CZ304005B6 - Brain-machine interface with automatic identification of user - Google Patents

Brain-machine interface with automatic identification of user Download PDF

Info

Publication number
CZ304005B6
CZ304005B6 CZ20090411A CZ2009411A CZ304005B6 CZ 304005 B6 CZ304005 B6 CZ 304005B6 CZ 20090411 A CZ20090411 A CZ 20090411A CZ 2009411 A CZ2009411 A CZ 2009411A CZ 304005 B6 CZ304005 B6 CZ 304005B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
module
brain
knowledge base
output
user
Prior art date
Application number
CZ20090411A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ2009411A3 (en
Inventor
Stastný@Jakub
Original Assignee
Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická filed Critical Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická
Priority to CZ20090411A priority Critical patent/CZ304005B6/en
Publication of CZ2009411A3 publication Critical patent/CZ2009411A3/en
Publication of CZ304005B6 publication Critical patent/CZ304005B6/en

Links

Abstract

The present invention relates to a brain-machine interface with automatic identification of user consisting of an EEG apparatus (1) for scanning human brain activity, provided with an electrode array, a first module (2) for parameterization and pre-processing the EEG signal, a first module (3) for recognizing patterns of metal activities intended for controlling device in the EEG signal interconnected with a knowledge base (5) for recognizing metal activity, and an action member (4) for carrying out the corresponding action. A second module (2) for parameterization and pre-processing of the EEG signal is connected to EEG apparatus (1). The second parameterization and pre-processing module (6) consists of a multiplier (11) for modulating the signal by a complex exponential function, which is connected via a decimation unit (12) with a segmentation unit (13), wherein said decimation unit (12) is formed by a low pass filter followed up with a sample omission circuit. The segmentation unit (13) output is connected to the input of a self-correlation analysis unit (14). The second parameterization and EEG signal pre-processing module (6) is connected to the input of a second module (7) for recognizing a user wherein said second module (7) for recognizing a user consists of a plurality of calculation units (16) of Mahalanobis distance wherein comparison inputs of said Mahalanobis distance calculation units (16) are connected to the outputs of a set (9) of knowledge bases for recognizing metal activity of the individual users. The number of the bases in the set is given by the number of the system users and their output are connected to a unit (17) for determining minimum distance wherein said minimum distance determining unit (17) output is connected to module (8) of knowledge base selection. Said knowledge base selection module (8) is formed at its input by a time filtration unit (18) having its output connected via a detection unit (19) of a user change to a knowledge base change-over switch (20) having its inputs connected to outputs of a knowledge base from the set (9) of the knowledge bases for recognizing metal activity of the individual users, while the output thereof is connected to said first pattern recognition module (3).

Description

Rozhraní mozek-stroj s automatickou identifikací uživateleBrain-machine interface with automatic user identification

Oblast technikyTechnical field

Předkládané řešení se týká nového vytvoření rozhraní mozek-stroj, které umožňuje automatickou identifikaci jeho momentálního uživatele.The present invention relates to a re-creation of a brain-machine interface that allows automatic identification of its current user.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V současné době není možné, aby rozhraní mozek-stroj bezchybně rozpoznávalo charakteristické vzory EEG signálu všech uživatelů systému. To je způsobeno velkou variabilitou mezi EEG různých osob. Jedná se například o situaci, kdy bude rozhraní mozek-stroj použito pro ovládání počítačových her a bude využíváno více uživateli. Pak je třeba při každé změně uživatele, například hráče hry, systém ručně přepnout na rozpoznávání charakteristických typů mozkové aktivity nového uživatele, aby se maximalizovala úspěšnost rozpoznávání jednotlivých mozkových aktivit. Nabízí se zde analogie s přihlašováním uživatele do operačního systému.At present, it is not possible for the brain-machine interface to recognize perfectly the EEG signal patterns of all system users. This is due to the large variability between the EEGs of different persons. For example, a brain-machine interface will be used to control computer games and be used by multiple users. Then, each time a user changes, for example, a game player, the system must be manually switched to recognizing the characteristic types of brain activity of the new user in order to maximize the recognition success of each brain activity. There is an analogy with the user login to the operating system.

V současné době je realizováno rozhraní mozek-stroj EEG přístrojem pro snímání lidské mozkové aktivity opatřeným polem elektrod, modulem parametrizace a předzpracování EEG signálu, modulem rozpoznávání vzorů mentálních aktivit určených k ovládání zařízení v EEG signálu propojeným s bází znalostí pro rozpoznávání mentální aktivity a akčním členem pro provádění příslušné akce.Currently, the brain-machine EEG interface is implemented by a human brain activity sensing device equipped with an electrode field, an EEG signal parameterization and preprocessing module, a mental activity pattern recognition module for controlling devices in an EEG signal coupled to a knowledge base for mental activity recognition and an actuator for the implementation of the action.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Výše uvedené nedostatky částečně odstraňuje navrhované řešení pomocí kombinace biometrického systému s rozhraním-mozek stroj, označovaného jako BCI, Brain-Computer Interface.The above drawbacks are partially overcome by the proposed solution using a combination of a biometric system with a brain-machine interface, referred to as BCI, a Brain-Computer Interface.

Rozhraní mozek-stroj s automatickou identifikací uživatele je tvořené EEG přístrojem pro snímání lidské mozkové aktivity opatřeným polem elektrod, prvním modulem parametrizace a předzpracování EEG signálu, prvním modulem rozpoznávání vzorů mentálních aktivit určených k ovládání zařízení pomocí EEG signálu propojeným s bází znalostí pro rozpoznávání mentální aktivity a s akčním členem pro provádění příslušné akce. Podstatou nového řešení je, že k EEG přístroji pro snímání lidské mozkové aktivity je připojen druhý modul parametrizace a předzpracování EEG signálu. Tento druhý modul parametrizace a předzpracování EEG signálu sestává z násobičky pro modulování signálu komplexní exponenciálou, která je propojená přes blok decimace tvořený dolní propustí a obvodem pro vynechání vzorků s blokem segmentace. Výstup bloku segmentace je propojen se vstupem bloku autokorelační analýzy. K tomuto druhému modulu parametrizace a předzpracování EEG signálu je připojen svým vstupem druhý modul rozpoznávání uživatele. Druhý modul rozpoznávání uživatele je tvořen souborem bloků výpočtu Mahalanobisovy vzdálenosti, na jejichž porovnávací vstupy jsou připojeny výstupy množiny bází znalostí pro rozpoznávání mentální aktivity jednotlivých uživatelů a jejichž výstupy jsou propojeny s blokem určení minimální vzdálenosti. Počet bází v množině je dán počtem uživatelů systému, každému uživateli je přiřazena jedna báze znalostí. Výstup bloku určení minimální vzdálenosti je propojen s modulem volby báze znalostí. Modul volby báze znalosti je tvořen na vstupu blokem časové filtrace, jehož druhý vstup může být spojen s výstupem EEG přístroje pro snímání lidské mozkové aktivity indikujícím odpojení uživatele od systému a jehož výstup je propojen přes blok detekce změny uživatele s přepínačem báze znalostí. Vstupy přepínače báze znalostí jsou propojené s výstupy množiny bází znalostí pro rozpoznávání mentální aktivity jednotlivých uživatelů. Svým výstupem je přepínač báze znalostí propojen s prvním modulem rozpoznávání vzorů.The brain-machine interface with automatic user identification consists of an EEG device for sensing human brain activity equipped with an electrode array, a first module for parameterization and preprocessing of the EEG signal, a first module for pattern recognition of mental activities designed to operate the device using an EEG signal coupled to a knowledge base for mental activity recognition and an action member for the implementation of the action. The essence of the new solution is that a second module of EEG signal parameterization and preprocessing is connected to the EEG device for sensing human brain activity. This second EEG signal parameterization and preprocessing module consists of a multiplexer for modulating the signal with a complex exponential that is connected through a low pass decimation block and a sample skip circuit with a segmentation block. The segmentation block output is linked to the autocorrelation analysis block input. A second user recognition module is connected to this second EEG signal parameterization and preprocessing module. The second user recognition module consists of a set of blocks of Mahalanobis distance calculation, whose comparative inputs are connected to the outputs of a set of knowledge bases for recognizing the mental activity of individual users and whose outputs are connected to the minimum distance determination block. The number of bases in the set is given by the number of users of the system, each user is assigned one knowledge base. The output of the minimum distance block is linked to the knowledge base selection module. The knowledge base selection module is formed at the input by a time filtering block, the second input of which can be connected to the EEG output of the human brain activity sensing device indicating a user disconnection from the system and whose output is connected via the user change detection block to the knowledge base switch. The knowledge base switch inputs are coupled to the outputs of the knowledge base set to recognize the mental activity of each user. The output of the knowledge base switch is connected to the first pattern recognition module.

- 1 CZ 304005 B6- 1 GB 304005 B6

V jednom možném propojení je na vstupu druhého modulu předzpracování EEG signálu zařazen povrchový filtr, který může být s výhodou realizován jako laplaceovský filtr s osmi sousedy.In one possible connection, a surface filter is provided at the input of the second EEG signal preprocessing module, which may advantageously be implemented as a eight-neighbor laplace filter.

V jiném provedení je možné zařadit na výstup druhého modulu parametrizace a předzpracování EEG signálu blok výpočtu poloh pólů modelujícího filtru.In another embodiment, it is possible to output to the output of the second parameterization and preprocessing module of the EEG signal a block position calculation modeling filter.

Dolní propustí bloku decimace může být Čebyševův filtr.The low pass of the decimation block may be a Chebyshev filter.

V dalším možném provedení je jako blok segmentace použit blok s technikou klouzajícího okna.In another possible embodiment, a sliding window block is used as the segmentation block.

Blok časové filtrace může být tvořen majoritním dekodérem. Blok časové filtrace může být propojen s EG přístrojem, pokud tento poskytuje výstup indikující odpojení uživatele. Informace o odpojení uživatele pak bude použita ke zpřesnění detekce změny uživatele systému.The time filtering block may be a majority decoder. The time filter block can be connected to the EG device if it provides an output indicating a user disconnect. The user disconnect information will then be used to refine the detection of the system user change.

Takto vytvořený systém rozhraní mozek-stroj je používán jako běžný systém rozhraní mozekstroj rozšířený o automatickou identifikaci uživatele. Výhodou uvedeného řešení je, že zde dochází ke zjednodušení práce s rozhraním, Biometrický systém sám identifikuje osobu pracující se zařízením a zvolí bázi dat, tedy typů a parametrů mentálních aktivit příslušného uživatele, na základě charakteristických parametrů EEG signálu identifikujících uživatele systému. Při změně uživatele, například při výměně hráčů u hry, tedy není třeba explicitně měnit nastavení rozhraní. Oproti ručnímu přihlášení uživatele do systému, což je současné řešení, navrhovaný přístup přináší úsporu času stráveného ručním nastavováním systému a zvýšený komfort obsluhy.The brain-machine interface system thus created is used as a conventional brain-machine interface system enhanced with automatic user identification. The advantage of this solution is that the interface is simplified, the biometric system itself identifies the person working with the device and selects the data base, ie types and parameters of the mental activity of the respective user, based on the characteristic EEG signal parameters identifying the user of the system. Therefore, there is no need to explicitly change interface settings when changing users, such as when exchanging players for a game. Compared to the manual user login to the system, which is the current solution, the proposed approach brings savings of time spent manually adjusting the system and increased user comfort.

Navrhovaná konstrukce rozhraní mozek-stroj dále provádí průběžné rozpoznávání uživatele.Furthermore, the proposed brain-machine interface design provides continuous user recognition.

V případě výměny uživatele rozhraní je tak zaručena okamžitá aktualizace parametrů systému.This ensures that the system parameters are updated immediately when the user is replaced.

Pro identifikaci osoby používá experimentální implementace biometrického systému rozložení frekvencí harmonických složek rytmů EEG signálu na skalpu pokusné osoby. Volba těchto parametrů přináší výhodu v nezávislosti měřící metody na charakteru použitého EEG přístroje a jeho parametrů a současně je značně odolná proti artefaktům v měřeném EEG.To identify a person, the experimental implementation of the biometric system uses the frequency distribution of harmonic components of the rhythms of the EEG signal on the scalp of the experimental person. The choice of these parameters brings the advantage of the independence of the measurement method from the character of the used EEG instrument and its parameters and at the same time it is very resistant to artifacts in the measured EEG.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Příklad provedení navrhovaného rozhraní mozek-stroj je dokumentován na přiložených výkresech. Na obr. 1 je uveden současný stav techniky. Obr. 2 znázorňuje blokové schéma nového řešení. Na obr. 3 je naznačeno detailní schéma bloku parametrizace a předzpracování EEG signálu. Obr. 4 znázorňuje blokové schéma vytvoření bloku rozpoznávání uživatele a na obr. 5 je uveden blok přepínače báze znalostí.An exemplary embodiment of the proposed brain-machine interface is documented in the accompanying drawings. Figure 1 shows the state of the art. Giant. 2 shows a block diagram of a new solution. Fig. 3 shows a detailed diagram of the parameterization block and EEG signal preprocessing. Giant. 4 shows a block diagram of a user recognition block creation, and FIG. 5 shows a knowledge base switch block.

Příklady uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Současná podoba rozhraní mozek-stroj je zachycena na obrázku 1. Rozhraní se skládá ze standardního EEG přístroje 1 pro snímání lidské mozkové aktivity uživatele systému, který je znázorněný v obrázku hlavičkou, prostřednictvím pole elektrod. Nasnímané potenciály jsou dále předávány do řídicího systému, kterým je například osobní počítač, implementující první modul 2 parametrizace a předzpracování EEG signálu, který je přes první modul 3 rozpoznávání vzorů mentálních aktivit určených k ovládání zařízení v EEG signálu propojen jednak s bází 5 znalostí pro rozpoznávání mentální aktivity a jednak s akčním členem 4 pro provádění příslušné akce, který dále poskytuje zpětnou vazbu pro uživatele systému. V prvním modulu 2 parametrizace a předzpracování EEG signálu se zpracovávají nasnímané EEG signály a provádějí se nezbytné úpravy před jeho dalším použitím, jako je výpočet povrchového filtru, parametrizace, detekce artefaktů, apod. Vstupem tohoto bloku je snímaný EEG signál a výstupem je parametrizovaný EEG signál pro rozpoznávání mentálních aktivit. První modul 3 rozpoznávání vzorů mentálních . 9 .The current form of brain-machine interface is shown in Figure 1. The interface consists of a standard EEG apparatus 1 for sensing the human brain activity of the system user, shown in the header, through an electrode array. The sensed potentials are then passed to a control system, such as a personal computer, implementing the first EEG signal parameterization and preprocessing module 2, which is connected to the knowledge recognition base 5 via the first pattern recognition module 3 for controlling the devices in the EEG signal. mental activity and, secondly, an actuator 4 for carrying out the respective action, which further provides feedback to system users. In the first module 2 of parameterization and pre-processing of the EEG signal, the scanned EEG signals are processed and necessary adjustments are made before its further use, such as surface filter calculation, parameterization, artifact detection, etc. for recognizing mental activities. First Mental Pattern Recognition Module 3. 9.

aktivit určených k ovládání zařízení pomocí EEG signálu předává informaci o rozpoznaných vzorech do akčního členu 4. Rozpoznávání je prováděno na základě informací z báze 5 znalostí, která obsahuje typy mozkové aktivity uživatele systému použité pro ovládání BCI rozhraní ajejich charakteristické parametry. Akční člen 4 na základě rozpoznaných typů mozkové aktivity pokusné osoby provádí příslušnou akci, například pohyb kurzoru na obrazovce počítače.The recognition is performed on the basis of information from the knowledge base 5, which includes the types of brain activity of the user of the system used to control the BCI interface and their characteristic parameters. The actuator 4 performs an appropriate action, such as moving the cursor on the computer screen, based on the detected brain activity types of the test person.

Navrhované úpravy potom lze nalézt na obrázku 2. Proti předchozímu obrázku je zde přidán biometrický systém, který je připojen k EEG přístroji I pro snímání lidské mozkové aktivity. Tento přidaný systém je na svém vstupu tvořen druhým modulem 6 parametrizace a předzpracování EEG signálu. Tento modul zpracovává snímané EEG signály a provádí předzpracování a extrakci parametrů pro rozpoznávání osoby a může mít některé společné bloky s prvním modulem 2 parametrizace a předzpracování EEG signálu, pokud vlastní provedení systému rozhraní mozek-stroj už některé ze zde popsaných bloků používá. Konkrétní provedení druhého modulu parametrizace bude popsáno níže, viz obr. 3. Extrahované parametry jsou dále předávány do druhého modulu 2 rozpoznávání uživatele, jehož bližší provedení bude popsáno dále pomocí obr. 4. Druhý modul 7 rozpoznávání uživatele, provádí rozpoznávání uživatele na základě parametrů EEG signálu. Zde je na základě vypočtených parametrů EEG signálu určena nejpravděpodobnější identita pokusné osoby a tato předána dále do modulu 8 volby báze znalostí. Tento modul 8 volby báze znalostí na základě identity pokusné osoby zvolí jednu z připravených bází znalostí v množině 9 bází znalostí pro rozpoznávání mentální aktivity jednotlivých uživatelů, které nahrazují původní jednu bázi znalostí 5 pro rozpoznávací algoritmus v prvním modulu 3 rozpoznávání vzorů mentálních aktivit v EEG signálu vlastního rozhraní mozek-stroj.Proposed adjustments can then be found in Figure 2. Against the previous figure, a biometric system is added which is connected to the EEG apparatus I for sensing human brain activity. This added system is formed by the second module 6 of EEG signal parameterization and preprocessing. This module processes the sensed EEG signals and performs preprocessing and extraction of the person recognition parameters and may have some common blocks with the first EEG signal parameterization and preprocessing module 2 if the actual brain-machine interface system already uses some of the blocks described herein. A specific embodiment of the second parameterization module will be described below, see Fig. 3. The extracted parameters are further passed to the second user recognition module 2, the detailed implementation of which will be described further below with reference to Fig. 4. The second user recognition module 7 performs user recognition based on EEG parameters signal. Here, based on the calculated EEG signal parameters, the most likely identity of the test person is determined and passed on to the knowledge base selection module 8. This knowledge base selection module 8 based on the identity of the experimenter selects one of the prepared knowledge bases in a set of 9 knowledge bases for recognizing the mental activity of individual users, replacing the original one knowledge base 5 for the recognition algorithm in the first module of pattern recognition of mental activity in the EEG signal brain-machine interface.

Druhý modul 6 parametrizace a předzpracování EEG signálu, obr. 3, sestává z násobičky JJ. pro modulování signálu komplexní exponenciálou, která je propojená přes blok 12 decimace tvořený dolní propustí, například Čebyševovým filtrem, následovanou obvodem pro vynechání vzorků s blokem 13 segmentace. Výstup bloku 13 segmentace je propojen se vstupem bloku 14 autokorelační analýzy. V uváděném příkladě je ještě na vstupu předřazen povrchový filtr 10, například laplaceovský filtr s osmi sousedy. Na výstup druhého modulu 6 parametrizace a předzpracování EEG signálu je v daném příkladě připojen blok 15 výpočtu polohy pólů modelujícího filtru.The second EEG signal parameterization and preprocessing module 6, FIG. 3, consists of a multiplier 11. for modulating the signal with a complex exponential which is connected through a low pass decimation block 12, for example a Chebyshev filter, followed by a sample skip circuit with a segmentation block 13. The output of the segmentation block 13 is coupled to the input of the autocorrelation analysis block 14. In the present example, a surface filter 10, for example a eight-neighbor Lplace filter, is upstream of the inlet. At the output of the second EEG signal parameterization and preprocessing module 6, in the example, the pole position calculation block 15 of the modeling filter is connected.

Druhý modul 7 rozpoznávání uživatele, obr. 4, je tvořen souborem bloků 16 výpočtu Mahalanobisovy vzdálenosti, na jejichž porovnávací vstupy jsou připojeny výstupy bází znalostí z množiny 9 bází znalostí pro rozpoznávání mentální aktivity jednotlivých uživatelů. Jejich výstupy jsou propojeny s blokem 17 určení minimální vzdálenosti, jehož výstup je propojen s modulem 8 volby báze znalostí. Tento modul 8 volby báze znalostí, obr. 5, je tvořen na vstupu blokem 18 časové filtrace, tvořeném například majoritním dekodérem, jehož druhý vstup může být spojen s výstupem EEG přístroje 1 pro snímání lidské mozkové aktivity. Výstup bloku 18 časové filtrace je propojen přes blok 19 detekce změny uživatele s přepínačem 20 báze znalostí propojeným svými vstupy s výstupy množiny 9 bází znalostí pro rozpoznávání mentální aktivity jednotlivých uživatelů a svým výstupem je propojen s prvním modulem 3 rozpoznávání vzorů.The second user recognition module 7, Fig. 4, consists of a set of blocks 16 for calculating the Mahalanobis distance, to whose comparative inputs the knowledge base outputs from the set of 9 knowledge base sets are connected for recognizing the mental activity of individual users. Their outputs are coupled to the minimum distance block 17 whose output is coupled to the knowledge base selection module 8. This knowledge base selection module 8, FIG. 5, is formed at the input by a time filtering block 18, for example formed by a major decoder, the second input of which may be connected to the EEG output of the human brain activity sensing device 1. The output of the time filtering block 18 is coupled via the user change detection block 19 to the knowledge base switch 20 interconnected by its inputs to the outputs of the knowledge base set 9 for recognizing the mental activity of individual users and its output coupled to the first pattern recognition module 3.

Předzpracování EEG signálu se skládá ze dvou kroků, a to z povrchové filtrace povrchovým filtrem JO a z parametrizace EEG signálu.EEG signal preprocessing consists of two steps: surface filtration by surface filter JO and parameterization of the EEG signal.

Snímaný EEG signál X2ÍJ,n] na elektrodě j,j=l...E, kde £ je počet elektrod, v časovém okamžiku nT & Tje perioda vzorkování EEG signálu, je filtrován pomocí povrchového filtru JO. Tento krok nicméně není nezbytný a lze ho vynechat. Výsledné filtrované EEG xpfj,n] je předáno do násobičky 11 pro modulování signálu komplexní exponenciálou.The sensed EEG signal X2J1, n1 at the electrode j, j = 1 ... E, where? Is the number of electrodes, at the time nT & T is the sampling period of the EEG signal, is filtered by a surface filter JO. However, this step is not necessary and can be omitted. The resulting filtered EEG x [beta ], n] is passed to multiplier 11 to modulate the signal by the complex exponential.

Aby bylo dosaženo maximální odolnosti rozpoznávání proti rušení, tedy proti technickým a biologickým artefaktům, a současně co největší míry nezávislosti kvality rozpoznávání na aktuálním nastavení EEG přístroje I pro snímání lidské mozkové aktivity, je pro parametrizace EEG signálu použita technika autoregresivního modelování s využitím frekvenční lupy, tak zvaná Frequency-Zooming AR modelling FZAR. FZAR analýza umožňuje analyzovat parametry EEGIn order to maximize the immunity of the recognition to interference, ie to technical and biological artifacts, and at the same time to maximize the independence of the recognition quality from the actual EEG settings for human brain activity sensing, frequency-magnifying autoregressive modeling is used to parameterize the EEG signal. so-called Frequency-Zooming AR modeling FZAR. FZAR analysis allows to analyze EEG parameters

-3 CZ 304005 B6 signálu jen ve vybraném úzkém frekvenčním pásmu. Tento přístup není pro zpracování EEG signálu běžně používán, původně byl vypracován pro analýzu zvukových signálů, proto následuje popis jednotlivých kroků použitých v experimentální implementaci biometrického systému.Only in the selected narrow frequency band. This approach is not commonly used for EEG signal processing, it was originally developed for the analysis of audio signals, therefore the description of the individual steps used in the experimental implementation of the biometric system follows.

Parametrizace EEG signálu je pak provedena v následujících krocích. První z nich je modulace. EEG signál je modulován tak, aby jeho spektrum bylo centrováno kolem středu frekvenčního pásma, které bude analyzováno. Modulace je provedena násobením komplexní exponenciálou pomocí násobičky 11. Modulované EEG se získá podle vztahu xm[j,n] = eiQnxpf[j,n\, kde Q=2xnxfsxT (Ω je úhlová frekvence odpovídající střední frekvenci fs analyzovaného pásma),/je střední frekvence analyzovaného pásma.Parameterisation of the EEG signal is then performed in the following steps. The first is modulation. The EEG signal is modulated so that its spectrum is centered around the center of the frequency band to be analyzed. Modulation is performed by multiplying the complex exponential by the multiplier 11. The modulated EEG is obtained by the relation x m [j, n] = e iQn x pf [j, n \, where Q = 2xnxf with xT (Ω is the angular frequency corresponding to /) is the mean frequency of the analyzed band.

Dalším krokem je decimace. EEG signál xm[j,n] je decimován s decimačním faktorem D<Bs-x.T, kde B, je šířka analyzovaného pásma; výsledkem je decimovaný signál xffn] s novou vzorkovací periodou Tj=DxT.The next step is decimation. The EEG signal x m [j, n] is decimated with a decimation factor D <B with -xT, where B 1 is the bandwidth to be analyzed; the result is a decimated signal xffn] with a new sampling period Tj = DxT.

Následuje segmentace. EEG signál je segmentován pomocí techniky klouzajícího okna o délce Ns vzorků posouvané s krokem TV*· Výsledkem segmentace jsou segmenty EEG s[j,n] z EEG z elektrody j, pro časový okamžik nxNkxT.Segmentation follows. The EEG signal is segmented using a sliding window technique of length N with samples shifted with the TV step. * The segmentation results in EEG segments s [j, n] of the EEG from the electrode j, for a time point nxN to xT.

Poté dochází k aplikaci autokorelační analýzy. Pomocí standardní autokorelační analýzy jsou určeny AR koeficienty modelujícího filtru decimovaného signálu. V experimentálním systému byl řád modelujícího filtru zvolen p=l. Výstupem tohoto kroku jsou vektory parametrů signálu f[j,n] vypočtené pro elektrodu j, a segment signálu s[j,n]·, každý vektor obsahuje p hodnot.Autocorrelation analysis is then applied. Using standard autocorrelation analysis, AR coefficients of modeling filter of decimated signal are determined. In the experimental system the order of the modeling filter was chosen p = 1. The output of this step is the signal parameter vectors f [j, n] calculated for the electrode j, and the signal segment s [j, n] ·, each vector containing p values.

Nakonec dochází k určení polohy pólů. Volitelně lze vypočítat polohy pólů modelujícího filtru na základě koeficientů, tedy vektorů parametrů) f[j,n]. Tento krok lze vynechat, jeho použití ale zvyšuje úspěšnost klasifikace při použití malého řádu filtru p.Finally, the position of the poles is determined. Optionally, the pole positions of the modeling filter can be calculated based on the coefficients, i.e., the parameter vectors) f [j, n]. This step can be omitted, but its use increases the success of the classification using a small filter order p.

Druhý modul 7 rozpoznávání uživatele analyzuje vypočtené vektory parametrů f[j,n] a na jejich základě rozhoduje o identitě uživatele systému. Experimentální systém používá pro identifikaci osob klasifikátor postavený na regularizované Mahalanobisově vzdálenosti; popis postupu následuje, viz také obrázek 4.The second user recognition module 7 analyzes the calculated vectors of the parameters f [j, n] and determines the user's identity of the system. The experimental system uses a classifier based on regularized Mahalanobis distance to identify people; a description of the procedure follows, see also Figure 4.

Nechť f[o] je Exp prvkový vektor odhadu střední hodnoty parametrů f[j,n] pokusné osoby o aS[o] je podobně odhad kovarianční matice těchto parametrů (matice je o rozměrech (Exp)x(Exp) prvků); obě veličiny jsou uloženy v bázi znalostí systému příslušející osobě o. Pokusná osoba je potom rozpoznána podle následujícího postupu.Let f [o] be the Exp vector of the mean of the parameters f [j, n] of the test person o aS [o] is similarly the estimate of the covariance matrix of these parameters (the matrix is of the dimensions (Exp) x (Exp) of the elements); both variables are stored in the knowledge base of the system pertaining to the person o. The test person is then recognized according to the following procedure.

Nejprve se provede výpočet vzdálenosti pro každou osobu, pro kterou v systému existuje báze znalostí. Bude vypočtena vzdálenost M[fo] mezi vypočteným vektorem parametrů f[j,n] a odhadem střední hodnoty parametrů f[o] příslušné osoby, index osoby o=E..O, kde Oje celkový počet uživatelů pracujících s BCI systémem. Nalezne se minimální vzdálenost. To znamená, že mezi vypočtenými hodnotami M[fo] pro všechny osoby je nalezena minimální M[fomm] a příslušná osoba je identifikována jako osoba omin.First, the distance is calculated for each person for whom there is a knowledge base in the system. The distance M [fo] between the calculated vector of parameters f [j, n] and the mean value of the parameters f [o] of the person concerned, the index of the person o = E..O, where O is the total number of users working with the BCI system, will be calculated. The minimum distance is found. This means that between the calculated values of M [fo] for all persons, a minimum M [fo mm ] is found and the person is identified as a person of min .

V modulu 8 volby báze znalostí pak dochází k těmto krokům. Blok 18 časové filtrace umožňuje úmyslně ignorovat změnu uživatele systému, pokud nebude indikována po dostatečně dlouhou dobu, aby byl omezen vliv nahodilé nesprávné detekce identity uživatele druhým modulem 7 rozpoznávání uživatele. Blok 18 časové filtrace sleduje identifikovaného uživatele a v případě změny aktivuje přes blok 19 detekce změny uživatele přepnutí vstupu modulu 3 rozpoznávání mentálních aktivit k odpovídající bázi znalostí z množiny 9 báze znalostí přepínačem 20 bází ,1 znalostí. Přepínač 20 bází znalostí automaticky volí jednu/více z bází znalostí z množiny 9 bází znalostí na základě znalosti o identitě pokusné osoby a případně zajistí uvědomění vlastního BCI systému, je-li potřeba rozpoznávací proces či další podpůrné procesy „restartovat“ v důsledku změny uživatele.In the Knowledge Base Selection Module 8, these steps then take place. The time filtering block 18 deliberately ignores the change of the system user unless indicated for a sufficient period of time to limit the effect of accidental misidentification of the user identity by the second user recognition module 7. The time filtering block 18 monitors the identified user and, in the event of a change, activates, via the user change detection block 19, switching the input of the mental activity recognition module 3 to the corresponding knowledge base from the knowledge base set 9 by the knowledge base switch 20. The knowledge base switch 20 automatically selects one or more of the knowledge base from a set of 9 knowledge base based on the person &apos; s identity and eventually provides awareness of the BCI system itself when the recognition process or other support processes need to be restarted.

Následuje popis výhodných implementací jednotlivých bloků zařízení.The following is a description of advantageous implementations of individual device blocks.

Povrchová filtrace povrchovým filtrem 10 může být implementována pomocí techniky výpočtu společné reference, jako diskrétní laplaceovský filtr, splíne laplaceovský filtr apod. Experimentální systém použil laplaceovský filtr s osmi sousedy.Surface filtration with surface filter 10 can be implemented using a common reference calculation technique such as a discrete laplace filter, splines a laplace filter, and the like. The experimental system used a laplace filter with eight neighbors.

Při modulaci násobičkou H, v experimentálním systému bylo počítáno s parametry μ pásma - 8 až 13 Hz - tedy fs=10.5Hz·, a byla definována šířka analyzovaného pásma jako Bs=5Hz. Po decimaci byl jako dolní propust v decimátoru byl použit Čebyševův filtr. Při segmentaci experimentální systém využil Ns=15 sec/T a krok Nk=Nf4. Při aplikaci autokorelační analýzy byl v experimentálním systému řád modelujícího filtru zvolen p=l. Nejprve byly určeny autokorelační koeficienty zpracovávaného signálu = £[s[y, «My,«+dL τ = °···Ρ.In modulation by multiplier H, in the experimental system was calculated with parameters μ band - 8 to 13 Hz - hence f s = 10.5Hz ·, and was defined bandwidth as B s = 5Hz. After decimation, a Chebyshev filter was used as the low pass filter in the decimator. During the segmentation the experimental system used N s = 15 sec / T and step Nk = Nf4. When applying autocorrelation analysis, the order of the modeling filter was chosen p = 1 in the experimental system. First, the autocorrelation coefficients of the processed signal were determined = [[s [y, My My, + + dL τ = ° ··· Ρ.

a posléze vypočteny AR koeficienty f[j,n] řešením Yule-Walkerových rovnicand then the AR coefficients f [j, n] were calculated by solving the Yule-Walker equations

*#[0]* # [0] *#[θ] ·* # [θ] · • T?#[p-2]• T? # [p-2] ’ /0[y.«] 1'/ 0 [y *#[2] * # [2] Z[y.«] Z [y. «] = = • Λ#[0] .• Λ # [0]. fp-x[j,n] fp-x

Možná jsou i jiná řešení, například Levinson-Durbinova rekurze a podobně.Other solutions are possible, such as Levinson-Durbin recursion and the like.

Časová filtrace může být realizována například majoritním dekodérem - uživatele identifikuje jako nejčastěji se vyskytující osobu v posledních L časových okamžicích.Time filtering can be implemented, for example, by a majority decoder - it identifies the user as the most frequent person in the last L time points.

Je-li vhodné určit polohu pólů filtru, přepíše se nejprve vektor parametrů f[j,n] do podoby polynomiální funkce //(z) = 1 + f0\j, n]z~' + / [/, n]z“2 + /2 [/, «]ζ’3 + [/', n}z~p a vypočtou se její kořeny. Vypočtené kořeny budou posléze použity jako parametry f[j,n] v dalším zpracování.If it is convenient to determine the position of the filter poles, the parameter vector f [j, n] is first rewritten to form a polynomial function // (z) = 1 + f 0 \ j, n] z ~ '+ / [/, n] z “ 2 + / 2 [/,«] ζ ' 3 + [/', n} z ~ p and its roots are calculated. The calculated roots will then be used as parameters f [j, n] for further processing.

Při výpočtu vzdálenosti experimentální systém pracuje s regularizovanou Mahalanobisovou vzdáleností, soubor bloků 16 výpočtu Mahalanobisovy vzdálenosti v obrázku 4 = (/ - /[o])((l - 4)(S[o] + εΕΥ' + AE)(/ - f[o\)T kde λ je regularizační koeficient který řídí poměr mezi hypersférickou a hypereliptickou složkou vzdálenosti a ε stabilizuje klasifikační proces v případě, že matice S[o] má determinant blízký nule, index osoby o=l...O, kde Oje celkový počet uživatelů pracujících s BCI systémem.In calculating the distance, the experimental system works with a regularized Mahalanobis distance, a set of blocks 16 calculating the Mahalanobis distance in Figure 4 = (/ - / [o]) ((l - 4) (S [o] + εΕΥ '+ AE) (/ - f [o \) T where λ is a regularization coefficient which controls the ratio between the hyperspheric and hypereliptic components of the distance and ε stabilizes the classification process if the matrix S [o] has a determinant close to zero, the person's index o = l ... O, where O is Total number of users working with BCI system.

-5CZ 304005 B6-5GB 304005 B6

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

V současné době jsou předvídány následující aplikace. Navrhované řešení lze využít všude tam, kde se využívá rozhraní mozek-stroj například pro účely zábavy (počítačové hry) a další a zařízení je používáno více uživateli. V těchto aplikacích navrhovaná úprava zvýší komfort obsluhy. Navržený systém lze dále integrovat s operačním systémem a doplnit ho tak o další úroveň autentizace - běžně používaná autentizace heslem může být rozšířena o autentizaci pomocí charakteristické mozkové aktivity.The following applications are currently foreseen. The proposed solution can be used wherever the brain-machine interface is used for eg entertainment (computer games) and others and the device is used by multiple users. In these applications, the proposed modification will increase operator comfort. The proposed system can be further integrated with the operating system to complement it with another level of authentication - the commonly used password authentication can be extended with authentication using characteristic brain activity.

Claims (5)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 1. Rozhraní mozek-stroj s automatickou identifikací uživatele, tvořené EEG přístrojem (1) pro snímání lidské mozkové aktivity, opatřeným polem elektrod, prvním modulem (2) parametrizace a předzpracování EEG signálu, prvním modulem (3) rozpoznávání vzorů mentálních aktivit určených k ovládání zařízení pomocí EEG signálu, propojeným s bází (5) znalostí pro rozpoznávání mentální aktivity a sakčním členem (4) pro provádění příslušné akce, vyznačující se tím, že k EEG přístroji (1) pro snímání lidské mozkové aktivity je připojen druhý modul (6) parametrizace a předzpracování EEG signálu sestávající z násobičky (11) pro modulování signálu komplexní exponenciálou, která je propojená přes blok (12) decimace tvořený dolní propustí následovanou obvodem pro vynechání vzorků s blokem (13) segmentace, jehož výstup je propojen se vstupem bloku (14) autokorelační analýzy, k tomuto druhému modulu (6) parametrizace a předzpracování EEG signálu je připojen svým vstupem druhý modul (7) rozpoznávání uživatele, kterýje tvořen souborem bloků (16) výpočtu Mahalanobisovy vzdálenosti, na jejichž porovnávací vstupy jsou připojeny výstupy bází znalostí z množiny (9) bází znalostí pro rozpoznávání mentální aktivity jednotlivých uživatelů, kde počet bází v množině je dán počtem uživatelů systémů a jejich výstupy jsou propojeny s blokem (17) určení minimální vzdálenosti, jehož výstup je propojen s modulem (8) volby báze znalostí, kterýje tvořen na vstupu blokem (18) časové filtrace, jehož výstup je propojen přes blok (19) detekce změny uživatele s přepínačem (20) báze znalostí propojeným svými vstupy s výstupy bází znalostí z množiny (9) bází znalostí pro rozpoznávání mentální aktivity jednotlivých uživatelů a svým výstupem je propojen s prvním modulem (3) rozpoznávání vzorů.A brain-machine interface with an automatic user identification, comprising an EEG device (1) for sensing human brain activity, provided with an electrode array, a first module (2) for EEG signal parameterization and preprocessing, a first module (3) for pattern recognition of mental activities to be controlled a device by means of an EEG signal coupled to a knowledge base (5) for recognizing mental activity and a sake member (4) for performing the respective action, characterized in that a second module (6) is connected to the human brain activity sensing device (1) parameterizing and preprocessing the EEG signal consisting of a multiplexer (11) for modulating the signal with a complex exponential which is coupled through a low pass decimation block (12) followed by a sample skip circuit with a segmentation block (13) whose output is coupled to the block input (14) autocorrelation analysis, to this second module (6) pa Rametrization and pre-processing of the EEG signal is connected by its input to the second user recognition module (7), which consists of a set of blocks (16) of calculation of Mahalanobis distance, on whose comparative inputs the knowledge base outputs from the set (9) wherein the number of bases in the set is given by the number of system users and their outputs are coupled to a minimum distance block (17) whose output is coupled to a knowledge base selection module (8) formed at the input by a time filtering block (18) the output is connected via a user change detection block (19) to a knowledge base switch (20) interconnected by its inputs with the knowledge base outputs from a set of (9) knowledge base for recognizing the mental activity of individual users and its output coupled to the first recognition module (3) of patterns. 2. Rozhraní mozek-stroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že na vstupu druhého modulu (6) předzpracování EEG signálu je zařazen povrchový filtr (10).Brain-machine interface according to claim 1, characterized in that a surface filter (10) is provided at the input of the second EEG preprocessing module (6). 3. Rozhraní mozek-stroj podle nároku 2, vyznačující se tím, že povrchový filtr (10) je laplaceovský filtr s osmi sousedy.Brain-machine interface according to claim 2, characterized in that the surface filter (10) is a eight-neighbor Lplace filter. 4. Rozhraní mozek-stroj podle některého z nároků 1 až 3, vy značuj ící se tím, žena výstupu druhého modulu (6) parametrizace a předzpracování EEG signálu je zařazen blok (15) výpočtu poloh pólů modelujícího filtru.Brain-machine interface according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the output of the second module (6) of the parameterization and preprocessing of the EEG signal is assigned a pole (15) for calculating the positions of the modeling filter. 5. Rozhraní mozek-stroj podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že dolní propustí bloku (12) decimace je Cebyševův filtr.Brain-machine interface according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the low pass filter of the decimation block (12) is a Cebyshev filter. 6. Rozhraní mozek-stroj podle některého z nároků laž5, vyznačující se tím, že blok (13) segmentace je blok s technikou klouzajícího okna.Brain-machine interface according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the segmentation block (13) is a sliding window technique. 7. Rozhraní mozek-stroj podle některého z nároků laž6, vyznačující se tím, že blok (18) časové filtrace je tvořen majoritním dekodérem.Brain-machine interface according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the time filtration block (18) is constituted by a major decoder. -fiCZ 304005 B6-fiEN 304005 B6 8. Rozhraní mozek-stroj podle některého z nároků laž7, vyznačující se tím, že blok (18) časové filtrace má další vstup, který je spojen s výstupem EEG přístroje (1) pro snímání lidské mozkové aktivity indikujícím odpojení uživatele od systému.Brain-machine interface according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the time filtering block (18) has an additional input which is connected to the EEG output of the human brain activity sensing device (1) indicating a user disconnection from the system. 5 9. Rozhraní mozek-stroj podle některého z nároků laž8, vyznačující se tím, žeThe brain-machine interface of any one of claims 1 to 8, wherein: EEG přístroj (1) pro snímání lidské mozkové aktivity je opatřen výstupem pro indikaci odpojení uživatele a s tímto výstupem je propojen blok (18) časové filtrace.The EEG apparatus (1) for sensing human brain activity is provided with an output for indicating a user's disconnection and a time filtering block (18) is connected to this output.
CZ20090411A 2009-06-26 2009-06-26 Brain-machine interface with automatic identification of user CZ304005B6 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20090411A CZ304005B6 (en) 2009-06-26 2009-06-26 Brain-machine interface with automatic identification of user

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20090411A CZ304005B6 (en) 2009-06-26 2009-06-26 Brain-machine interface with automatic identification of user

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2009411A3 CZ2009411A3 (en) 2011-01-19
CZ304005B6 true CZ304005B6 (en) 2013-08-14

Family

ID=43447200

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ20090411A CZ304005B6 (en) 2009-06-26 2009-06-26 Brain-machine interface with automatic identification of user

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ304005B6 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110321691B (en) * 2019-07-30 2022-03-11 东南大学 User authentication device and method suitable for brain-computer interface

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030199781A1 (en) * 2002-04-22 2003-10-23 Fuji Xerox Co., Ltd. Automatic electroencephalogram analysis apparatus and method
US20040077966A1 (en) * 2002-10-17 2004-04-22 Fuji Xerox Co., Ltd. Electroencephalogram diagnosis apparatus and method
US20050085744A1 (en) * 2003-10-20 2005-04-21 Stmicroelectronics S.R.I. Man-machine interfaces system and method, for instance applications in the area of rehabilitation

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030199781A1 (en) * 2002-04-22 2003-10-23 Fuji Xerox Co., Ltd. Automatic electroencephalogram analysis apparatus and method
US20040077966A1 (en) * 2002-10-17 2004-04-22 Fuji Xerox Co., Ltd. Electroencephalogram diagnosis apparatus and method
US20050085744A1 (en) * 2003-10-20 2005-04-21 Stmicroelectronics S.R.I. Man-machine interfaces system and method, for instance applications in the area of rehabilitation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ou Bai, et al.: Exploration of computational methods for classification of movement intention during human voluntary movement from single trial EEG, Clinical Neurophysiology, Vol. 118, Nr. 12, December 2007, Pages 2637-2655 *

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2009411A3 (en) 2011-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ko et al. Multi-scale neural network for EEG representation learning in BCI
KR101314570B1 (en) Brain-Machine Interface(BMI) Devices and Methods For Precise Control
CN111067517B (en) Motor imagery response capability screening method based on resting state electroencephalogram characteristics
CZ304005B6 (en) Brain-machine interface with automatic identification of user
CN105816166A (en) Bio-electricity signal regulating and fusing method, device and system
Fan et al. Joint filter-band-combination and multi-view CNN for electroencephalogram decoding
KR102267741B1 (en) Deep learning based emotional recognition system and methods using PPG signals
KR101577994B1 (en) Movement artifact removing method for removing movement artifact from brainwave
Shoker et al. Removal of eye blinking artifacts from EEG incorporating a new constrained BSS algorithm
Adam et al. Evaluation of different time domain peak models using extreme learning machine-based peak detection for EEG signal
CZ19972U1 (en) Brain-machine interface with automatic identification of user
CN108319367B (en) Brain-computer interface method based on motion initiation evoked potential
Guo et al. NAO robot limb control method based on motor imagery EEG
Goni et al. Predictive modeling on MEG signal to classify hand and wrist movement using UNEQ and KNN
Kubacki et al. Detection of artefacts from the motion of the eyelids created during EEG research using artificial neural network
Zhou et al. A coarse/fine dual-stage motion artifacts removal algorithm for wearable NIRS systems
Azhar et al. The classification of Electrooculogram (EOG) through the application of Linear discriminant analysis (LDA) of selected time-domain signals
Zhang et al. Linear dynamical systems modeling for EEG-based motor imagery brain-computer interface
Radzinski et al. Deep learning approach on surface EEG based Brain Computer Interface
Raj et al. Analysis of Brain Wave Due to Stimulus Using EEG
Vélez et al. Algorithm for Detection of Raising Eyebrows and Jaw Clenching Artifacts in EEG Signals Using Neurosky Mindwave Headset
Cannard et al. An open-source EEGLAB plugin for computing entropy-based measures on MEEG signals
Meza et al. System Development for Automatic Control Using BCI
Touati et al. On the brain activity misclassification: SSVEP-based analysis
Yu et al. Discriminative power feature selection method for motor imagery EEG classification in brain computer interface systems

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20160626