CN102512164A

CN102512164A - Ssvep-bci系统多频排列编码以及识别方法

Info

Publication number: CN102512164A
Application number: CN2011103766697A
Authority: CN
Inventors: 张杨松; 徐鹏; 尧德中
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明提供一种SSVEP-BCI系统多频排列编码方法，另外，根据新的编码方法提供一种对应的刺激模块识别方法。本发明在现有的单频编码的模式上增加了时间因素，在一个编码周期内按照先后的时间顺序使用特定频率排列周期性地进行编码。不同于无顺序的频率组合方式，采用有顺序的频率排列方式。在元素数量相同的情况下，排列因为其有序性，比无序的组合得到更多的不同的情况。由可重复置换理论可得到，N个序列可以得到N^M种排列，利用这些排列，对SSVEP-BCI系统中模块实施相应的编码，即本发明方法在N个可用频率的基础上，可以实现NM个刺激模块的直接编码，每个刺激模块都拥有自己唯一的编码或者说唯一的频率排列。

Description

SSVEP-BCI系统多频排列编码以及识别方法

技术领域

本发明涉及生物信息技术，特别涉及脑-机接口技术。

背景技术

脑-机接口(Brain Computer Interface，BCI)是利用计算机或其他外部电子设备实现人脑与外界进行直接交流和控制通道。

基于稳态视觉诱发电位(Steady-State Visual Evoked Potential，SSVEP)脑-机接口所基于的原理是，当大脑受到大于4Hz频率恒定的外界视觉刺激时，将会产生一个和外界刺激频率或其谐波频率相同的响应。由于SSVEP是大脑的内源反应，这类信号具有很高的信噪比、很强的稳健性以及较少的训练等特点，使得基于SSVEP的脑-机接口(SSVEP-BCI)有较高的信息传输率，一直是BCI在线系统研究的一个重要方向。SSVEP-BCI中的采集系统能够获得来自使用者大脑的当前SSVEP，再根据SSVEP得知使用者当前注视的模块，从而根据当前注视的模块所编码的命令完成相应的操作。

SSVEP-BCI系统中非常重要的一部分是诱发SSVEP的刺激模块。每一个刺激模块使用唯一的频率进行的编码。当使用者注视不同的刺激模块时，大脑将产生不同频率的SSVEP。

当今主要有三种刺激器用来实现刺激模块：液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)，阴极射线管显示器(Cathode Ray Tube，CRT)，发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)。对于LED刺激器，可以诱发出1-90Hz范围的SSVEP。相对于LED刺激器，以CRT和LCD刺激器能够发出的频率范围更窄，加上受到刷新频率的限制，可用的有效频率非常有限，使用传统的单频编码方式无法实现在一台刺激器上实现足够多的刺激模块以满足实际应用需求，这给以CRT和LCD为刺激器的系统的实际应用带来了限制范围。

为使用有限的频率在刺激器上实现更多的刺激模块，目前主要通过频率组合编码和操作组合的两种方法。

频率组合编码：2006年在生理测量上公开的一种基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口的新多频刺激方法以及2010年在神经科学短文中公开的双频稳态视觉诱发电位的脑-机接口(Srihari Mukesh TM，Jaganathan V，Reddy MR(2006)A novel multiple frequency stimulationmethod for steady state VEP based brain computer interfaces.Physiol Meas 27：61-71.；Shyu KK，Lee PL，Liu YJ，Sie JJ(2010)Dual-frequency steady-state visual evoked potential for braincomputer interface.Neurosci Lett 483：28-31.)提出了每一个刺激模块由两种或者两种以上频率组合同时进行调制，可以增加刺激模块数量。例如3个频f₁、f₂、f₃，可以实现6种组合频率编码(分别是f₁、f₂、f₃、f₁f₂、f₂f₃、f₁f₂f₃)，比传统单频编码多实现3个刺激模块。N个频率，可以得到

个刺激模块。但是，频率组合编码中，根据Teng等在2010年美国计算机学会会议中提到的，双正弦波刺激下的稳态视觉诱发电位的不同频率之间容易相互干扰，使得有些频率成分消失，从而无法被识别(Teng F，Choong AM，Gustafson S，Waddell D，Lawhead P，etal.Steady state visual evoked potentials by dual sine waves；2010.ACM.pp.50.)。

操作组合：在2010年IEEE神经系统康复工程会刊中报道的，基于稳态视觉诱发电位脑-机接口系统的，自控步调校准的拼音打字系统中，利用有限频率对基本操作模块进行编码，然后通过组合操作的方式完成所有应用模块(刺激模块)的选择(Cecotti H(2010)A self-pacedand calibration-less S SVEP-based brain-computer interface speller.IEEE Trans Neural Syst RehabilEng 18：127-133.)。但是，操作组合是间接式的，由于操作步数多，要完成一个刺激模块需要的时间比传统的编码方式要多。

利用有限可用频率得到更多刺激模块的直接编码方法，无疑将推进SSVEP-BCI系统的应用和发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在基于SSVEP-BCI系统中提供一种用相同数量的可用频率实现更多刺激模块的多频排列编码方法，另外，根据新的编码方法提供一种对应的刺激模块识别方法。

本发明为解决上述问题采用的技术方案是，SSVEP-BCI系统多频排列编码方法，包括以下步骤：

将所有可用频率置于编码频率集合中；

各刺激模块由唯一的频率排列进行周期性编码，一个编码周期由2个或2个以上的时间片段组成；各刺激模块在一个时间片段内使用编码频率集合中的一个可用频率进行编码；各刺激模块在一个编码周期内所使用的频率的排列在刺激器中是唯一的。

本发明在现有的单频编码的模式上增加了时间因素，在一个编码周期内按照先后的时间顺序使用特定频率排列周期性地进行编码。不同于无顺序的频率组合方式，采用有顺序的频率排列方式。在元素数量相同的情况下，排列因为其有序性，比无序的组合得到更多的不同的情况。当刺激器可提供SSVEP-BCI使用的编码频率集合为F＝{f₁，f_i，...，f_N}，设定一个编码周期由M个时间片段组成。由可重复置换理论可得到，N个序列可以得到N^M种排列，利用这些排列，对SSVEP-BCI系统中模块实施相应的编码，即本发明方法在N个可用频率的基础上，可以实现N^M个刺激模块的直接编码，每个刺激模块都拥有自己唯一的编码或者说唯一的频率排列。

相应的，刺激模块识别方法，包括以下步骤：

脑电信号采集模块与刺激器同步；

刺激器将各时间片段的标签发送至脑电信号采集模块；

脑电信号采集模块将时间标签一起送到脑电分析模块；

脑电分析模块根据时间标签提取出各时间片段的脑电信号，并对各时间片段中的脑电信号的频率进行识别，得到时间片段对应频率，再根据一个编码周期内的频率的排列查找刺激模块。

本发明的有益效果是，相比现有技术，用相同数量的可用频率可实现对更多刺激模块的编码，使得SSVEP-BCI系统能得到更广泛的利用。并且，刺激模块在编码时，同一时间片段内仅使用一个频率，可有效避免多频组合编码中产生的频率相互干扰问题。同时，由于能实现的目标编码个数较多，能够保证每个刺激模块都是直接编码，不需要多次组合操作，不用增加系统操作时间，保证系统的信息传输效率。

附图说明

图1多频序列编码方式原理图。

图2编码长度为2的多频序列编码方式示意图。

图3多频序列编码方式下刺激模块识别示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的多频率序列编码(multiple frequencies sequential coding，MFSC)，利用频率的在时间尺度上的置换完成对SSVEP-BCI系统刺激模块的编码，是一种周期性的直接编码方案。在单个周期内的编码方式如图1所示，在单个周期内，时间被划分为M个时间片段，每个时间片段长度可以相同，或其中部分相同，也可以互不相同。在某个时间片段内，可从编码频率集合中(假设为F＝{f₁，f_i，...，f_N})选择一种频率对刺激模块进行编码。不同的时间片段内所采用的频率，可以是相同，或其中部分相同，也可以互不相同。例如图1中，T₁…T_i…T_M这M个频率中，T_i(i＝1，…，M)可以是集合F中的任何一个频率。由于新的编码方案加入了时间因素，从理论上，M个时间片段，N个编码频率得到的刺激编码模块数量是N^M。对于不同的编码方案，同样的频率集合得到的刺激模块数量对比如下表(表中时间片段个数M＝2)：

实施例采用2种频率(7.5Hz和12Hz)，编码周期内的时间片段数2(M＝2)，从而实现4个刺激模块。编码示意图如图2所示，图中，采用不同的颜色代表单个周期内不同时间片段(t₁，t₂)内采用的不同频率。刺激模块1使用的频率排列为f₁、f₁的周期性频率进行编码，刺激模块2使用的频率排列为f₁、f₂的周期性频率进行编码，刺激模块3使用的频率排列为f₂、f₁的周期性频率进行编码，刺激模块4使用的频率排列为f₂、f₂的周期性频率进行编码。另外，本实施例，为了适应实际操作环境，加入了一个较短的不进行编码的休息时间片段t₃。这个时间片段的引入，主要考虑到用户在使用SSVEP-BCI系统时，注意不同刺激模块时切换需要时间，另外短暂的休息时间有助于了改善用户的视觉疲劳感等。t₃的长度可根据实际使用过程中的用户要求来设定。建议设置t₃为0.3至0.5s。

为验证本发明的可行性和效果，对上述实施例的4个刺激模块进行了真实脑电实验验证。在实验中，采用16导联脑电采集系统，按t₁＝t₂＝2s，t₁＝t₂＝1.5s两种条件进行了四组实验，每种条件重复一次。实验中，被试按照预先设定的提示顺序注视相应的刺激模块。每个条件下，每个模块出现10次。10个被试(23-30岁)参加了验证试验。

SSVEP-BCI系统包括刺激器、脑电信号采集模块、脑电分析模块、命令执行模块。在实验过程中，刺激器和采集系统实现同步，刺激器将不同时间片段的标签通过串行端口发送到脑电信号采集模块的脑电放大器。这样，脑电信号采集模块提取t₁，t₂内脑电信号并触发识别模块。

在图3中，给出了某个编码周期内的刺激模块识别方法。

脑电信号采集模块根据时间标签，提取出t₁，t₂内脑电信号，分别进行这个时间片段中脑电信号的频率识别，根据得到的一个编码周期内的频率排列，查找到这个周期内用户注视的刺激模块，并根据这个刺激模块所指定的任务命令，将相应的控制命令发送至命令执行模块。脑电分析模块在进行频率识别时可以采用不同的信号处理方法。在验证试验中，采用的是典型相关分析方法(canonical correlation analysis，CCA)。最后得到的识别准确率如下表所示：

从结果来看，证明本发明方案可行。虽然上表中，不同被试结果存在差异，但是这一现象是普遍存在于BCI中的。在具体使用SSVEP-BCI的过程中，在同一刺激频率下，不同的被试，系统往往会表现出不同的性能，说明不同的被试应有不同的最优频率范围(根据2002年在IEEE生物医学工程会刊公开的高传输率的脑-机接口系统的设计与实现，Cheng M，Gao X，Gao S，Xu D(2002)Design and implementation of a brain-computer interface with high transferrates.Biomedical Engineering，IEEE Transactions on 49：1181-1186.)。本实施例的验证试验中，并没有针对每个被试进行频率优化。同时不同被试的注意策略也有一些影响。总体来说，真实实验结果验证了本发明方案的有效性和可行性。

Claims

1.SSVEP-BCI系统多频排列编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

将刺激器所有可用频率置于编码频率集合中；

各刺激模块以唯一的频率排列进行周期性编码，一个编码周期由2个或2个以上的时间片段组成；各刺激模块在一个时间片段内使用编码频率集合中的一个可用频率进行编码；各刺激模块所使用的频率的排列在刺激器中是唯一的。

2.如权利要求1所述SSVEP-BCI系统多频排列编码方法，其特征在于，一个编码周期内各时间片段长度相同。

3.如权利要求1所述SSVEP-BCI系统多频排列编码方法，其特征在于，一个编码周期内各时间片段长度互不相同或部分相同。

4.如权利要求1、2或3所述SSVEP-BCI系统多频排列编码方法，其特征在于，在每个编码周期的结尾部分增加一个不进行编码的休息时间片段。

5.刺激模块识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

脑电信号采集模块与刺激器同步；

刺激器将各时间片段的标签发送至脑电信号采集模块；

脑电信号采集模块将时间标签一起送到脑电分析模块；

脑电分析模块根据时间标签提取出各时间片段的脑电信号，并对各时间片段中的频率进行识别，得到时间片段对应频率，再根据编码周期内的频率的排列查找刺激模块。