CN109271020B - 一种基于眼动追踪的稳态视觉诱发脑机接口性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于眼动追踪的稳态视觉诱发脑机接口性能评价方法，先按标准在使用者头部分别安放测量电极、参考电极、地电极，电极的输出端通过采集器、脑电信号放大器与计算机连接；然后根据计算机屏幕的尺寸居中放置眼动仪，眼动仪与计算机连接；再进行眼动仪的校准，然后进行一次目标识别任务；进行多次识别任务后，计算识别结果的准确率，并计算眼动仪采集到的视觉注视位置参数，将准确率与视觉注视位置参数通过计算机屏幕呈现给使用者，实现对使用者不同注意力水平下稳态视觉诱发脑机接口性能的评价，从而强化使用者在执行脑机接口任务时的注意力集中程度；本发明可以对稳态视觉诱发脑机接口的注意力集中程度进行评价。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程中神经工程及脑-机接口技术领域，具体涉及一种基于眼动追踪的稳态视觉诱发脑机接口性能评价方法。
背景技术
脑机接口(Brain-computer interface，BCI)是一种不依赖于人体的外周围神经系统和肌肉组织的通信系统，它是基于脑电信号实现人脑与计算机等外部设备通讯来传递控制信号的一种较新的人机交互方式。在脑电研究中，已经有了多种可以作为BCI系统控制信号的脑电信号，其中基于稳态视觉诱发电位(Steady-state visual evokedpotentials,SSVEP)的脑机接口技术具有较强的抗干扰能力、使用的电极较少、较高的通信速率和无需训练就可以应用于普通使用者的优势，但是基于稳态视觉诱发的脑机接口技术主要依赖于使用者通过自主调节眼部肌肉对特定位置的刺激目标进行空间选择性注意的方式，使得使用者感受到视觉刺激，并且在大脑形成特定特征的信号，进而再通过脑电信号采集设备转化为对外部设备的控制。使用过程中，完成一次识别任务之后，识别结果通过视觉反馈方式呈现给使用者，但这种传统意义上的视觉反馈方式仅能提供简单的分类结果，无法对注意力集中程度进行评价，而注意力的集中程度存在极大的个体差异性，需要从一个较客观的角度衡量使用者进行稳态视觉诱发脑机接口任务时的真实注意力水平。
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眼动追踪的稳态视觉诱发脑机接口性能评价方法，可以对稳态视觉诱发脑机接口的注意力集中程度进行评价。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于眼动追踪的稳态视觉诱发脑机接口性能评价方法，包括以下步骤：
步骤1，进行硬件连接：
1.1)安装脑电帽、采集器F、脑电信号放大器G：按照国际10-20系统电极放置标准，在使用者头部X的枕区n个位置分别安放测量电极A1、A2、…、An，在使用者头部X的单侧耳垂位置安放参考电极D，在使用者头部X的前额Fpz位置安放地电极E，给电极打入导电膏，将地电极接地，确保电极阻抗保持低于5千欧姆；测量电极A1、A2、…、An的输出端接入采集器F的输入端F1、F2、…、Fn，参考电极D的输出端接入采集器F的输入端F(n+1)，地电极E的输出端接入采集器F的输入端F(n+2)，采集器F的输出端与脑电信号放大器G的输入端相连，脑电信号放大器G的输出端与计算机H的输入端相连，计算机H的输出端和计算机屏幕I相连；
1.2)安装眼动仪M：根据计算机屏幕I的尺寸居中放置眼动仪M，眼动仪M的顶部和计算机屏幕I的底端对齐，计算机屏幕I与水平面夹角范围为90°到120°，眼动仪M的输出端与计算机H的输入端相连；
步骤2，进入眼动仪校准程序：
眼动仪M测得的视觉位置信息，将其呈现在计算机屏幕I上，用来调整使用者与计算机屏幕I的距离d，距离d范围为40cm到90cm，采用五点法完成眼动仪M的校准；
步骤3，进入稳态视觉诱发程序和视觉信息采集程序：
3.1)在计算机屏幕I上显示2个以上牛顿环作为运动刺激单元T1、T2、…、Tn，运动刺激单元为明暗相间同心圆环，亮区和暗区面积相等；在刺激呈现过程中，运动刺激单元按正弦调制方式进行收缩和扩张，形成两个方向上的周期往复振荡运动，分别位于计算机屏幕I的不同位置，并且这些牛顿环以不同的刺激频率进行振荡，每个牛顿环的振荡频率均高于6Hz；
3.2)布置好运动刺激单元后，每个运动刺激单元上有2个以上用于使用者注视的标定点P1、P2、…、Pm，其中标定点P1位于牛顿环中心位置，另外m-1个标定点P2、…、Pm位于牛顿环的外圆周上，标定点直径均为dp；
3.3)使用者注视2个以上运动刺激单元Tn中的任意一个标定点Pm，使用者注视的标定点所在的运动刺激单元称为目标，而其他运动刺激单元称为非目标；
3.4)在稳态视觉诱发程序中，计算机H同步记录刺激开始与结束的时间，并通过测试电极采集原始脑电信号，使用GT2 circ检验法判别出刺激目标，具体包含以下操作：首先，对原始脑电信号作滤波和陷波处理，然后，对处理过的脑电信号作预白化处理，消除低频脑电成份的影响；最后，经快速傅里叶变换得到包含多个谐波分量的傅里叶向量，将傅里叶向量代入GT2 circ假设检验中，得到相应统计量，通过比较统计量相对于绝对零值的显著程度，计算出不同刺激目标下的显著性概率；
3.5)根据计算得到的每个刺激频率对应的显著性概率，若其中最小值小于预设的显著度水平，将最小值对应的刺激频率所属的运动刺激单元判定为使用者所注视的目标，计算机屏幕将注视的目标反馈给使用者；
3.6)在步骤3.4)中，稳态诱发程序中获得的计算机同步采集的刺激开始与结束的时间，通过TCP/IP传输协议传输给视觉信息采集程序，使得眼动仪M的采集与脑电波的采集达到同步开始与结束；
步骤4，视觉信息采集程序开始注视位置的采集，通过TCP/IP传输协议将实时采集的注视位置发送给稳态视觉诱发程序，将当前实时注视位置以左右眼横纵坐标分别取平均值的形式与刺激单元同步显示在计算机屏幕上，实现对使用者视觉注意力水平的客观反馈，同时将采集到的所有左右眼注视位置的视觉参数保存；
步骤5，完成目标识别后，返回步骤3，进行下一次目标识别任务；
步骤6，进行f次识别任务后，计算识别结果的准确率，并计算眼动仪M采集到的视觉注视位置参数，将准确率与视觉注视位置参数通过计算机屏幕呈现给使用者，实现对使用者不同注意力水平下稳态视觉诱发脑机接口性能的评价，从而强化使用者在执行脑机接口任务时的注意力集中程度。
所述的五点法即采用5个等直径为dr的白色校准点呈现给使用者，其中五点的选取分别为计算机屏幕I的中心位置点和计算机屏幕I的四角，靠近屏幕边缘顶点，使用者依次观察计算机屏幕呈现的5个校准点，由眼动仪M收集视觉参数信息并在计算机屏幕I上呈现校准结果，完成校准。
本发明的有益效果为：
(1)本发明首次将眼动追踪技术引入稳态视觉诱发脑机接口的性能评价中，用脑机接口正确率和注视位置参数对脑机接口性能做出客观评价，从而提高使用者的注意力水平，实现脑机接口性能的提升；
(2)本发明评价方法可以拓展到其他一些视觉诱发脑机接口上，如视觉诱发事件相关电位脑机接口、瞬态视觉诱发脑机接口等系统上，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明的硬件连接示意图。
图3是本发明的计算机屏幕与眼动仪相对位置示意图。
图4是本发明的校准点位置示意图。
图5是本发明牛顿环的运动刺激单元与标定点位置示意图。
图6是本发明的左右眼注视位置显示形式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明作进一步的详细说明。
参照图1，一种基于眼动追踪的稳态视觉诱发脑机接口性能评价方法，包含以下步骤：
步骤1，进行硬件连接：
1.1)如图2所示，安装脑电帽、采集器F、脑电信号放大器G：按照国际10-20系统电极放置标准，在使用者头部X的枕区PO3、POZ、PO4、O1、OZ、O2位置分别安放测量电极A1、A2、A3、A4、A5、A6，在使用者头部X的单侧耳垂位置安放参考电极D，在使用者头部X的前额Fpz位置安放地电极E，给电极打入导电膏，将地电极接地，确保电极阻抗保持低于5千欧姆；测量电极A1、A2、A3、A4、A5、A6的输出端接入采集器F的输入端F1、F2、F3、F4、F5、F6，参考电极D的输出端接入采集器F的输入端F7，地电极E的输出端接入采集器F的输入端F8，采集器F的输出端与脑电信号放大器G的输入端相连，脑电信号放大器G的输出端与计算机H的输入端相连，计算机H的输出端和计算机屏幕I相连；
1.2)如图3所示，安装眼动仪M：根据计算机屏幕I的尺寸居中放置眼动仪M，眼动仪M的顶部和计算机屏幕I的底端对齐，计算机屏幕I与水平面夹角为110°，眼动仪M的输出端与计算机H的输入端相连；
步骤2，进入眼动仪校准程序：
利用眼动仪M测得的视觉位置信息，将其呈现在计算机屏幕I上，用来调整使用者与计算机屏幕I的距离d＝60±2(cm)，采用五点法完成眼动仪M的校准，如图4所示，即采用5个等直径为dr的白色校准点呈现给使用者，dr变化范围为0-10mm，其中五点的选取分别为计算机屏幕I的中心位置点和计算机屏幕I的四角，靠近计算机屏幕I边缘顶点，其中任意一点到计算机屏幕I的上边缘距离为b1＝54mm，距离左/右边缘距离为b2＝77mm，使用者依次观察计算机屏幕I呈现的5个校准点，由眼动仪M收集视觉参数信息并在计算机屏幕I上呈现校准结果，完成校准；
表1校准点位置坐标
步骤3，进入稳态视觉诱发程序和视觉信息采集程序：
3.1)如图5所示，在计算机屏幕I上显示4个牛顿环作为运动刺激单元，运动刺激单元为明暗相间同心圆环，亮区和暗区面积相等；在刺激呈现过程中，运动刺激单元按正弦调制方式进行收缩和扩张，形成两个方向上的周期往复振荡运动，分别位于计算机屏幕I的不同位置，并且这些牛顿环以不同的刺激频率进行振荡，每个牛顿环的振荡频率均高于6Hz；
3.2)如图5所示，布置好运动刺激单元后，每个运动刺激单元上有4个用于使用者注视的标定点，其中标定点P1位于牛顿环中心位置，另外3个标定点P2、P3、P4位于牛顿环的外圆周上，标定点直径dp＝10pixel；
表2牛顿环分布
3.3)如图5所示，使用者注视第一个运动刺激单元中的P2标定点，使用者注视的运动刺激单元称为目标，而其他运动刺激单元称为非目标；
3.4)在稳态视觉诱发程序中，计算机同步采集刺激开始与结束的时间，并通过测试电极采集原始脑电信号，使用GT2 circ检验法判别出刺激目标，具体包含以下操作：首先，对原始脑电信号作滤波和陷波处理，然后，对处理过的脑电信号作预白化处理，消除低频脑电成份的影响；最后，经快速傅里叶变换得到包含多个谐波分量的傅里叶向量，将傅里叶向量代入GT2 circ假设检验中，得到相应统计量，通过比较统计量相对于绝对零值的显著程度，计算出不同刺激目标下的显著性概率；
3.5)根据计算得到的每个刺激频率对应的显著性概率，若其中最小值小于预设的显著度水平，将最小值对应的刺激频率所属的运动刺激单元判定为使用者所注视的目标，计算机屏幕将注视的目标反馈给使用者；
3.6)在步骤3.4)中，稳态诱发程序中获得的计算机同步采集的刺激开始与结束的时间，通过TCP/IP传输协议传输给视觉信息采集程序，使得眼动仪M的采集与脑电波的采集达到同步开始与结束；
步骤4，视觉信息采集程序开始注视位置的采集，通过TCP/IP传输协议将实时采集的注视位置发送给稳态视觉诱发程序，将当前实时注视位置以左右眼横纵坐标分别取平均值的形式与运动刺激单元同步显示在计算机屏幕上，如图6所示，实现对使用者视觉注意力水平的客观反馈，同时将采集到的所有左右眼注视位置等视觉参数保存；
步骤5，完成目标识别后，返回步骤3，依次进行第一个刺激目标的P3标定点和P4标定点，P1标定点需要进行3次目标识别任务，之后的刺激目标任务识别顺序参照第一个刺激目标进行；
步骤7，进行6次识别任务后，计算识别结果的准确率，并计算眼动仪采集到的视觉注视位置参数，将准确率与视觉注视位置参数通过计算机屏幕呈现给使用者，实现对使用者不同注意力水平下稳态视觉诱发脑机接口性能的评价，从而强化使用者在执行脑机接口任务时的注意力集中程度。
Claims (2)
1.一种基于眼动追踪的稳态视觉诱发脑机接口性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，进行硬件连接：
1.1)安装脑电帽、采集器(F)、脑电信号放大器(G)：按照国际10-20系统电极放置标准，在使用者头部(X)的枕区n个位置分别安放测量电极A1、A2、…、An，在使用者头部(X)的单侧耳垂位置安放参考电极(D)，在使用者头部(X)的前额Fpz位置安放地电极(E)，给电极打入导电膏，将地电极接地，确保电极阻抗保持低于5千欧姆；测量电极A1、A2、…、An的输出端接入采集器(F)的输入端F1、F2、…、Fn，参考电极(D)的输出端接入采集器(F)的输入端F(n+1)，地电极(E)的输出端接入采集器(F)的输入端F(n+2)，采集器(F)的输出端与脑电信号放大器(G)的输入端相连，脑电信号放大器(G)的输出端与计算机(H)的输入端相连，计算机(H)的输出端和计算机屏幕(I)相连；
1.2)安装眼动仪(M)：根据计算机屏幕(I)的尺寸居中放置眼动仪(M)，眼动仪(M)的顶部和计算机屏幕(I)的底端对齐，计算机屏幕(I)与水平面夹角范围为90°到120°，眼动仪(M)的输出端与计算机(H)的输入端相连；
步骤2，进入眼动仪校准程序：
眼动仪(M)测得的视觉位置信息，将其呈现在计算机屏幕(I)上，用来调整使用者与计算机屏幕(I)的距离d，距离d范围为40cm到90cm，采用五点法完成眼动仪(M)的校准；
步骤3，进入稳态视觉诱发程序和视觉信息采集程序：
3.1)在计算机屏幕(I)上显示2个以上牛顿环作为运动刺激单元T1、T2、…、Tn，运动刺激单元为明暗相间同心圆环，亮区和暗区面积相等；在刺激呈现过程中，运动刺激单元按正弦调制方式进行收缩和扩张，形成两个方向上的周期往复振荡运动，分别位于计算机屏幕(I)的不同位置，并且这些牛顿环以不同的刺激频率进行振荡，每个牛顿环的振荡频率均高于6Hz；
3.2)布置好运动刺激单元后，每个运动刺激单元上有2个以上用于使用者注视的标定点P1、P2、…、Pm，其中标定点P1位于牛顿环中心位置，另外m-1个标定点P2、…、Pm位于牛顿环的外圆周上，标定点直径均为dp；
3.3)使用者注视2个以上运动刺激单元Tn中的任意一个标定点Pm，使用者注视的标定点所在的运动刺激单元称为目标，而其他运动刺激单元称为非目标；
3.4)在稳态视觉诱发程序中，计算机(H)同步记录刺激开始与结束的时间，并通过测试电极采集原始脑电信号，使用GT2 circ检验法判别出刺激目标，具体为：首先，对原始脑电信号作滤波和陷波处理，然后，对处理过的脑电信号作预白化处理，消除低频脑电成份的影响；最后，经快速傅里叶变换得到包含多个谐波分量的傅里叶向量，将傅里叶向量代入GT2 circ假设检验中，得到相应统计量，通过比较统计量相对于绝对零值的显著程度，计算出不同刺激目标下的显著性概率；
3.5)根据计算得到的每个刺激频率对应的显著性概率，若其中最小值小于预设的显著度水平，将最小值对应的刺激频率所属的运动刺激单元判定为使用者所注视的目标，计算机屏幕将注视的目标反馈给使用者；
3.6)在步骤3.4)中，稳态诱发程序中获得的计算机同步采集的刺激开始与结束的时间，通过TCP/IP传输协议传输给视觉信息采集程序，使得眼动仪(M)的采集与脑电波的采集达到同步开始与结束；
步骤4，视觉信息采集程序开始注视位置的采集，通过TCP/IP传输协议将实时采集的注视位置发送给稳态视觉诱发程序，将当前实时注视位置以左右眼横纵坐标分别取平均值的形式与刺激单元同步显示在计算机屏幕上，实现对使用者视觉注意力水平的客观反馈，同时将采集到的所有左右眼注视位置的视觉参数保存；
步骤5，完成目标识别后，返回步骤3，进行下一次目标识别任务；
步骤6，进行f次识别任务后，计算识别结果的准确率，并计算眼动仪M采集到的视觉注视位置参数，将准确率与视觉注视位置参数通过计算机屏幕呈现给使用者，实现对使用者不同注意力水平下稳态视觉诱发脑机接口性能的评价，从而强化使用者在执行脑机接口任务时的注意力集中程度。
2.根据权利要求1所述的一种基于眼动追踪的稳态视觉诱发脑机接口性能评价方法，其特征在于：所述的步骤2中五点法即采用5个等直径为dr的白色校准点呈现给使用者，其中五点的选取分别为计算机屏幕(I)的中心位置点和计算机屏幕(I)的四角，靠近屏幕边缘顶点，使用者依次观察计算机屏幕呈现的5个校准点，由眼动仪(M)收集视觉参数信息并在计算机屏幕(I)上呈现校准结果，完成校准。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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