CN106468952B - 基于旋转视觉感知的稳态运动诱发电位脑-机接口方法 - Google Patents

Abstract

基于旋转视觉感知的稳态运动诱发电位脑‑机接口方法，红色范式图案通过旋转形式运动，采用等角速度实现范式的顺‑逆时针旋转，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，本发明基于稳态运动视觉电位，综合利用人眼对色彩、形状、亮度、运动等视觉信息的感知能力，设计了红色旋转范式，降低了使用者的视觉疲劳，提高了EEG信噪比，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

基于旋转视觉感知的稳态运动诱发电位脑-机接口方法

技术领域

本发明涉及医学信息智能处理技术领域，具体涉及基于旋转视觉感知的稳态运动诱发电位脑-机接口方法。

背景技术

脑-机接口是指人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间建立的直接连接通路，常用方法有运动想象(Motor imagery,MI)、P300事件相关电位、瞬态视觉诱发电位(tVEP)、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少、使用者不需要训练，辨识准确率更高。然而，传统的SSVEP，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、降低大脑响应和识辨准确率，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-机接口范式，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，瞬态范式要求多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。

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旋转视觉感知的稳态运动诱发电位脑-机接口方法(SSMVEP)，提高信噪比，降低使用者视觉疲劳，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：

一种基于旋转视觉感知的稳态运动诱发电位脑-机接口方法，包括以下步骤：

1)旋转范式设计：

旋转范式图案宽和高为W和H，这里都设为150像素，颜色设置为红色；为实现范式的旋转，定义变量M，其值为这里将其圆整为M’；令[-M’，M’]间隔为1，生成一个大小为(2M’+1)×(2M’+1)的二维网格点，范式图案像素点坐标(x,y)对应于每一网格点坐标；旋转范式生成公式为:

S＝0.5+0.5*cos(π*th) (1)

其中S为范式图案亮度值；th为旋转范式图案像素点(x,y)转换为极坐标后的极轴长度；

范式图案是通过显示屏一帧一帧呈现的，通过PSYCHTOOLBOX工具箱编程绘制范式图案纹理，改变纹理旋转角度Angle实现旋转范式运动，采用等角速度实现旋转范式的运动，其中：

Angle_i+1＝Angle_i+n·D (2)

其中i表示第i帧范式图案，D表示每一帧图案转过的角度，由式(2)知，当n为+1时，范式顺时针旋转，当n为-1时，范式逆时针旋转，通过改变n的正负实现范式旋转方向的改变，这里范式旋转360度后反向；设范式运动频率为f，即顺-逆时针旋转一个周期所需时间的倒数，反转频率为f_c，即旋转范式旋向改变的频率，将反转频率f_c作为诱发的SSMVEP信号基频；

2)搭建脑-机接口平台：

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计算机屏幕的输入连接，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)旋转范式呈现与识别：

主控制器通过显示屏扩展使计算机屏幕上呈现数个刺激频率不同的旋转范式，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：本发明基于稳态运动视觉电位，综合利用人眼对色彩、形状、亮度、运动等视觉信息的感知能力，设计了红色旋转范式，降低了使用者的视觉疲劳，提高了EEG信噪比，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。

附图说明

图1为本发明的旋转范式图案。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

一种基于旋转视觉感知的稳态运动诱发电位脑-机接口方法，包括以下步骤：

1)旋转范式设计：

人眼视觉系统精细复杂，可以感知色彩、形状、亮度、运动等不同视觉信息。视觉皮层包括“背侧通道”、“腹侧通道”两条信息传输通路，前者可以感知高频闪烁和运动信息，后者可以感知色彩、亮度等视觉信息，SSVEP主要利用人眼亮度感知通道，本发明为提高诱发脑电信号信噪比，提升识辨准确率，将两条通路都利用起来，设计了旋转范式，由于人眼对红色反应较为敏感，潜伏期短，这里将范式图案设置为红色，参照图1，旋转范式图案宽和高为W和H，这里都设为150像素；为实现范式的旋转，定义变量M，其值为这里将其圆整为M’；令[-M’，M’]间隔为1，生成一个大小为(2M’+1)×(2M’+1)的二维网格点，范式图案像素点坐标(x,y)对应于每一网格点坐标；旋转范式生成公式为:

S＝0.5+0.5*cos(π*th) (1)

其中S为范式图案亮度值；th为旋转范式图案像素点(x,y)转换为极坐标后的极轴长度；

范式图案是通过显示屏一帧一帧呈现的，通过PSYCHTOOLBOX工具箱编程绘制范式图案纹理，改变纹理旋转角度Angle实现旋转范式运动，本发明采用等角速度实现旋转范式的运动，其中：

Angle_i+1＝Angle_i+n·D (2)

其中i表示第i帧范式图案，D表示每一帧图案转过的角度，由式(2)可知，当n为+1时，范式顺时针旋转，当n为-1时，范式逆时针旋转，通过改变n的正负实现范式旋转方向的改变，这里范式旋转360度后反向；设范式运动频率为f，即顺-逆时针旋转一个周期所需时间的倒数，反转频率为f_c，即旋转范式旋向改变的频率，本发明将反转频率f_c作为诱发的SSMVEP信号基频；

2)搭建脑-机接口平台：

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计算机屏幕的输入连接，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)旋转范式呈现与识别：

主控制器通过显示屏扩展使计算机屏幕上呈现数个刺激频率不同的旋转范式，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。

Claims (1)

1.一种基于旋转视觉感知的稳态运动诱发电位脑-机接口方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)旋转范式设计：

旋转范式图案宽和高为W和H，这里都设为150像素；颜色设置为红色；为实现范式的旋转，定义变量M，其值为这里将其圆整为M’；令[-M’，M’]间隔为1，生成一个大小为(2M’+1)×(2M’+1)的二维网格点，范式图案像素点坐标(x,y)对应于每一网格点坐标；旋转范式生成公式为:

S＝0.5+0.5*cos(π*th) (1)

其中S为范式图案亮度值；th为旋转范式图案像素点(x,y)转换为极坐标后的极轴长度；

范式图案是通过显示屏一帧一帧呈现的，通过PSYCHTOOLBOX工具箱编程绘制范式图案纹理，改变纹理旋转角度Angle实现旋转范式运动，本发明采用等角速度实现旋转范式的运动，其中：

Angle_i+1＝Angle_i+n·D (2)

其中i表示第i帧范式图案，D表示每一帧图案转过的角度，由式(2)知，当n为+1时，范式顺时针旋转，当n为-1时，范式逆时针旋转，通过改变n的正负实现范式旋转方向的改变，这里范式旋转360度后反向；设范式运动频率为f，即顺-逆时针旋转一个周期所需时间的倒数，反转频率为f_c，即旋转范式旋向改变的频率，将反转频率f_c作为诱发的SSMVEP信号基频；

2)搭建脑-机接口平台：

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计算机屏幕的输入连接，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计算机屏幕上呈现数个刺激频率不同的旋转范式，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。