CN105242784B - 基于交叉调制频率的稳态视觉诱发电位脑‑机接口方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于交叉调制频率的稳态视觉诱发电位脑‑机接口方法，其技术特点是采用交叉调制频率编码方法作为稳态视觉诱发电位的诱发方式，在利用屏幕刷新率分频获得一个频率为F的刺激基础上引入一个交替频率，通过改变交替频率f_i＝F/(i+1)，产生不同的交叉调制频率成分F±f_i(i＝1,…,2×F‑1)，从而实现利用一个刺激频率编码2×F‑1个不同目标。与传统目标呈现方式相比，本发明所能实现的目标数目提高了2×F‑1倍，克服了原有可供选择的闪烁频率点受限这一缺点，从而为推动脑‑机接口实用化进程奠定基础，与现有的多频组合编码相比，本发明实现更容易，具有重要的理论研究和实际应用意义。

Description

基于交叉调制频率的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法

技术领域

本发明属于脑-机接口技术领域，尤其是一种基于交叉调制频率的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法。

背景技术

脑-机接口是一种允许人脑与外部设备实时交互的通讯或控制系统。脑-机接口通过测量携带了用户意愿的大脑信号特征并将其转化为相应的设备控制信号，从而实现基于计算机的交流或对外部设备的控制。监测大脑活动的方法有多种，原则上均可为脑-机接口提供输入信号。监测大脑活动的方法包括头皮脑电、皮层脑电、单神经元记录、脑磁图、正电子发射计算机断层扫描、功能性磁共振成像和功能性近红外成像等。头皮脑电方法与其他方法相比，具有高时间分辨率、无创和价格低廉的特点，因此，近年来基于头皮脑电的脑-机接口得到了蓬勃发展。

稳态视觉诱发电位是脑-机接口常用的一种信号，它是由一定频率的视觉刺激所诱发的具有与刺激频率相同和更高次谐波频率成分的周期性响应，其主要出现在大脑的视觉皮层。相比于基于其它信号的脑-机接口，稳态视觉诱发电位脑-机接口具有系统简单、较少训练和高信息传输率的优点。频率编码是稳态视觉诱发电位脑-机接口中最常用的方法，在这类系统中，各目标按照不同频率闪烁，通过检测记录信号的主要频率成分，进而识别用户所注视的目标。由于受到屏幕刷新率的约束，当使用刷新率分频获得刺激频率时，可用频率个数有限，在某些应用情况下(如字符输入)，稳态视觉诱发电位脑-机接口需要较多的频率来编码目标，以实现其功能的需要。

中国专利“基于左右视野两个频率刺激的稳态视觉诱发脑机接口方法”(200910076209.5)、“一种多频率时序组合的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法”(201010191598.9)以及“SSVEP-BCI系统多频排列编码以及识别方法”(201110376669.7)均是采用屏幕刷新率分频获得刺激频率，虽然通过不同频率的线性组合在一定程度上可以利用较少的刺激频率编码较多目标，但是，上 述方法却不能实现以一个刺激频率编码多个目标的功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于交叉调制频率的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，解决了以一个刺激频率编码多个目标的问题，大幅提高目标个数。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于交叉调制频率的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，包括以下步骤：

步骤1、在用户大脑枕区安放测量电极，测量电极分布符合国际10-20系统，在用户左侧耳垂位置处安放参考电极，在用户右侧耳垂处安放地电极，上述各电极测得的脑电信号经放大和模数转换后送往脑电采集设备；

步骤2、利用屏幕刷新率分频获得一个频率为F的刺激频率，在此基础上引入2×F-1个不同的交替频率：f_i＝F/(i+1)，(i＝1,…,2×F-1)，产生不同的交叉调制频率成分F±f_i，实现对2×F-1个不同目标进行编码；

步骤3、使用一个频率为F的刺激形成2×F-1个不同目标后，并按以下步骤处理：

步骤31、刺激程序向计算机并口发送同步触发信号，脑电采集设备将同步触发信号记录在与脑电信号同步的事件通道中；

步骤32、根据同步信号，首先对电极记录的脑电信号进行分段；其次对分段脑电信号进行降采样处理并对降采样数据进行带通滤波；最后，在进行频率识别过程中，对于2×F-1个交叉调制频率，分别计算带通滤波信号和2×F-1个交叉调制频率对应的参考信号的典型相关系数，从而得到2×F-1个最大相关系数；该最大相关系数所对应的目标为用户所注视的目标；

步骤33、根据计算所得最大相关系数的大小，判断出用户所注视的目标；

步骤34、刺激电脑根据检测出的目标进行相应的视觉和听觉反馈提示；

步骤35、刺激电脑完成目标识别后，返回步骤31并重复步骤31至步骤34，进行下一次目标识别任务。

进一步，所述测量电极的安装位置为用户大脑枕区的Pz、PO5、PO3、POz、PO4、PO6、O1、Oz、O2位置。

进一步，所述步骤2中，各个目标的主要频率成分是不同的，并且在整个刺激期间只有单纯的亮度变化且刺激频率大于交替频率，目标亮度更新频率同步于屏幕刷新率，目标的灰度级在0～255之间。

进一步，所述步骤32对分段脑电信号进行采样处理是采用250Hz降采样处理；所述对采用数据进行带通滤波是采用1～70Hz带通滤波。

进一步，所述的2×F-1取近似整数。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明利用视觉系统的非线性特性，在屏幕刷新率分频获得刺激频率的基础上引入一个交替频率，从而诱发出稳定的交叉调制频率，通过改变交替频率的大小产生不同的交叉调制频率，通过脑电采集设备记录大脑枕区的多个导联脑电信号，利用典型相关分析方法从预处理后的稳态视觉诱发电位中提取频率特征，判断出用户所注视的目标，实现利用一个刺激频率编码多个目标功能，大幅提高目标个数，能够克服原有可供选择的闪烁频率点受限这一缺点，从而为推动脑-机接口实用化进程奠定基础。

2、本发明根据所选刺激频率的大小F，比传统目标呈现方式所能实现的目标数目提高了2×F-1倍，可以利用有限的刺激频率编码更多的目标；而且与现有的多频组合编码相比，本发明实现更容易，具有重要的理论研究和实际应用意义。

附图说明

图1为脑电电极位置分布图；

图2为本发明在特定屏幕刷新率和刺激频率下产生的刺激序列以及对应的交替频率图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种基于交叉调制频率的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，采用交叉调制频率编码方法作为稳态视觉诱发电位的诱发方式，脑电采集设备采集用户脑电信号，将其存储后进行预处理(根据同步信号对所述电极记录的脑电信号进行分段、降采样和带通滤波)；从预处理后的稳态视觉诱发电位中提取频率特征，对提取到的频率特征进行分类识别，最后输出控制命令。具体包括以下步骤：

步骤1、在用户大脑枕区Pz、PO5、PO3、POz、PO4、PO6、O1、Oz、O2位置安放测量电极，电极分布符合国际10-20系统，在该用户左侧耳垂位置处安放参考电极，在该用户右侧耳垂处安放地电极，所述各电极测得的脑电信号经放大和模数转换后送往脑电采集设备。

在本步骤中，测量电极的安装位置如图1所示。

步骤2、利用屏幕刷新率分频获得一个频率为F的刺激频率，在本实施例中，F＝10Hz，屏幕刷新率为60Hz，并在此基础上引入19个(2×F-1)不同的交替频率：f_i＝F/(i+1)，(i＝1,…,2×F-1)，产生不同的交叉调制频率成分F±f_i，从而实现对19个(2×F-1)不同目标进行编码。各个目标的主要频率成分是不同的，并且在整个刺激期间只有单纯的亮度变化且刺激频率大于交替频率，目标亮度更新频率同步于屏幕刷新率，目标的灰度级在0～255之间。这些目标呈现于计算机显示器的中央区域。

步骤3、使用一个频率为F的刺激形成19个(2×F-1)不同目标后，并按以下步骤处理：

步骤31，用户注视所述19个(2×F-1)目标中的任一个，同时刺激电脑并口向脑电采集设备发送一个同步触发信号，脑电采集设备将同步触发信号记录在与脑电信号同步的事件通道中。

步骤32，根据同步信号，首先对所述电极记录的脑电信号进行分段；其次对分段脑电信号进行250Hz降采样处理并对将采用数据1～70Hz带通滤波；最后，在进行频率识别过程中，对于19个(2×F-1)交叉调制频率，分别计算带通滤 波信号和这19个(2×F-1)交叉调制频率对应的参考信号的典型相关系数，从而得到19个(2×F-1)最大相关系数；最大相关系数所对应的目标，即为用户所注视的目标。

步骤33，根据计算所得的所述相关系数的大小，判断出用户所注视的目标；

步骤34，所述刺激电脑根据检测出的目标进行相应的视觉和听觉反馈提示；

步骤35，所述刺激电脑完成目标识别后，返回步骤31并重复步骤31至步骤34，进行下一次目标识别任务。

图2给出了本发明在特定屏幕刷新率和刺激频率下产生的刺激序列以及对应的交替频率图，从图中可以看出，一个刺激频率可以编码多个目标。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于交叉调制频率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：

步骤1、在用户大脑枕区安放测量电极，测量电极分布符合国际10-20系统，在用户左侧耳垂位置处安放参考电极，在用户右侧耳垂处安放地电极，各电极测得的脑电信号经放大和模数转换后送往脑电采集设备；

步骤2、利用屏幕刷新率分频获得一个频率为F的刺激频率，在此基础上引入2×F-1个不同的交替频率：f_i＝F/(i+1)，(i＝1,…,2×F-1)，产生不同的交叉调制频率成分F±f_i，实现对2×F-1个不同目标进行编码；

步骤3、使用一个频率为F的刺激形成2×F-1个不同目标后，并按以下步骤处理：

步骤31、刺激程序向计算机并口发送同步触发信号，脑电采集设备将同步触发信号记录在与脑电信号同步的事件通道中；

步骤32、根据同步信号，首先对电极记录的脑电信号进行分段；其次对分段脑电信号进行降采样处理并对降采样数据进行带通滤波；最后，在进行频率识别过程中，对于2×F-1个交叉调制频率，分别计算带通滤波信号和2×F-1个交叉调制频率对应的参考信号的典型相关系数，从而得到2×F-1个最大相关系数；该最大相关系数所对应的目标为用户所注视的目标；

步骤33、根据计算所得最大相关系数的大小，判断出用户所注视的目标；

步骤34、刺激电脑根据检测出的目标进行相应的视觉和听觉反馈提示；

步骤35、刺激电脑完成目标识别后，返回步骤31并重复步骤31至步骤34，进行下一次目标识别任务。

2.根据权利要求1所述的基于交叉调制频率的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，其特征在于：所述测量电极的安装位置为用户大脑枕区的Pz、PO5、PO3、POz、PO4、PO6、O1、Oz、O2位置。

3.根据权利要求1所述的基于交叉调制频率的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，其特征在于：所述步骤32对分段脑电信号进行降采样处理是采用250Hz降采样处理；所述对降采样数据进行带通滤波是采用1～70Hz带通滤波。

4.根据权利要求1所述的基于交叉调制频率的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法，其特征在于：所述的2×F-1取近似整数。