使得腦電特征容易受共模噪聲的影響，不利于特征信號的提取。目前有研究表明，大腦對VEP的響應存在空間對側占優特性，利用該特性對指令進行碼分多址(CDMA)與空分多址(SDMA)混合編碼，可進一步提升系統的信息傳輸速率。
技術實現思路
基于上述現有技術和存在的問題，本專利技術提出了一種基于非對稱視覺誘發電位的腦-機接口通訊系統，根據大腦視覺刺激響應的空間對側優勢特性，設計了一種新的用于腦-機接口通訊的視覺刺激方法來誘發非對稱VEP，利用大腦對VEP刺激響應的空間對側占優特性對指令進行碼分多址(CDMA)與空分多址(SDMA)混合編碼，以及通過編、解碼非對稱VEP來確定用戶的目標字符。本專利技術提出了一種基于非對稱視覺誘發電位的腦-機接口通訊系統，該系統包括液晶顯示器、腦電電極、腦電放大器以及計算機處理平臺；其中：液晶顯示器，用于顯示刺激界面；腦電電極，用于腦電生物信號的采集；腦電放大器，用于將信號經過腦電放大器放大、濾波后輸入計算機；計算機處理平臺，用于根據非對稱VEP的誘發特點，設計和執行基于周圍視野非對稱視覺刺激的指令編碼，最終將腦電信號解碼后轉化為BCI指令進行輸出，其中：所述指令編碼的具體處理包括：采用刺激在周圍視野內的位置形成的空分多址編碼和采用根據刺激在不同時刻的變化順序加入碼分多址編碼的混合策略；所述指令解碼的具體處理包括：利用典型相關分析方法衡量測試信號與不同模板之間的匹配程度，即計算二者的相關系數；之后利用線性判別分析法對相關系數矩陣進行特征優化，最后輸出分類結果；即：將多維特征向量都看作一個整體測試信號X，模板信號Y存在兩種情況：一是由標準正余弦信號及其諧波成分構成的參考信號Yf，二是受試者訓練集信號構成的模板信號，根據公式(1)計算X和Y兩個整體之間的相關系數， C C A ( X , Y ) = C o v ( X , Y ) D ( X ) D ( Y ) = ϵ [ U X , Y T XY T V X , Y ] ϵ [ U X , Y T XX T V X , Y ] ϵ [ V 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于非對稱視覺誘發電位的腦?機接口通訊系統，其特征在于，該系統包括液晶顯示器、腦電電極、腦電放大器以及計算機處理平臺；其中：液晶顯示器，用于顯示刺激界面；腦電電極，用于腦電生物信號的采集；腦電放大器，用于將信號經過腦電放大器放大、濾波后輸入計算機；計算機處理平臺，用于根據非對稱VEP的誘發特點，設計和執行基于周圍視野非對稱視覺刺激的指令編碼，最終將腦電信號解碼后轉化為BCI指令進行輸出，其中：所述指令編碼的具體處理包括：采用刺激在周圍視野內的位置形成的空分多址編碼和采用根據刺激在不同時刻的變化順序加入碼分多址編碼的混合策略；所述指令解碼的具體處理包括：利用典型相關分析方法衡量測試信號與不同模板之間的匹配程度，即計算二者的相關系數；之后利用線性判別分析法對相關系數矩陣進行特征優化，最后輸出分類結果；即：將多維特征向量都看作一個整體測試信號X，模板信號Y存在兩種情況：一是由標準正余弦信號及其諧波成分構成的參考信號Yf，二是受試者訓練集信號構成的模板信號根據公式(1)計算X和Y兩個整體之間的相關系數，CCA(X,Y)=Cov(X,Y)D(X)D(Y)=ϵ[UX,YTXYTVX,Y]ϵ[UX,YTXXTVX,Y]ϵ[VX,YTYYTUX,Y]---(1)]]>式中：Y包含Y＝Yf和兩種情況：Yf=Sin(2π·fn)cos(2π·fn)sin(2π·Nhfn)cos(2π·Nhfn),n=1fs---(2)]]>X~=1NΣiNXi---(3)]]>其中，f為基頻，fs為采樣率，Nh為諧波次數，Xi為訓練集信號，N為訓練集信號個數，i為當前運算信號；經過上述計算將多維特征X、Y轉換為一維向量x、y，再計算x、y之間的相關系數，相關系數越大則代表測試信號與該模板的匹配程度越高，反之相關系數越小代表匹配程度越低。公式(1)中Ux,y和Vx,y為X和Y計算得到的典型相關矩陣，對X、Y、三者分別進行典型相關分析的計算后，得到和四個典型相關矩陣作為空間濾波器；將腦電信號與典型相關矩陣相乘，即使多維腦電信號經過空間濾波器濾波后變成一維矩陣，再計算相應的相關系數即可，N為指令個數，對于第k個指令的相關系數矩陣表示為：ρk=ρk,1ρk,2ρk,3ρk,4ρk,5=CCA(X,Yf)ρ(XTUX,Yf,X~TUX,Yf)ρ(XTUX~,Yf,X~TUX~,Yf)ρ(XTUX,X~,X~TVX,X~)ρ(XTVX,X~,X~TVX,X~),k=1,2,...,N---(4)]]>最終將作為一組特征向量送入LDA分類器進行分類，將分類結果轉化為BCI指令輸出。...

【技術特征摘要】
1.一種基于非對稱視覺誘發電位的腦-機接口通訊系統，其特征在于，該系統包括液晶
顯示器、腦電電極、腦電放大器以及計算機處理平臺；其中：
液晶顯示器，用于顯示刺激界面；
腦電電極，用于腦電生物信號的采集；
腦電放大器，用于將信號經過腦電放大器放大、濾波后輸入計算機；
計算機處理平臺，用于根據非對稱VEP的誘發特點，設計和執行基于周圍視野非對稱視
覺刺激的指令編碼，最終將腦電信號解碼后轉化為BCI指令進行輸出，其中：
所述指令編碼的具體處理包括：采用刺激在周圍視野內的位置形成的空分多址編碼和
采用根據刺激在不同時刻的變化順序加入碼分多址編碼的混合策略；
所述指令解碼的具體處理包括：利用典型相關分析方法衡量測試信號與不同模板之間
的匹配程度，即計算二者的相關系數；之后利用線性判別分析法對相關系數矩陣進行特征
優化，最后輸出分類結果；即：
將多維特征向量都看作一個整體測試信號X，模板信號Y存在兩種情況：一是由標準正
余弦信號及其諧波成分構成的參考信號Yf，二是受試者訓練集信號構成的模板信號根
據公式(1)計算X和Y兩個整體之間的相關系數，
C C A ( X , Y ) = C o v ( X , Y ) D ( X ) D ( Y ) = ϵ [ U X , Y T XY T V X , Y ] ϵ [ U X , Y T XX T V X , Y ] ϵ [ V X , Y T YY T U X , Y ] - - - ( 1 ) ]]>式中：Y包含Y＝Yf和兩種情況：
Y f = S i n ( 2 π · f n ) cos ( 2 π · f n ) s i n ( 2 π · N h f n ) cos ( 2 π · N h f n ) , n = 1 f s - - - ( 2 ) ]]> X ~ = 1 N Σ i N X i - - - ( 3 ) ]]>其中，f為基頻，fs為采樣率，Nh為諧波次數，Xi為訓練集信號，N為訓練集信號個數，i為
當前運算信號；
經過上述計算將多維特征X、Y轉換為一維向量x、y，再計算x、y之間的相關系數，相關系
數越大則代表測試信號與該模板的匹配程度越高，反之相關系數越小代表匹配程度越低。
公式(1)中Ux,y和Vx,y為X和Y計算得到的典型相關矩陣，對X、Y、三者分別進行典型相關
分析的計算后，得到和四個典型相關矩陣作為空間濾波器；將腦電信
號與典型相關矩陣相乘，即使多維腦電信號經過空間濾波器濾波后變成一維矩陣，再計算
相應的相關系數即可，N為指令個數，對于第k個指令的相關系數矩陣表示為：
ρ k = ρ k , ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：許敏鵬，肖曉琳，湯佳貝，王仲朋，陳龍，何峰，綦宏志，明東，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津;12