基于穩態視覺誘發的腦電信號處理方法技術

本發明專利技術公開了一種基于穩態視覺誘發的腦電信號處理方法，其實現過程是：(1)利用采集系統采集受試者在不同視覺頻率刺激下的腦電信號；(2)對腦電信號進行預處理；(3)利用濾波器組對預處理后的腦電信號進行濾波；(4)利用似然比計算方法計算濾波后的腦電信號與不同視覺刺激頻率之間的似然比，得到一個似然比組；(5)從似然比組中，找出最大的似然比所對應的視覺刺激頻率，完成對腦電信號的識別。本發明專利技術同時利用了濾波器組和似然比檢驗，克服了現有技術識別目標個數較少的缺點，增加了識別目標的個數，提高了腦電信號的識別準確率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于信息
，更一步涉及在生命科學
中應用腦-機接口(Brain-Computer Interface，BCI)系統對穩態視覺誘發腦電信號的處理方法。本專利技術通過對穩態視覺誘發腦電信號的處理,最終用于單詞拼寫、控制輪椅、控制機器人等具有穩態視覺誘發腦-機接口的腦電產品控制。
技術介紹
穩態視覺誘發是大腦視覺皮層對處于視覺中心的閃爍刺激的一種生物反饋。研究證明，處于視覺中心的閃爍刺激能夠對視覺皮層的神經元群在特定模式上的神經活動產生增強作用，從而對腦電信號特定頻率成分的幅度進行調控，且頻率響應在視覺刺激頻率及其倍頻處較強。因此，通過對受試者穩態視覺誘發腦電信號的分析，判別受試者視覺刺激頻率，從而實現對外界裝置的控制。目前，穩態視覺誘發腦電信號的分析方法有典型相關分析方法和功率譜分析方法等。華南理工大學擁有的專利技術“一種基于多模態腦機接口的意識狀態監測方法”(申請號201510253168.8，申請日2015.05.15，授權號CN 104921723A，授權日2015.09.23)中提出一種基于多模態腦機接口的意識狀態監測方法。該專利技術將P300和穩態視覺誘發相結合，將P300和穩態視覺誘發分開設計，腦電數據被分成兩份，最后采用相加的法則來結合P300和穩態視覺誘發的檢測結果，增加了算法的復雜度，在一定程度上提高了拼寫準確率。該方法存在的不足之處是，視覺刺激時間比較長，不僅會使被試者產生視覺疲勞，影響識別的準確率，而且不適用于實時檢測。鄧志東在其發表的論文“一種基于SSVEP的仿人機器人異步腦機接口控制系統”(機器人，2011,33(2)：129-135)中提出了一種基于SSVEP的仿人機器人的控制方法。該方法通過對腦電信號進行特征提取和模式分類，來判別使用者的控制意圖，實現了對機器人的遠程控制。該方法存在的不足之處是，使用者的控制屏幕只有上下左右四個刺激目標，代表可以實現四種不同的控制命令，但在實際應用中四種控制命令相對較少，難以滿足人們的要求。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種基于穩態視覺誘發的腦電信號處理方法。實現本專利技術目的的基本思路是：將采集的多通道腦電信號做預處理；利用濾波器組對預處理后的腦電信號進行濾波，充分利用腦電信號的諧波信號；同時使用似然比檢驗對數據的高利用率特性，在視覺刺激時間較短、刺激目標較多的情況下，完成對腦電信號的識別。為實現上述目的，本專利技術具體實現步驟包括如下：(1)采集數據：腦電信號采集系統通過受試者佩戴的電極帽，采集受試者在視覺刺激顯示屏上按不同頻率閃爍的40個白色正方形塊的刺激下，電極帽上所有電極的1024個采樣點的腦電信號；(2)預處理：(2a)用受試者電極帽上每個電極采集的腦電信號減去所有電極腦電信號的均值，得到基線校正后的腦電信號；(2b)利用EEGLAB軟件，在基線校正后的腦電信號中截取受試者在視覺刺激過程中的腦電信號，得到截取后的腦電信號；(2c)將截取后的腦電信號降采樣，得到預處理后的腦電信號；(3)帶通濾波:利用帶通濾波器組對預處理后的腦電信號進行濾波，得到子頻帶腦電信號矩陣組；(4)檢驗似然比：(4a)利用參考信號公式，計算每個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，將所有視覺刺激頻率的參考信號矩陣組成一個參考信號組；(4b)從參考信號矩陣組中任意選取一個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，利用似然比計算方法，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數；(4c)將視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數帶入到濾波器影響因子公式，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶
腦電信號矩陣組之間的似然比；(4d)將計算得到的視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比放到似然比組中；(4e)判斷參考信號矩陣組中參考信號矩陣是否選取完，若是，則執行步驟(5)，否則，執行步驟(4b)；(5)識別腦電信號：(5a)從視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比組中，找出最大的似然比所對應的視覺刺激頻率的參考信號矩陣；(5b)在視覺刺激顯示屏上找出閃爍頻率與參考信號矩陣的視覺刺激頻率相同的白色正方形塊，該正方形塊為被試者的刺激目標，完成對腦電信號的識別。本專利技術與現有技術相比有以下優點：第一、由于本專利技術采用了似然比檢驗的方法分析腦電信號，充分的利用了腦電信號的每個數據對整組數據的影響，因此只需要少量的數據就可以實現目標識別，克服了現有技術中刺激時間比較長，不適用于實時檢測的缺點，使得本專利技術能夠縮短刺激時間，實現實時檢測。第二、由于本專利技術在分析腦電信號前，采用了一個濾波器組對腦電信號進行濾波，充分的利用了腦電信號中的諧波信號，減少了相鄰目標之間的干擾，克服了現有技術無法精確分辨目標個數相對較多的缺點，使得本專利技術增加了識別目標的個數，提高了腦電信號的識別準確率。附圖說明圖1為本專利技術的流程圖；圖2為本專利技術視覺刺激的時序圖；圖3為本專利技術與現有技術對腦電信號識別的準確率隨視覺刺激時間的變化曲線圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做進一步的描述。參照附圖1，本專利技術的具體步驟如下。步驟1，采集數據。腦電信號采集系統通過受試者佩戴的電極帽，采集受試者在視覺刺激顯示屏
上按不同頻率閃爍的40個白色正方形塊的刺激下，電極帽上所有電極的1024個采樣點的腦電信號。參考圖2，本專利技術視覺刺激的時序是：開始0秒至1秒時被試者休息，隨后40個白色正方形塊按照不同的頻率閃爍，并持續4秒，受試者在此期間選擇一個白色正方形塊注視4秒，進行視覺刺激。每次視覺刺激后休息1秒，然后再選擇另一個閃爍塊凝視4秒，重復40次。受試者佩戴電極帽，坐在椅子上平視距其60cm左右的視覺刺激顯示屏。腦電信號采集系統的采樣頻率為1024Hz，測試電極分別為O1，O2，Oz，PO7,PO8，POz，P3，P4，Pz。在本專利技術采集數據步驟中，視覺刺激顯示屏上有40個代表不同字母的白色正方形塊，當刺激開始時40個白色正方形塊按照不同的頻率閃爍。步驟2，預處理。用受試者電極帽上每個電極采集的腦電信號減去所有電極腦電信號的均值，得到基線校正后的腦電信號。利用EEGLAB軟件，在基線校正后的腦電信號中截取受試者在視覺刺激過程中的腦電信號，得到截取后的腦電信號。將截取后的腦電信號降采樣，得到預處理后的腦電信號。降采樣是指取截取后的1024個采樣點的腦電信號采樣點的1/4,得到256個采樣點的腦電信號，將其作為預處理后的腦電信號。步驟3，帶通濾波。利用通帶頻率的計算公式，分別計算每個濾波器的通帶頻率，用所得到的通帶頻率構建一個帶通濾波器，將5個帶通濾波器組成一個帶通濾波器組。通帶頻率的計算公式如下:fq＝f*q其中，fq表示每一個濾波器的通帶頻率，f表示第一個濾波器的通帶頻率，根據腦電信號的頻率范圍，選取f＝[0.001,10]，q表示當前濾波器，q＝1,2,…,5。利用帶通濾波器組對預處理后的腦電信號進行濾波，得到子頻帶腦電信號矩陣組。步驟4，檢驗似然比。(4a)利用參考信號公式，計算每個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，將所有視覺刺激頻率的參考信號矩陣組成一個參考信號組。參考信號公式如下： Y本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于穩態視覺誘發的腦電信號處理方法，包括如下步驟：(1)采集數據：腦電信號采集系統通過受試者佩戴的電極帽，采集受試者在視覺刺激顯示屏上按不同頻率閃爍的40個白色正方形塊的刺激下，電極帽上所有電極的1024個采樣點的腦電信號；(2)預處理：(2a)用受試者電極帽上每個電極采集的腦電信號減去所有電極腦電信號的均值，得到基線校正后的腦電信號；(2b)利用EEGLAB軟件，在基線校正后的腦電信號中截取受試者在視覺刺激過程中的腦電信號，得到截取后的腦電信號；(2c)將截取后的腦電信號降采樣，得到預處理后的腦電信號；(3)帶通濾波:(3a)利用通帶頻率的計算公式，分別計算每個濾波器的通帶頻率，用所得到的通帶頻率構建一個帶通濾波器，將5個帶通濾波器構成一個帶通濾波器組；(3b)利用帶通濾波器組對預處理后的腦電信號進行濾波，得到子頻帶腦電信號矩陣組；(4)檢驗似然比：(4a)利用參考信號公式，計算每個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，將所有視覺刺激頻率的參考信號矩陣組成一個參考信號組；(4b)從參考信號矩陣組中任意選取一個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，利用似然比計算方法，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數；(4c)將視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數帶入到濾波器影響因子公式，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比；(4d)將計算得到的視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比放到似然比組中；(4e)判斷參考信號矩陣組中參考信號矩陣是否選取完，若是，則執行步驟(5)，否則，執行步驟(4b)；(5)識別腦電信號：(5a)從視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比組中，找出最大的似然比所對應的視覺刺激頻率的參考信號矩陣；(5b)在視覺刺激顯示屏上找出閃爍頻率與參考信號矩陣的視覺刺激頻率相同的白色正方形塊，該正方形塊為被試者的刺激目標，完成對腦電信號的識別。...

【技術特征摘要】
1.一種基于穩態視覺誘發的腦電信號處理方法，包括如下步驟：(1)采集數據：腦電信號采集系統通過受試者佩戴的電極帽，采集受試者在視覺刺激顯示屏上按不同頻率閃爍的40個白色正方形塊的刺激下，電極帽上所有電極的1024個采樣點的腦電信號；(2)預處理：(2a)用受試者電極帽上每個電極采集的腦電信號減去所有電極腦電信號的均值，得到基線校正后的腦電信號；(2b)利用EEGLAB軟件，在基線校正后的腦電信號中截取受試者在視覺刺激過程中的腦電信號，得到截取后的腦電信號；(2c)將截取后的腦電信號降采樣，得到預處理后的腦電信號；(3)帶通濾波:(3a)利用通帶頻率的計算公式，分別計算每個濾波器的通帶頻率，用所得到的通帶頻率構建一個帶通濾波器，將5個帶通濾波器構成一個帶通濾波器組；(3b)利用帶通濾波器組對預處理后的腦電信號進行濾波，得到子頻帶腦電信號矩陣組；(4)檢驗似然比：(4a)利用參考信號公式，計算每個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，將所有視覺刺激頻率的參考信號矩陣組成一個參考信號組；(4b)從參考信號矩陣組中任意選取一個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，利用似然比計算方法，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數；(4c)將視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數帶入到濾波器影響因子公式，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比；(4d)將計算得到的視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比放到似然比組中；(4e)判斷參考信號矩陣組中參考信號矩陣是否選取完，若是，則執行步驟(5)，否則，執行步驟(4b)；(5)識別腦電信號：(5a)從視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比組中，找出最大的似然比所對應的視覺刺激頻率的參考信號矩陣；(5b)在視覺刺激顯示屏上找出閃爍頻率與參考信號矩陣的視覺刺激頻率相同的白色正方形塊，該正方形塊為被試者的刺激目標，完成對腦電信號的識別。2.根據權利要求1所述的基于穩態視覺誘發的腦電信號處理方法，其特征在于：步驟(2c)中所述的降采樣是指，取截取后的1024個采樣點的腦電信號采樣點的1/4,得到256個采樣點的腦電信號，將其作為預處理后的腦電信號。3.根據權利要求1所述的基于穩態視覺誘發的腦電信號處理方法，其特征在于：步驟(3a)中所述的帶通濾波器組中任意一個濾波器的通帶頻率的計算公式如下：fq＝f*q其中，fq表示濾波器的通帶頻率，f表示第一個濾波器的通帶頻率，f＝[0.001,10]，q表示當前濾波器，q＝1,2,…,5。4.根據權利要求1所述的基于穩態視覺誘發的腦電信號處理方法，其特征在于：步驟(4a)中所述的參考信號公式如下： Y f = s i n ( 2 π f ( 1 / s : t ) ) c o s ( 2 π f ( 1 / s : t ) ) . . . s i n ( 2 π n f ( 1 / s : t ) ) cos ( 2 π n f ( 1 / s : t ) ) ]]>其中，Yf表示每個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，sin表示取正弦操作，cos表示取余弦操作，π表示圓周率，f表示被試者的視覺刺激頻率，該頻率表示顯示在視覺刺激顯示屏上的一個白色正方形塊的閃爍頻率，n表示正余弦函數的諧波數目，n＝3，s表示子頻帶腦電信號矩陣的采樣點，s＝256，t表示被試者的視覺刺激時間。5.根據權利要求1所述的基于穩態視覺誘發的腦電信號處理方法，其特征在于：步驟(4b)中所述的似然比計算方法的具體步驟如下：第一步，從子頻帶腦電信號矩陣組中任意選取一個子頻帶腦電信號矩陣；第二步，按照下式，構造一個子頻帶腦電信號矩陣與視覺刺激頻率的參考信號矩陣的和矩陣； x = x 1 x 2 ]]>其中，x表示子頻帶腦電信號矩陣與視覺刺激頻率的參考信號矩陣的和矩陣，[]表示矩陣操作，x1表示子頻帶腦電信號矩陣，x2表示視覺刺激頻率的參考信...

【專利技術屬性】
技術研發人員：石光明，王凱，王永杰，李甫，李文燦，李宇琛，王曉甜，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61