CN116360600A - 一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统。该系统中的刺激模块利用四个闪烁阵列的空间编码策略，诱发的SSVEP信号经脑电信号采集模块放大采集后进行信号预处理，接着利用各个刺激频率分量的幅度，相位，相关系数及其各编码刺激频率或相位对应的相关系数之比作为特征信息来解码空间信息以确定视线注视的坐标，最后将坐标信息转换为指令传给受控操作模块，以实现视觉反馈。本发明能够有效解决现有空间编码中划分区域面积和分区的目标数目有限且无法分辨各个分区的边缘信息的问题，实现了视觉负荷低并能在屏幕中精准定位的BCI，为实现高集成的嵌入式BCI系统提供了可能性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于SSVEP(稳态视觉诱发电位，Steady-State Visual EvokedPotentials)的空间定位技术，属于脑机接口技术领域。
背景技术
脑-机接口技术可以不经过大脑正常的外围神经和肌肉输出路径，在大脑与外部设备之间为人类建立了一个替代性的直接连接的通路。SSVEP是一种对连续视觉刺激做出反应的诱发电位，作为脑-机接口方法的主要类型之一与其他类型的脑电信号，例如运动想象、事件相关电位等相比拥有更短的反应时间(100ms)以内，在最大程度上接近人类所习惯的交流速率。目前的脑-机接口研究中，SSVEP的高信噪比，高信息传输率，可重复性好，识别和分类准确率高，用户只需要被动接受刺激，无需进行训练，使用门槛低等优势，随着SSVEP脑-机接口在系统性能上的不断突破，在应用层面上展现了很好的正反馈效果。
时间编码和频率编码方法是视觉BCI(脑-机接口，Brain-Computer Interface)中广泛使用的编码策略，其中时间编码方法是使用正交或接近正交的时间序列，当用户注视某个特定目标时，会在特定时间窗中诱发相应的响应；频率编码则是使用不同的频率序列作为视觉刺激，对获得的刺激所在频率及其倍频的频谱分析，可提取特征识别刺激频率。这两种方法在实际应用的人机交互场景中存在一定的局限性，主要包括目标范围有限，便携化发展挑战较大；用户的视觉负荷大，容易造成用户的视觉疲劳等。
通信系统理论中的另一种常见编码方式——空间编码，目前在脑-机接口领域使用较少，仍有一定的发展空间。空间编码直接在神经响应和空间位置信息之间建立映射关系，从脑电图在头皮上的活动地形分布来解码空间信息，对时间或光谱模式的依赖程度较低。其主要特点是目标与刺激分离，空间范围可扩展，现实应用中更加灵活。Chen Jingjing等在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上发表的“A Spatially-coded Visual Brain-Computer Interface for Flexible VisualSpatial Information Decoding”一文中实现了在多种刺激组合下扩展空间编码BCI范围并灵活地进行空间信息解码，但该方法对于各个目标区域的边缘无法辨别且无法确定视线位于目标区域的具体位置，即无法做到视线在屏幕上小范围内甚至是精准连续性坐标定位。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统，该系统可用于空间范围的扩展，实现用户视线在界面的任意位置均可定位用户的注视点，解决现有技术中无法精准连续性进行坐标定位的问题。
技术方案：为了实现上述目的，本发明的一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统包括刺激模块，脑电信号采集模块，脑电信号处理模块与受控操作模块；
所述的刺激模块为电脑显示屏或受控区域边缘处以特定编码方式设计的闪烁块阵列组成；
所述的脑电信号采集模块通过非侵入的干电极来采集由闪烁块阵列刺激视觉皮层中产生的与刺激频率或相位相关的稳态视觉诱发电位SSVEP响应信号，并将这些信号传输至脑电信号处理模块；
所述的脑电信号处理模块对采集到的SSVEP信号进行信号下采样，滤波等预处理，并根据SSVEP的节律同化特性，进行特征提取，提取其收集到的脑电信号中与刺激频率或相位相关的基频及更高次谐波频率成分，得到用户脑电信号中各个刺激频率所对应的相关系数，幅度及相位，以及各编码刺激频率或相位对应的相关系数之比，并根据这些特征信息进行分类，进而通过插值法或拟合法算出用户注视的位置，并将该位置信息传输给受控操作模块；
所述的受控操作模块为电脑或移动终端，通过得到注视点的位置信息对电脑或移动终端进行控制指令的操作。
所述刺激模块，脑电信号采集模块，脑电信号处理模块与受控操作模块各模块之间的信号传输是有线或无线，或无线传输方式的蓝牙、WIFI、射频或红外。
所述刺激模块的闪烁块阵列，其中间是用户界面，称为操作界面或反馈界面；当被试注视用户界面中的任意注视点时，视觉皮层会产生一个与空间位置信息对应的神经响应的SSVEP信号。
所述刺激模块的位置显示屏上下左右边缘，或受控操作区域的上下左右边缘；其形状是矩形或椭圆形；其编码方式是基于频率或相位或二者的组合；为正弦波、方波或三角波。
所述脑电信号采集模块使用干电极式的脑电采集系统，主要包括电极发带，放大器和EEG记录软件；所述电极发带选用与视觉有关的大脑枕区处的几个通道，所述SSVEP信号经过放大后转换为数字信号被采集，所述EEG记录软件可以实时查看SSVEP信号，并进行数据的管理。
所述脑电信号采集模块，其通道选择有多种组合，为包含大脑皮层全区域的通道，或选择大脑枕区的八通道，甚至更精简的通道数量。
所述脑电信号处理模块作为系统的核心，先对采集的数据进行下采样，减少计算量提高运算速度，接着去除外部高频噪声和工频干扰，再对SSVEP信号进行带通滤波，通过计算各个频率分量对应的幅度、相位、相关系数以及各编码刺激频率或相位对应的相关系数之比，分析空间特征信息的差异与联系来进行注视点的定位。
所述脑电信号处理模块，其中的特征信息是通过同时提取脑电信号中各个刺激对应的频率分量，计算频率分量的幅度、相位、相关系数及其两两的比值得到的，通过同时分析神经表征的差异与联系，利用插值法或拟合法计算注视点的二维坐标，形成不同的命令和位置信息传输给受控模块。
所述所述脑电信号处理模块，其工作步骤为：
S1，脑电信号下采样，工频滤波，去基线漂移，带通滤波及自适应滤波；
S2，提取脑电信号中与各频率分量的幅度、相位及各编码刺激频率或相位对应的相关系数之比；
S3，根据特征信息进行确定视线所在位置坐标。
所述受控操作模块获得脑电信号处理模块中对注视点空间特征解码后的信息，即通过插值法或拟合法确定的注视点的二维坐标，之后调用系统应用程序接口API(Application Programming Interface)来控制鼠标或键盘，以光标的视觉效果反馈给用户；
所述受控模块能与刺激模块合并于一个显示屏中，或作为独立的外部设备；即注视点的位置信息能实时显示在电脑或移动终端的屏幕上，实现视觉信息的反馈，或转换为控制命令用于外部设备的控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明利用用户脑电信号中各个刺激频率所对应的相关系数，幅度及相位，以及各编码刺激频率或相位对应的相关系数之比，进而通过插值法或拟合法算出用户注视点的二维坐标，并以光标形式呈现。
本发明通过对脑电信号进行空间信息解码，将各编码刺激频率或相位对应的比值纳入特征信息，实时监测用户的注视点坐标位置，实现了注视点坐标连续性的位置识别，打破了以屏幕区域划分为目标的分类识别方式，为用户提供了一个全新的屏幕交互模式，实现了一种视觉负荷低并能在屏幕中精准定位的BCI，更加贴合用户浏览屏幕时的日常习惯，同时刺激数量的减少也为BCI系统朝着便携化，普适化发展提供了可能性，使得BCI在交互应用中更加自然与舒适，提升用户使用体验，这充分体现了其在实际应用中的价值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明可供选择的10-20系统电极分布图；
图3为本发明的刺激界面和特征提取方法示意图；
图4为本发明所述的系统整体结构示意图，其中有：交互界面的闪烁刺激1，用户操作界面2，脑电头带3，用户4,无线脑电信号放大器5，八通道干电极6，参考电极7。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图1，本发明基于SSVEP的空间定位系统，包括刺激模块、脑电信号采集模块、脑电信号处理模块和受控操作模块。所述的刺激模块为电脑显示屏或受控区域边缘处以特定编码方式设计的闪烁块阵列组成；所述的脑电信号采集模块通过非侵入的方式来采集由闪烁阵列刺激视觉皮层中产生的与刺激频率或相位相关的SSVEP响应信号，并将这些信号传输至脑电信号处理模块；所述的脑电信号处理模块对采集到的SSVEP信号进行预处理和特征提取，提取其收集到的脑电信号中与刺激频率或相位相关的基频及更高次谐波频率成分，根据这些特征信息进行分类，利用插值法或拟合法计算出用户注视的二维坐标，并将该位置信息传输给受控操作模块；所述的受控操作模块为电脑或移动终端，通过得到注视点的位置信息对电脑或移动终端进行控制指令的操作。
实施例二，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下:
当视觉神经受到固定频率的视觉刺激时，人的大脑视觉皮层会产生与刺激频率或相位相关的基频及其奇/偶谐波成分的SSVEP响应，该响应经过所述脑电信号采集模块，并由枕区的与SSVEP相关的电极捕获，即可以为包含大脑皮层全区域的通道，也可以选择大脑枕区的八通道，甚至更精简的通道数量，电极分布图如图2所示。采集的数据经过脑电放大器后传给脑电信号处理模块。
所述脑电信号处理模块包括：
S1：对采集的SSVEP信号进行下采样，降低计算成本。由于使用时是采用视觉刺激，用户的视线会不断移动，诱发产生的脑电信号容易受眼电和肌电等生理信号的干扰，因此进行了工频滤波、去基线漂移及带通滤波等预处理操作。
S2：提取SSVEP信号中与刺激频率相应的频率分量的幅度，相位，相关系数及其各编码刺激频率或相位对应的相关系数两两之比作为特征信息。
S3：进行空间信息解码后，根据神经表征确定视线所在的位置坐标。
所述受控操作模块为PC端或智能移动设备，通过调用API，当用户注视界面中的任意位置时，光标会随之出现，实现空间定位，并以光标的视觉形式反馈给用户。当人的注视点在用户界面连续移动时，光标会根据实时监测传输的坐标信息而跟随着注视点连续移动，实现光标的平稳而连续的位移操作。
实施例三：本实施例建立在实施例一和实施例二的基础上，特别之处如下:
参见图3，所述刺激模块由显示屏上下左右边缘处或者受控操作区域的上下左右边缘处的四个刺激块组成，闪烁频率分别是15Hz、16Hz、17Hz和18Hz这几种常用的频率；其形状可以是矩形或椭圆形；其编码方式可以是基于频率或相位或二者的组合；可以为正弦波、方波或三角波，所述的刺激模块中的用户界面，即用户注视的范围。当用户可以注视其中任意一点，由于注视点相对于刺激模块的空间位置的不同，如图3中柱形图所示，采集到的脑电信号中四个频率分量各有差异。另外，如图3中f1,f2两条曲线所示，当注视点在用户界面的左端沿着水平方向连续移动至右边时，水平方向上的两个刺激对应的频率分量的相关系数与幅度随着水平坐标的移动，一个单调增加，一个单调减小。进一步来说，随著注视点在用户界面中沿着水平或垂直方向上连续地来回移动，各频率分量的相关系数或幅度也会呈现连续的交替增减的规律变化，这种规律性变化反映着注视点在水平和垂直坐标轴上的位置信息。因此，脑电采集模块采集到的多通路脑电信号经空间信息解码后得到各个频率分量对应的幅度、相位和相关系数的值，通过多次注视点连续性移动的实验数据可拟合出注视点水平或垂直方向的坐标及该方向上各编码刺激频率或相位对应的相关系数比值
之间的映射关系，根据此关系及特征信息确定注视点的二维坐标，最后调用API将注视点以光标的形式作为视觉反馈信息在此区域呈现。
实施例四：
参见图4，本基于SSVEP的空间定位系统包括以下步骤具体为，用户4在使用该系统时，需要将脑电头带3佩戴在头部，并将电极6置于大脑枕区，两个参考电极7分别放置在耳后两侧乳突处，并进行阻抗检查，所有导联通道的阻抗值保持在5kΩ以下。交互界面的闪烁块阵列刺激1以特定编码方式设计，用户只需要注视用户界面2中需要操作的位置，采集的脑电信号经过脑电信号放大器5处理后，通过有线或无线的方式连接至SSVEP空间解码单元，无线传输方式可以是蓝牙、WIFI、射频或红外。将用户注视的空间位置坐标转换为相应的控制指令，控制指令可使光标显示在用户界面2，实现视觉反馈；也可以控制独立的外部设备。
本发明利用四个刺激块的空间编码策略，有效解决了时间编码和频率编码出现的目标数量有限，用户视觉负荷较高的局限性，并且针对现有的空间编码中分区信息解码，划分的区域面积和分区的目标数目受限，无法分辨边缘各个分区的边缘和细节信息的问题，本发明将相关系数的比值与分类识别算法中常用的各个刺激频率分量对应的幅度，相位，相关系数等特征融合，利用各个刺激频率分量的幅度，相位，相关系数及其各编码刺激频率或相位对应的相关系数之比作为特征信息，可以确定注视点的坐标，并以一定的视觉形式反馈，实现了鼠标光标位置的连续性操控。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统，其特征在于：该系统包括刺激模块，脑电信号采集模块，脑电信号处理模块与受控操作模块；
所述的刺激模块为电脑显示屏或受控区域边缘处以特定编码方式设计的闪烁块阵列组成；
所述的脑电信号采集模块通过非侵入的干电极来采集由闪烁块阵列刺激视觉皮层中产生的与刺激频率或相位相关的稳态视觉诱发电位SSVEP响应信号，并将这些信号传输至脑电信号处理模块；
所述的脑电信号处理模块对采集到的SSVEP信号进行信号下采样，滤波等预处理，并根据SSVEP的节律同化特性，进行特征提取，提取其收集到的脑电信号中与刺激频率或相位相关的基频及更高次谐波频率成分，得到用户脑电信号中各个刺激频率所对应的相关系数，幅度及相位，以及各编码刺激频率或相位对应的相关系数之比，并根据这些特征信息进行分类，进而通过插值法或拟合法算出用户注视的位置，并将该位置信息传输给受控操作模块；
所述的受控操作模块为电脑或移动终端，通过得到注视点的位置信息对电脑或移动终端进行控制指令的操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统，其特征在于，所述刺激模块，脑电信号采集模块，脑电信号处理模块与受控操作模块各模块之间的信号传输是有线或无线，或无线传输方式的蓝牙、WIFI、射频或红外。
3.根据权利要求2所述的一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统，其特征在于，所述刺激模块的闪烁块阵列，其中间是用户界面，称为操作界面或反馈界面；当被试注视用户界面中的任意注视点时，视觉皮层会产生一个与空间位置信息对应的神经响应的SSVEP信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统，其特征在于，所述刺激模块的位置显示屏上下左右边缘，或受控操作区域的上下左右边缘；其形状是矩形或椭圆形；其编码方式是基于频率或相位或二者的组合；为正弦波、方波或三角波。
5.根据权利要求2所述的一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统，其特征在于，所述脑电信号采集模块使用干电极式的脑电采集系统，主要包括电极发带，放大器和EEG记录软件；所述电极发带选用与视觉有关的大脑枕区处的几个通道，所述SSVEP信号经过放大后转换为数字信号被采集，所述EEG记录软件可以实时查看SSVEP信号，并进行数据的管理。
6.根据权利要求5所述的一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统，其特征在于，所述脑电信号采集模块，其通道选择有多种组合，为包含大脑皮层全区域的通道，或选择大脑枕区的八通道，甚至更精简的通道数量。
7.根据权利要求2所述的一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统，其特征在于，所述脑电信号处理模块作为系统的核心，先对采集的数据进行下采样，减少计算量提高运算速度，接着去除外部高频噪声和工频干扰，再对SSVEP信号进行带通滤波，通过计算各个频率分量对应的幅度、相位、相关系数以及各编码刺激频率或相位对应的相关系数之比，分析空间特征信息的差异与联系来进行注视点的定位。
8.根据权利要求7所述的一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统，其特征在于，所述脑电信号处理模块，其中的特征信息是通过同时提取脑电信号中各个刺激对应的频率分量，计算频率分量的幅度、相位、相关系数及其两两的比值得到的，通过同时分析神经表征的差异与联系，利用插值法或拟合法计算注视点的二维坐标，形成不同的命令和位置信息传输给受控模块。
9.根据权利要求8所述的一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统，其特征在于，所述脑电信号处理模块，其工作步骤为：
S1，脑电信号下采样，工频滤波，去基线漂移，带通滤波及自适应滤波；
S2，提取脑电信号中与各频率分量的幅度、相位及各编码刺激频率或相位对应的相关系数之比；
S3，根据特征信息进行确定视线所在位置坐标。
10.根据权利要求2或7所述的一种基于稳态视觉诱发电位的空间定位系统，其特征在于，所述受控操作模块获得脑电信号处理模块中对注视点空间特征解码后的信息，即通过插值法或拟合法确定的注视点的二维坐标，之后调用系统应用程序接口API来控制鼠标或键盘，以光标的视觉效果反馈给用户；
所述受控模块能与刺激模块合并于一个显示屏中，或作为独立的外部设备；即注视点的位置信息能实时显示在电脑或移动终端的屏幕上，实现视觉信息的反馈，或转换为控制命令用于外部设备的控制。
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| CN117617995B (zh) * | 2024-01-26 | 2024-04-05 | 小舟科技有限公司 | 脑机接口关键脑区编码的采集与识别方法、计算机设备 |
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