CN101887307A - 一种多频率时序组合的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法 - Google Patents
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Abstract
一种多频率时序组合的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，先在受试者头部安放测量电极并和脑电放大器、计算机和计算机屏幕连接，再通过n个刺激频率形成nn个不同的呈现目标，n为大于1的整数，由计算机屏幕实现视觉目标的呈现，实现对受试者的视觉反馈，本发明通过少的刺激频率构建多的呈现目标，提高脑-机接口的信息传输率，具有目标呈现数多，检测结果的特异性高的优点，可实现思维正常但神经肌肉系统瘫痪的残障人士与外部设备的交流，也可以用于正常人不便于进行肢体控制的场合。
Description
技术领域
本发明涉及神经工程技术领域，具体涉及一种多频率时序组合的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法。
背景技术
脑-机接口是人脑-计算机接口的简称，它是指一种不依赖于脑的正常输出通路而使人类大脑直接与计算机进行通信的技术，脑-机接口通过实时分析人脑的脑电信号，在一定程度上解读人的思维，并将其翻译成控制指令，实现对外部设备的控制，可用于思维正常但神经肌肉系统瘫痪的残障人士，实现大脑与外部设备的直接交流，如用意识控制智能轮椅的行进；也可以用于正常人不便于进行肢体控制的场合，如宇航员的意念控制太空行走等，脑-机接口是神经科学和工程技术学科交叉的一项新兴技术，也是近年来国内外众多学者和研究机构关注的热点之一。
稳态视觉诱发电位是从头皮记录到的、大脑神经系统接受外界周期性视觉刺激所产生的一种外源性电生理活动，当视觉呈现目标以固定的6～30Hz的刺激频率闪烁或运动时，多次刺激诱发的大脑响应的波形相互叠加，在大脑视觉皮层产生节律性正弦样波，形成稳态视觉诱发电位，稳态视觉诱发电位在脑电信号中又称为光驱动效应，可以通过提取头部枕区的脑电信号中包含的稳态视觉诱发电位来辨识外界特定的刺激频率以实现对脑意识的解读。
基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口相对于其他类型的脑-机接口而言，具有操作简单，信息传输率高，无需训练及所有受试者均可诱发较强信号的特点，因而成为所有脑-机接口中最具实用意义的类型，在传统的基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口应用中，通常采用计算机屏幕作为刺激源，以便刺激呈现、信号分析与目标反馈等同步进行，且刺激频率与呈现目标呈一一对应关系，由于受到屏幕固有垂直刷新率的影响，所能采用的最高刺激频率只能达到屏幕刷新率的一半，另外计算机系统本身的实时性及单个刺激周期内显示帧数的限制，使得刺激频率之间存在一定的频率间隔，上述情况导致能够激发稳态视觉诱发电位的频率数少，目标呈现数少，检测结果不具有特异性，这成为提高信息传输率的瓶颈，如何能通过少的刺激频率构建多的呈现目标成为一直以来基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口凾待解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多频率时序组合的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，能够通过少的刺激频率构建多的呈现目标，提高脑-机接口的信息传输率，具有目标呈现数多，检测结果的特异性高的优点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种多频率时序组合的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，包括以下步骤：
第一步，在受试者头部D的枕区Oz位置安放测量电极A，在受试者头部D的单侧耳垂位置安放参考电极B，在受试者头部D的前额部Fpz位置安放地电极C，测量电极A的输出端接入脑电放大器E的第一输入端E1，参考电极B的输出端接入脑电放大器E的第二输入端E2，地电极C的输出端接入脑电放大器E的第三输入端E3，脑电放大器E的输出端和计算机F的输入端相连，计算机F的输出端和计算机屏幕G连接，
第二步，将n个不同的刺激频率经时序组合形成的nn个刺激序列串目标呈现于受试者前方计算机屏幕G中央区域上，n为大于1的整数，受试者头部D距离计算机屏幕G为50～100厘米，采用多频率时序组合方式，由n个刺激频率形成n个刺激序列，每个刺激序列对应一种刺激频率，每个刺激序列的长度为20个刺激周期，对这n个刺激序列按照时序先后进行排列组合，形成一个刺激序列串，该刺激序列串便包含多个具有时序关系的刺激频率，通过n个刺激频率最多能形成
个不同的刺激序列串，对应于nn个呈现目标，在一次目标识别任务中共呈现10个刺激序列串，
第三步，使用n个刺激频率形成nn个视觉呈现目标后，受试者注视待选目标，完成目标选择任务，首先受试者注视所述nn个目标中的任意一个，由测量电极A获得由该目标所诱发的脑电模拟信号送入脑电放大器E，脑电模拟信号在脑电放大器E中经增益放大、带通、陷波滤波和模数转换后，由脑电放大器E的输出端送入计算机F的输入端，按不同频率刺激序列所处的时间段对处理后的脑电信号进行分段，将各段脑电信号按照每个刺激序列开始的时刻对齐并迭加平均，最后使用快速傅立叶变换方法对迭加平均后的各段脑电信号分别计算幅值谱，得到与刺激频率同等的频率成分及其时序排列，计算机F据此辨识出受试者所注视的目标，
第四步，计算机F将辨识出的目标输入至计算机屏幕G，计算机屏幕G标示出受试者所注视的目标，实现对受试者的视觉反馈，
第五步，计算机F完成目标辨识后，返回第三步，重复第三步至第四步，进行下一次目标识别任务。
由于本发明采用少的刺激频率构建出了多的呈现目标，实现的目标数随刺激频率的个数呈幂数方式增加，提高了脑-机接口的信息传输率，稳态视觉诱发响应的频率成分的时序排列特性提高了检测结果的特异性，故而具有目标呈现数多，检测结果的特异性高的优点，可实现思维正常但神经肌肉系统瘫痪的残障人士与外部设备的交流，也可以用于正常人不便于进行肢体控制的场合，如宇航员的太空行走等。
附图说明
图1是本发明所采用的电路连接示意图。
图2是本发明的刺激序列串时序示意图。
图3是图2中包含的每个刺激序列时序示意图。
图4是受试者注视目标1时的脑电信号波形分段图及幅值谱图；其中，图4(a)是脑电信号波形分段图；图4(b)是其幅值谱图。
图5是受试者注视目标2时的脑电信号波形分段图及幅值谱图；其中，图5(a)是脑电信号波形分段图；图5(b)是其幅值谱图。
图6是受试者注视目标3时的脑电信号波形分段图及幅值谱图；其中，图6(a)是脑电信号波形分段图；图6(b)是其幅值谱图。
图7是受试者注视目标4时的脑电信号波形分段图及幅值谱图；其中，图7(a)是脑电信号波形分段图；图7(b)是其幅值谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
一种多频率时序组合的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，包括以下步骤：
第一步，参照图1，在受试者头部D的枕区Oz位置安放测量电极A，在受试者头部D的单侧耳垂位置安放参考电极B，在受试者头部D的前额部Fpz位置安放地电极C，测量电极A的输出端接入脑电放大器E的第一输入端E1，参考电极B的输出端接入脑电放大器E的第二输入端E2，地电极C的输出端接入脑电放大器E的第三输入端E3，脑电放大器E的输出端和计算机F的输入端相连，计算机F的输出端和计算机屏幕G连接，
第二步，参照图1和图2，将n个不同的刺激频率经时序组合形成的nn个刺激序列串目标呈现于受试者前方计算机屏幕G中央区域上，n为大于1的整数，受试者头部D距离计算机屏幕G为50～100厘米，采用多频率时序组合方式，由n个刺激频率形成n个刺激序列，每个刺激序列对应一种刺激频率，每个刺激序列的长度为20个刺激周期，对这n个刺激序列按照时序先后进行排列组合，形成一个刺激序列串，该刺激序列串便包含多个具有时序关系的刺激频率，通过n个刺激频率最多能形成个不同的刺激序列串，对应于nn个呈现目标，在一次目标识别任务中共呈现10个刺激序列串，
第三步，参照图1、图2和图3，使用n个刺激频率形成nn个视觉呈现目标后，受试者注视待选目标，完成目标选择任务，首先受试者注视所述nn个目标中的任意一个，由测量电极A获得由该目标所诱发的脑电模拟信号送入脑电放大器E，脑电模拟信号在脑电放大器E中经增益放大、带通、陷波滤波和模数转换后，由脑电放大器E的输出端送入计算机F的输入端，按不同频率刺激序列所处的时间段对处理后的脑电信号进行分段，将各段脑电信号按照每个刺激序列开始的时刻对齐并迭加平均，最后使用快速傅立叶变换方法对迭加平均后的各段脑电信号分别计算幅值谱，得到与刺激频率同等的频率成分及其时序排列，计算机F据此辨识出受试者所注视的目标，
第四步，参照图1，计算机F将辨识出的目标输入至计算机屏幕G，计算机屏幕G标示出受试者所注视的目标，实现对受试者的视觉反馈，
第五步，计算机F完成目标辨识后，返回第三步，重复第三步至第四步，进行下一次目标识别任务。
下面再结合实施例对本发明详细说明。
一种多频率时序组合的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，包括以下步骤：
第一步，在受试者头部D的枕区Oz位置安放测量电极A，在受试者头部D的单侧耳垂位置安放参考电极B，在受试者头部D的前额部Fpz位置安放地电极C，测量电极A的输出端接入脑电放大器E的第一输入端E1，参考电极B的输出端接入脑电放大器E的第二输入端E2，地电极C的输出端接入脑电放大器E的第三输入端E3，脑电放大器E的输出端和计算机F的输入端相连，计算机F的输出端和计算机屏幕G连接，
第二步，将n个不同的刺激频率经时序组合形成的nn个刺激序列串目标呈现于受试者前方计算机屏幕G中央区域上，n＝2，受试者头部D距离计算机屏幕G为50厘米，采用多频率时序组合方式，由2个刺激频率形成2个刺激序列，每个刺激序列对应一种刺激频率，每个刺激序列的长度为20个刺激周期，对这2个刺激序列按照时序先后进行排列组合，形成一个刺激序列串，该刺激序列串便包含多个具有时序关系的刺激频率，通过2个刺激频率最多能形成4个不同的刺激序列串，对应于4个呈现目标，在一次目标识别任务中共呈现10个刺激序列串，
第三步，使用2个刺激频率形成4个视觉呈现目标后，受试者注视待选目标，完成目标选择任务，首先受试者注视所述4个目标中的任意一个，由测量电极A获得由该目标所诱发的脑电模拟信号送入脑电放大器E，脑电模拟信号在脑电放大器E中经增益放大、带通、陷波滤波和模数转换后，由脑电放大器E的输出端送入计算机F的输入端，按不同频率刺激序列所处的时间段对处理后的脑电信号进行分段，将各段脑电信号按照每个刺激序列开始的时刻对齐并迭加平均，最后使用快速傅立叶变换方法对迭加平均后的各段脑电信号分别计算幅值谱，得到与刺激频率同等的频率成分及其时序排列，计算机F据此辨识出受试者所注视的目标，
第四步，计算机F将辨识出的目标输入至计算机屏幕G，计算机屏幕G标示出受试者所注视的目标，实现对受试者的视觉反馈，
第五步，计算机F完成目标辨识后，返回第三步，重复第三步至第四步，进行下一次目标识别任务。
在这里两个刺激频率为6.667Hz和8.333Hz，两个刺激频率可以按照多频率时序组合的方式形成22＝4种不同的刺激序列串，对应于4个视觉呈现目标，如表1所示，其中目标1和目标4分别代表传统意义上的“单频率-单目标”稳态视觉诱发方式，采样率设为600Hz。
表1
| 呈现目标 | 第1个刺激序列中的刺激频塞 | 第2个刺激序列中的刺激频率 |
| 呈现目标1 | 6.667Hz | 6.667Hz |
| 呈现目标2 | 6.667Hz | 8.333Hz |
| 呈现目标3 | 8.333Hz | 6.667Hz |
| 呈现目标4 | 8.333Hz | 8.333Hz |
采用本技术对一名受试者进行了实验，实验过程中同步记录并实时显示脑电信号，以便在实验中检查受试者状态，防止受试者产生眨眼、体动等动作，保证脑电信号的数据质量，按照上述第一步对该受试者安放电极，按照上述第三步对该受试者的脑电信号进行预处理，带通滤波的高通截止频率为0.5Hz，低通截止频率为30Hz，用于消除脑电信号的基线漂移及其他噪声；陷波滤波的陷波频率选为48～52Hz，用于消除50Hz的市电干扰；对预处理后的脑电信号进行分段、迭加平均后，使用快速傅立叶变换方法对迭加平均后的各段脑电信号计算幅值谱，得到与刺激频率同等的频率成分及其时序信息，参见图4、图5、图6和图7，依据该信息辨识受试者所注视的目标，图4、图5、图6和图7为受试者注视目标1～4时诱发的脑电信号经迭加平均后的时域波形分段图(4-a、5-a、6-a和7-a)及相应的幅值谱图(4-b、5-b、6-b和7-b)，每段时域波形的时间长度等同于相应刺激序列的时间长度，图4为受试者注视目标1时的脑电信号波形分段图及幅值谱图，从幅值谱图中可以看出每段脑电信号都具有最大的6.667Hz频率成分，与目标1的频率时序组合信息相对应；图5为受试者注视目标2时的脑电信号波形分段图及幅值谱图，从幅值谱图中可以看出第一段脑电信号具有最大的6.667Hz频率成分，第二段脑电信号具有最大的8.333Hz频率成分，与目标2的频率时序组合信息相对应；图6为受试者注视目标3时的脑电信号波形分段图及幅值谱图，从幅值谱图中可以看出第一段脑电信号具有最大的8.333Hz频率成分，第二段脑电信号具有最大的6.667Hz频率成分，与目标3的频率时序组合信息相对应；图7为受试者注视目标4时的脑电信号波形分段图及幅值谱图，从幅值谱图中可以看出每段脑电信号都具有最大的8.333Hz频率成分，与目标4的频率时序组合信息相对应。
附图中：A为测量电极；B为参考电极；C为地电极；D为受试者头部；E为脑电放大器；F为计算机；G为计算机屏幕；E1为第一输入端；E2为第二输入端；E3为第三输入端。
Claims (1)
1.一种多频率时序组合的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，在受试者头部(D)的枕区Oz位置安放测量电极(A)，在受试者头部(D)的单侧耳垂位置安放参考电极(B)，在受试者头部(D)的前额部Fpz位置安放地电极(C)，测量电极(A)的输出端接入脑电放大器(E)的第一输入端(E1)，参考电极(B)的输出端接入脑电放大器(E)的第二输入端(E2)，地电极(C)的输出端接入脑电放大器(E)的第三输入端E3，脑电放大器(E)的输出端和计算机(F)的输入端相连，计算机(F)的输出端和计算机屏幕(G)连接，
第二步，将n个不同的刺激频率经时序组合形成的nn个刺激序列串目标呈现于受试者前方计算机屏幕(G)中央区域上，n为大于1的整数，受试者头部(D)距离计算机屏幕(G)为50～100厘米，采用多频率时序组合方式，由n个刺激频率形成n个刺激序列，每个刺激序列对应一种刺激频率，每个刺激序列的长度为20个刺激周期，对这n个刺激序列按照时序先后进行排列组合，形成一个刺激序列串，该刺激序列串便包含多个具有时序关系的刺激频率，通过n个刺激频率最多能形成
个不同的刺激序列串，对应于nn个呈现目标，在一次目标识别任务中共呈现10个刺激序列串，
第三步，使用n个刺激频率形成nn个视觉呈现目标后，受试者注视待选目标，完成目标选择任务，首先受试者注视所述nn个目标中的任意一个，由测量电极(A)获得由该目标所诱发的脑电模拟信号送入脑电放大器(E)，脑电模拟信号在脑电放大器(E)中经增益放大、带通、陷波滤波和模数转换后，由脑电放大器(E)的输出端送入计算机(F)的输入端，按不同频率刺激序列所处的时间段对处理后的脑电信号进行分段，将各段脑电信号按照每个刺激序列开始的时刻对齐并迭加平均，最后使用快速傅立叶变换方法对迭加平均后的各段脑电信号分别计算幅值谱，得到与刺激频率同等的频率成分及其时序排列，计算机(F)据此辨识出受试者所注视的目标，
第四步，计算机(F)将辨识出的目标输入至计算机屏幕(G)，计算机屏幕(G)标示出受试者所注视的目标，实现对受试者的视觉反馈，
第五步，计算机(F)完成目标辨识后，返回第三步，重复第三步至第四步，进行下一次目标识别任务。
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