CN102793540B - 一种视听认知事件相关电位实验范式的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视听认知事件相关电位实验范式的优化方法，在两个第一最优Oddball序列的基础上，对每个受试者分别进行不同靶刺激和背景刺激模式配比方式的联合刺激诱发认知脑电实验，建立多个第二Oddball序列，同步记录多个第二脑电信号并进行离线分析，获取多个第二事件相关电位数据；获取识别正确率最高的第二事件相关电位数据所对应的第二Oddball序列，作为每个受试者的第二最优Oddball序列；在第二最优Oddball序列中分别对每个受试者逐步改变靶刺激出现比例、持续时间和刺激间隔来诱发认知脑电信号，分别获取到多个事件相关电位数据进行离线分析，构建有效的Oddball序列方案。本发明用于靶刺激的辅助识别，更准确地定位靶刺激。

Description

一种视听认知事件相关电位实验范式的优化方法

技术领域

本发明涉及BCI技术领域，特别涉及一种视听认知事件相关电位实验范式的优化方法。

背景技术

脑－机接口(Brain-computer interface)的定义是：“BCI(脑机接口)是一种不依赖于大脑外围神经与肌肉正常输出通道的通讯控制系统。”目前的研究成果中，BCI系统主要是通过采集和分析不同状态下人的脑电信号，经过信号处理提取反映使用者意图的脑电信息特征，并将之转化为控制外部设备的操作命令。它可以为残疾人特别是那些丧失了基本语言，肢体运动功能但思维正常的病人提供一种与外界进行信息交流与控制的新途径。即可以不需语言或肢体动作，直接通过控制脑电来表达意愿或操纵外界设备。为此，BCI技术也越来越受到重视。

与感觉、认知密切相关的事件相关电位（ERP）是目前BCI系统中较为常用的提取大脑思维特征信息载体，其中主要内源性成分为P300。P300最初是由经典的Oddball实验范式诱发产生的，基本原理是：对同一感觉通路的一系列刺激由两种刺激组成，一种刺激出现的概率较大（例如85%），称为标准刺激；另一种刺激出现的概率较小（例如15%），称为偏差刺激（靶刺激）。P300大约出现在新奇事件刺激后的300毫秒内，相关事件发生的概率越小，所引起的P300越显著，由此可以利用靶刺激所产生的P300信号作为思维活动对刺激事件有效应答标志。

基于ERP的BCI系统一般都具备刺激系统、信号采集、信号分析和控制器四个模块。个体差异性对BCI系统运行的实际效果有明显的影响。由于每个人的思维方式、行为习惯等都不完全一样，需要针对每一类人设计不同的实验参数和训练方法。

关于BCI实验刺激模式研究表明：相对于单一感觉通道，跨感觉通道刺激诱发的事件相关电位具有波幅高、潜伏期短且含有高维度空间分布信息的特点，可弥补单一感觉诱发事件相关电位信息过少、不利识别的缺陷。在跨通道刺激中，视听联合刺激是最常见的，也是比较有效的刺激方式之一。

发明人在实现本发明的过程中发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

现有技术中的视听联合刺激的相关电位实验范式没有针对个体差异性，对每个受试者受到的联合刺激中的Oddball序列的刺激模式和序列参数进行优化，来获取每个受试者的最优的Oddball序列，不能达到最高的识别正确率和BCI系统的执行效率。

发明内容

本发明提供了一种视听认知事件相关电位实验范式的优化方法，本方法优化并构建了面向认知任务的联合刺激模式Oddball序列，获取到每个受试者最优的Oddball序列，降低个体差异性对BCI系统中识别正确率的影响，提高BCI系统的执行效率，详见下文描述：

一种视听认知事件相关电位实验范式的优化方法，所述方法包括以下步骤：

(1)每个受试者分别进行不同靶刺激和背景刺激模式配比方式的单感觉通路刺激诱发认知脑电实验，建立多个第一Oddball序列，同步记录多个第一脑电信号并进行离线分析，获取多个第一事件相关电位数据；获取视觉和听觉识别正确率最高的两个第一事件相关电位数据所对应的两个第一Oddball序列，作为每个受试者的两个第一最优Oddball序列；

（2）在两个第一最优Oddball序列的基础上，对每个受试者分别进行不同靶刺激和背景刺激模式配比方式的联合刺激诱发认知脑电实验，建立多个第二Oddball序列，同步记录多个第二脑电信号并进行离线分析，获取多个第二事件相关电位数据；获取识别正确率最高的第二事件相关电位数据所对应的第二Oddball序列，作为每个受试者的第二最优Oddball序列；

（3）在所述第二最优Oddball序列中分别对每个受试者逐步改变靶刺激出现比例、持续时间和刺激间隔来诱发认知脑电信号，分别获取到多个事件相关电位数据进行离线分析，构建有效的Oddball序列方案。

所述方法还包括：

采用约束独立分量分析、小波变换和线调频小波变换对第一脑电信号和第二脑电信号分别进行处理，获取多个第一事件相关电位数据和第二事件相关电位数据。

对所述第一脑电信号和所述第二脑电信号进行离线分析具体为：

在时域上，对所述第一脑电信号和所述第二脑电信号用相干平均方法提取事件相关电位的幅值和潜伏期特征；在提取空间特征方面，首先采用不同时刻脑电地形图配准方法研究认知脑电相应皮层功能区空间分布随时间变化规律，确立认知脑电空间分布的特征导联位置并提取相关特征参数；采用相干性分析、相位耦合分析和时间序列因果性分析研究各刺激通路对应皮层功能区交互作用和认知脑电时空特征关系，提取可辅助分类的互联参数，并对其是否存在显著性差异统计检验；最后根据认知脑电信号的有效分类特征参数构建相应的综合特征模式矩阵；在综合特征模式矩阵基础上建立基于认知脑电多维时空特征的靶刺激快速识别方法；首先对特征参数降维，采用主成份分析等特征压缩技术和回归筛选等特征筛选技术来控制特征维度；采用线性分类器或支持矢量机，同时采用集成学习提高分类效果；最后获取识别正确率最高的Oddball序列为最优的Oddball序列，即所述的有效的Oddball序列。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过视听联合刺激优化方案，获得每个人的最优Oddball序列，降低个体差异性对BCI系统中识别正确率的影响，提高BCI系统的执行效率；通过研究多通道诱发认知脑电的空间分布规律，分析视觉、听觉对应的皮层功能区之间的耦合或约束关系，提取反应多通道诱发响应所产生空间信息的特征参数，用于靶刺激的辅助识别，更准确地定位靶刺激。

附图说明

图1为本发明提供的脑电测试实验方案的示意图；

图2为本发明提供的一种视听认知事件相关电位实验范式的优化方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了优化并构建面向认知任务的联合刺激模式Oddball序列，获取每个受试者最优的Oddball序列，降低个体差异性对BCI系统中靶刺激识别正确率的影响，提高BCI系统的执行效率，参见图1和图2，本发明实施例提供了一种视听认知事件相关脑电刺激方法，详见下文描述：

受试者选用10-20名正常成年人（20-40岁左右，男女各半，身心健康，无精神、心理障碍）。

101：对每个受试者分别进行不同靶刺激和背景刺激模式配比方式的单感觉通路刺激诱发认知脑电实验，建立多个第一Oddball序列，同步记录多个第一脑电信号并进行离线分析，获取多个第一ERP数据；获取视觉和听觉识别正确率最高的两个第一ERP数据所对应的两个第一Oddball序列，作为两个第一最优Oddball序列；

其中，单感觉通路通常包括：视觉通路和听觉通路等。视觉通路采用不同颜色、形状和大小的几何图形作为刺激源；听觉通路采用不同频率和强度的纯音刺激；听觉刺激还可采取左右同侧（空间联盟）或对侧（非空间联盟）的不同组合方式实施（试验表明：无论听觉刺激是空间联盟还是非联盟，皆比单一刺激效应强烈）。

其中，离线分析具体为：对第一脑电信号和第二脑电信号用相干平均方法提取事件相关电位的幅值和潜伏期特征；在提取空间特征方面，首先采用不同时刻脑电地形图配准方法研究认知脑电相应皮层功能区空间分布随时间变化规律，确立认知脑电空间分布的特征导联位置并提取相关特征参数。采用相干性分析、相位耦合分析和时间序列因果性分析等技术研究各刺激通路对应皮层功能区交互作用和认知脑电时空特征关系，提取可辅助分类的互联参数，并对其是否存在显著性差异统计检验。最后根据认知脑电信号的有效分类特征参数构建相应的综合特征模式矩阵。在综合特征矩阵基础上建立基于认知脑电多维时空特征的靶刺激快速识别方法。考虑到引入空间特征将导致特征数量的大幅度增加，为保证分类识别速度和泛化能力，首先对特征参数降维，采用主成份分析等特征压缩技术和回归筛选等特征筛选技术来控制特征维度。为兼顾分类器的训练速度、识别速度和泛化能力，采用线性分类器（例如LDA）或支持矢量机（SVM）等性能优良的分类器，同时采用集成学习技术（例如bagging或自适应增强技术）进一步提高分类效果。选取靶刺激识别正确率最高的刺激模式组合方式为最优的刺激模式组合方式。

根据刺激模式组合和背景与靶刺激配比参数对认知脑电诱发效果的相互影响，需随时调整实验方案，并可采用边际效应检测和网格逼近方法来减少由于相互影响所带来实验量的激增。

102：在两个第一最优Oddball序列的基础上，对每个受试者分别进行不同靶刺激和背景刺激模式配比方式的联合刺激诱发认知脑电实验，建立多个第二Oddball序列，同步记录多个第二脑电信号并进行离线分析，并进行离线分析，获取多个第二ERP数据；获取识别正确率最高的第二ERP数据所对应的第二Oddball序列，作为每个受试者的第二最优Oddball序列；

其中，联合刺激诱发认知脑电实验中将不同视觉通路和听觉通路的刺激模式进行组合对受试者同时进行刺激，每个受试者需进行多种组合模式的联合刺激实验，并同步记录多个第二ERP数据以进行离线分析。

进一步地，为了提高脑电信号的信噪比，去除与诱发响应无关的节律成份，本方法在常规时域滤波和空间滤波处理之外，还采用约束独立分量分析（cICA）的方法、小波变换和线调频小波（Chirplet）变换对脑电信号进行处理，获取ERP数据。

103：在第二最优Oddball序列中分别对每个受试者逐步改变靶刺激出现比例、持续时间和刺激间隔来诱发认知脑电信号，分别获取到多个ERP数据进行离线分析，构建有效的Oddball序列方案。

下面以一个具体的实验来验证本发明实施例提供的一种视听认知事件相关电位实验范式的优化方法的可行性，详见下文描述：

实验使用奥地利EMS公司生产的128导脑电采集系统，采用Ag-AgCl碗状电极、按国际10-20导联标准定位；A/D采样频率为256Hz～1KHz可选，参考电极为两耳垂，另有两个可同步记录实验过程中眼电信号的采集通道，用于去除噪声。实验在屏蔽室中进行。视觉诱发通过液晶屏显示图形给出，听觉诱发由受试者所佩戴立体声耳机给出。综合考虑空间信息采集和数据处理速度的需要，视听认知事件相关脑电实验中采用64导联。

刺激模式优化实验。视觉诱发采用不同颜色（红、绿和蓝，人眼最敏感的三基色）、形状（圆形、正方形和三角形，区分度好）、大小（周长和面积）的几何图形，以及不同出现方位（分属屏幕的4个象限）的刺激来进行；听觉刺激采用不同频率的纯音（400、700和1000Hz等，音调差异大），并可分别单独由左右耳给出（增加刺激配比模式与区分度维数）。先由受试者进行视－听不同诱发模式的单通路刺激实验和不同诱发模式的联合刺激实验，重点优化各路刺激模式和组合方式。靶刺激由视觉诱发图形的颜色、形状及方位为主（声音为辅）来定义所对应的操作任务，出现概率按10～30％要求来设置。刺激序列的配比按照神经电生理学研究中常用的基本Oddball序列配比方式定义。每次实验中的靶刺激重复次数为100次。记录受试者无明显干扰伪差的脑电数据进行离线分析和优化处理。

刺激序列配比方式实验，在刺激模式优化实验的基础上，重点优化Oddball刺激序列配比方式。实验中逐渐变化靶刺激比例（1/16、1/8、1/6和1/4等）、出现间隔时间（2s、3s、4s和5s等）和刺激持续时间（0.1、0.2、0.3和0.4等），记录受试者无明显干扰伪差的EEG信号，每种配比方式下进行50次重复靶刺激。采用上述实验数据进行离线分析和优化处理得到最佳配比模式。

综上所述，本发明实施例提供了一种视听认知事件相关电位实验范式的优化方法，本发明实施例通过视听联合刺激优化方案，获取到每个受试者最优的Oddball刺激序列，从而降低了个体差异性对BCI系统的影响，提高了BCI系统的识别正确率和执行效率；通过研究多通道诱发认知脑电的空间分布规律，分析视觉、听觉对应的皮层功能区之间的耦合或约束关系，提取反应多通道诱发响应所产生空间信息的特征参数，用于靶刺激的辅助识别，更准确地定位靶刺激。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种视听认知事件相关电位实验范式的优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)每个受试者分别进行不同靶刺激和背景刺激模式配比方式的单感觉通路刺激诱发认知脑电实验，建立多个第一Oddball序列，同步记录多个第一脑电信号并进行离线分析，获取多个第一事件相关电位数据；获取视觉和听觉识别正确率最高的两个第一事件相关电位数据所对应的两个第一Oddball序列，作为两个第一最优Oddball序列；

（2）在两个第一最优Oddball序列的基础上，对每个受试者分别进行不同靶刺激和背景刺激模式配比方式的联合刺激诱发认知脑电实验，建立多个第二Oddball序列，同步记录多个第二脑电信号并进行离线分析，获取多个第二事件相关电位数据；获取识别正确率最高的第二事件相关电位数据所对应的第二Oddball序列，作为每个受试者的第二最优Oddball序列；

（3）在所述第二最优Oddball序列中分别对每个受试者逐步改变靶刺激出现比例、持续时间和刺激间隔来诱发认知脑电信号，分别获取到多个事件相关电位数据进行离线分析，构建有效的Oddball序列方案；

其中，对所述第一脑电信号和所述第二脑电信号进行离线分析具体为：

在时域上，对所述第一脑电信号和所述第二脑电信号用相干平均方法提取事件相关电位的幅值和潜伏期特征；在提取空间特征方面，首先采用不同时刻脑电地形图配准方法研究认知脑电相应皮层功能区空间分布随时间变化规律，确立认知脑电空间分布的特征导联位置并提取相关特征参数；采用相干性分析、相位耦合分析和时间序列因果性分析研究各刺激通路对应皮层功能区交互作用和认知脑电时空特征关系，提取可辅助分类的互联参数，并对是否存在显著性差异统计检验；最后根据认知脑电信号的有效分类特征参数构建相应的综合特征模式矩阵；在综合特征模式矩阵基础上建立基于认知脑电多维时空特征的靶刺激快速识别方法；首先对特征参数降维，采用主成份分析和回归筛选来控制特征维度；采用线性分类器或支持矢量机同时采用集成学习提高分类效果；最后获取识别正确率最高的Oddball序列为最优的Oddball序列，即所述的有效的Oddball序列。

2.根据权利要求1所述的一种视听认知事件相关电位实验范式的优化方法，其特征在于，所述方法还包括：

采用约束独立分量分析、小波变换和线调频小波变换对第一脑电信号和第二脑电信号分别进行处理，获取多个第一事件相关电位数据和第二事件相关电位数据。

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