CN106155329B - 基于往复摆动视觉感知的稳态诱发电位脑-机接口方法 - Google Patents

Abstract

一种基于往复摆动视觉感知的稳态诱发电位脑‑机接口方法，利用人眼对摆动运动感知的敏感性，采用红色扇形往复摆动作为范式，以等角速度方式实现扇形往复摆动，通过脑电采集设备采集使用者注视刺激图案时产生的脑电信号，经过放大、滤波与A/D转换后，将处理后的脑电信号输入计算机，采集到的脑电信号利用典型相关分析实现对脑电信号的特征提取及分类识别，本发明融合了色彩、形状、运动等视觉信息，且范式面积较小，人眼接受的刺激较少，降低了使用者的视觉疲劳，提高了EEG信噪比，在中频段也可以诱发出刺激频率。对注视目标辨识准确率也更高，具有低闪烁，低适应性的特点，可以提升脑‑机接口的交互性能。

Description

基于往复摆动视觉感知的稳态诱发电位脑-机接口方法

技术领域

本发明涉及脑-机接口技术领域，具体涉及一种基于摆动视觉感知的稳态视觉诱发电位脑-机接口方法。

背景技术

脑-机接口技术(BCI)常用方法有运动想象、P300事件相关电位、瞬态视觉诱发电位、稳态视觉诱发电位(SSVEP)等。相比而言，稳态视觉诱发电位所需电极数目更少、使用者不需要训练，辨识准确率更高。但基于SSVEP的脑-机接口常采用光闪烁或图形翻转等刺激方式，易造成使用者视觉疲劳、降低辨识准确率，限制了其进一步应用。近年来有学者提出基于运动感知的脑-机接口方法，能避免长时间强刺激对大脑响应产生的负面影响。运动视觉诱发电位(mVEP)分为瞬态和稳态两种，相比稳态而言，瞬态范式要求刺激目标按不同起始时刻作单一方向运动，运动具有方向特异性，易引发大脑运动后效应。西安交通大学谢俊等人基于稳态运动视觉诱发电位(SSMVEP)，设计了收缩-扩张的牛顿环，作为脑-机接口方法，获得了很好的辨识准确率。但牛顿环中央区域图案破坏了牛顿环在运动过程中保持亮度恒定这一性质，降低了谱峰信噪比，不利于减轻使用者的视觉疲劳。为了保证在运动过程中保持亮度恒定，西安交通大学徐光华等人设计了收缩-扩张的黑白棋盘格，辨识效果良好，但该方法只能在低频段(15H以下)诱发出刺激频率，15Hz以上的辨识准确率大大降低。

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基于往复摆动视觉感知的稳态诱发电位脑-机接口方法，提高信噪比，降低使用者视觉疲劳，在中频段(15-25Hz)也可以诱发出刺激频率，拓宽范式频率设置范围，用以提升脑-机接口的交互性能。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于往复摆动视觉感知的稳态诱发电位脑-机接口方法，包括以下步骤：

1)红色扇形往复摆动范式设计：

根据色彩空间理论，选用红色作为刺激范式颜色，背景色设为白色，将扇形半径设为360像素，摆动角度范围设置为120°；设扇形运动频率为f，即往复摆动一个周期所需时间的倒数，反转频率为f_c，即扇形摆动方向改变的频率，该范式刺激效果以f为基频，能量集中在其二倍频，即反转频率f_c处，将反转频率f_c作为诱发的SSMVEP信号基频；范式图案是通过显示屏一帧一帧呈现的，屏幕刷新率为fr，则范式呈现一个周期所需帧数n为：

n＝f_r/f (1)

由于帧数n需为整数，这里将其圆整为N，扇形每一帧转过的角度Deg为：

Deg＝(120*2)/N (2)

得到转角后，将扇形弧度Ang设置为：

Ang＝Deg+2 (3)

在扇形每一次摆动过程中有2°的交叠，更加有利于辨识；为了使扇形对称摆动，需要设置一个初始摆动位置角度Startang₀:

Startang₀＝360-(N/2*Deg)/2 (4)

Startang₀表示每一刺激开始时扇形初始位置角度；范式图案通过显示屏一帧一帧呈现，只要改变每一帧扇形初始摆动位置角度就实现扇形的往复摆动：

Startang_i+1＝Startang_i+k*Deg (5)

其中i表示第i帧范式图案；根据式(5)知，通过改变k的值实现扇形的往复运动，k取1时，顺时针转，k取-1时，逆时针转；正式应用时，首先设置范式刺激频率，根据式(1)计算出帧数，根据式(2)计算出转角，根据式(3)计算扇形的弧度，根据式(4)、式(5)，改变扇形初始摆动角度就实现其往复摆动；

2)搭建脑-机接口实验平台：

电极帽通过脑电采集设备和主控制器的输入连接，主控制器的输出通过显示屏扩展和屏幕的输入连接，使用者头戴电极帽端坐于屏幕前，头部距离屏幕100-120cm，测量电极为O1、Oz、O2、POz、PO4和PO8，左耳垂放置参考电极，FPz处为地电极，给各测量电极注入导电膏，保证电极与头皮良好接触；

3)范式呈现与识别：

主控制器通过显示屏扩展使屏幕上呈现数个刺激频率不同的红色扇形往复摆动范式，使用者每次注视刺激范式图案中任意一个，通过脑电采集设备采集使用者注视范式图案时产生的脑电信号，然后经过放大、滤波与A/D转换后，将处理后的脑电信号输入主控制器，将采集到的脑电信号利用典型相关分析进行特征提取及分类识别；

4)识别结果通过屏幕输出，完成视觉反馈后，返回步骤3)，进行下一轮的目标辨识。

本发明的有益效果为：

1、本发明基于稳态运动视觉诱发电位，将色彩、形状、运动等视觉信息融合设计的红色扇形摆动范式，可以激活更多的脑区，诱发更强的SSMVEP。

2、以往范式形状大多是整圆，人眼接受的刺激较大，而本发明扇形范式面积较小，降低了使用者的视觉疲劳，提高了EEG信噪比，具有低闪烁，低适应性的特点。

3、本本发明不但在低频段(15Hz以下)有良好的响应，在中频段(15-25Hz)也可以诱发出刺激频率，拓宽了范式可设置的频率范围，对注视目标识别准确率也更高，适宜于长期使用的脑-机交互场合。

附图说明

图1为本发明的红色扇形摆动范式图案。

图2为本发明方法的脑-机接口平台示意图。

图3为摆动范式刺激频率为13Hz、18Hz时功率谱密度图，其中图(a)是刺激频率为13Hz时功率谱密度图，图(b)刺激频率为18Hz时功率谱密度图。

图4为刺激频率为7.6Hz、9.6Hz、11Hz时，摆动范式与棋盘格功率谱密度图,其中图(a)是刺激频率为7.6Hz时，摆动范式与棋盘格功率谱密度图，图(b)是刺激频率为9.6Hz时，摆动范式与棋盘格功率谱密度图，图(c)是刺激频率为11Hz时，摆动范式与棋盘格功率谱密度图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

一种基于往复摆动视觉感知的稳态诱发电位脑-机接口方法，包括以下步骤：

1)红色扇形往复摆动范式设计：

参照图1，根据色彩空间理论，人眼最容易辨识红色，并且红色刺激，潜伏期最短，有利于大脑快速响应，所以选用红色作为刺激范式颜色，背景色设为白色，基于前期实验以及参数优化结果，将扇形半径设为360像素，摆动角度范围设置为120°；设扇形运动频率为f，即往复摆动一个周期所需时间的倒数，反转频率为f_c，即扇形摆动方向改变的频率，该范式刺激效果以f为基频，能量集中在其二倍频，即反转频率f_c处，将反转频率f_c作为诱发的SSMVEP信号基频；范式图案是通过显示屏一帧一帧呈现的，屏幕刷新率为fr，则范式呈现一个周期所需帧数n为：

n＝f_r/f (1)

由于帧数n需为整数，这里将其圆整为N，扇形每一帧转过的角度Deg为：

Deg＝(120*2)/N (2)

得到转角后，将扇形弧度Ang设置为：

Ang＝Deg+2 (3)

在扇形每一次摆动过程中有2°的交叠，更加有利于辨识；为了使扇形对称摆动，需要设置一个初始摆动位置角度Startang₀:

Startang₀＝360-(N/2*Deg)/2 (4)

Startang₀表示每一刺激开始时扇形初始位置角度；范式图案通过显示屏一帧一帧呈现，只要改变每一帧扇形初始摆动位置角度就实现扇形的往复摆动：

Startang_i+1＝Startang_i+k*Deg (5)

其中i表示第i帧范式图案；根据式(5)知，通过改变k的值实现扇形的往复运动，k取1时，顺时针转，k取-1时，逆时针转；正式应用时，首先设置范式刺激频率，根据式(1)计算出帧数，根据式(2)计算出转角，根据式(3)计算扇形的弧度，根据式(4)、式(5)，改变扇形初始摆动角度就实现其往复摆动；

2)搭建脑-机接口实验平台：

参照图2，电极帽通过脑电采集设备和主控制器的输入连接，主控制器的输出通过显示屏扩展和屏幕的输入连接，使用者头戴电极帽端坐于屏幕前，头部距离屏幕100-120cm，测量电极为O1、Oz、O2、POz、PO4和PO8，左耳垂放置参考电极，FPz处为地电极，给各测量电极注入导电膏，保证电极与头皮良好接触；

3)范式呈现与识别：

主控制器通过显示屏扩展使屏幕上呈现数个刺激频率不同的红色扇形往复摆动范式，使用者每次注视刺激范式图案中任意一个，通过脑电采集设备采集使用者注视范式图案时产生的脑电信号，然后经过放大、滤波与A/D转换后，将处理后的脑电信号输入主控制器，将采集到的脑电信号利用典型相关分析进行特征提取及分类识别；

4)识别结果通过屏幕输出，完成视觉反馈后，返回步骤3)，进行下一轮的目标辨识。

下面结合具体实施例说明该范式的刺激效果，参照图3，显示屏上布置两个范式图案，刺激频率为13Hz和18Hz,被试每次注视其中一个。每个范式单次刺激时长为5秒，10次为一个周期，中间间隔2秒，被试可以适当休息，接着注视另一个，直到两个都注视完毕。选用被试Oz电极数据做Welch功率谱，可以看到刺激频率突出，信燥比较高，不但在低频13Hz,还在中频18Hz处诱发出了刺激频率，可以确定往复摆动的扇形刺激范式在中、低频段都可以诱发出刺激频率。

参照图4，为黑白棋盘格与红色扇形往复摆动范式在刺激频率为7.6Hz、9.6Hz、11Hz处刺激效果的比较，选用被试Oz电极采集的数据做Welch功率谱，从功率谱图上可以看到往复摆动的范式诱发的刺激频率处峰值更高，信噪比更高，说明人眼对摆动运动感知更加敏感。

Claims (1)

1.基于往复摆动视觉感知的稳态诱发电位脑-机接口方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)红色扇形往复摆动范式设计：

根据色彩空间理论，选用红色作为刺激范式颜色，背景色设为白色，将扇形半径设为360像素，摆动角度范围设置为120°；设扇形运动频率为f，即往复摆动一个周期所需时间的倒数，反转频率为f_c，即扇形摆动方向改变的频率，该范式刺激效果以f为基频，能量集中在其二倍频，即反转频率f_c处，将反转频率f_c作为诱发的SSMVEP信号基频；范式图案是通过显示屏一帧一帧呈现的，屏幕刷新率为f_r，则范式呈现一个周期所需帧数n为：

n＝f_r/f (1)

由于帧数n需为整数，这里将其圆整为N，扇形每一帧转过的角度Deg为：

Deg＝(120*2)/N (2)

得到转角后，将扇形弧度Ang设置为：

Ang＝Deg+2 (3)

在扇形每一次摆动过程中有2°的交叠，更加有利于辨识；为了使扇形对称摆动，需要设置一个初始摆动位置角度Startang₀:

Startang₀＝360-(N/2*Deg)/2 (4)

Startang₀表示每一刺激开始时扇形初始位置角度；范式图案通过显示屏一帧一帧呈现，只要改变每一帧扇形初始摆动位置角度就实现扇形的往复摆动：

Startang_i+1＝Startang_i+k*Deg (5)

其中i表示第i帧范式图案；根据式(5)知，通过改变k的值实现扇形的往复运动，k取1时，顺时针转，k取-1时，逆时针转；正式应用时，首先设置范式刺激频率，根据式(1)计算出帧数，根据式(2)计算出转角，根据式(3)计算扇形的弧度，根据式(4)、式(5)，改变扇形初始摆动角度就实现其往复摆动；

2)搭建脑-机接口实验平台：

电极帽通过脑电采集设备和主控制器的输入连接，主控制器的输出通过显示屏扩展和屏幕的输入连接，使用者头戴电极帽端坐于屏幕前，头部距离屏幕100-120cm，测量电极为O1、Oz、O2、POz、PO4和PO8，左耳垂放置参考电极，FPz处为地电极，给各测量电极注入导电膏，保证电极与头皮良好接触；

3)范式呈现与识别：

主控制器通过显示屏扩展使屏幕上呈现数个刺激频率不同的红色扇形往复摆动范式，使用者每次注视刺激范式图案中任意一个，通过脑电采集设备采集使用者注视范式图案时产生的脑电信号，然后经过放大、滤波与A/D转换后，将处理后的脑电信号输入主控制器，将采集到的脑电信号利用典型相关分析进行特征提取及分类识别；

4)识别结果通过屏幕输出，完成视觉反馈后，返回步骤3)，进行下一轮的目标辨识。