一種多頻率時序組合的穩態視覺誘發電位腦-機接口方法

2023-09-22 11:47:05 3

專利名稱：一種多頻率時序組合的穩態視覺誘發電位腦-機接口方法
技術領域：
本發明涉及神經工程技術領域，具體涉及一種多頻率時序組合的穩態視覺誘發電 位腦-機接口方法。
背景技術：
腦-機接口是人腦-計算機接口的簡稱，它是指一種不依賴於腦的正常輸出通路 而使人類大腦直接與計算機進行通信的技術，腦-機接口通過實時分析人腦的腦電信號， 在一定程度上解讀人的思維，並將其翻譯成控制指令，實現對外部設備的控制，可用於思維 正常但神經肌肉系統癱瘓的殘障人士，實現大腦與外部設備的直接交流，如用意識控制智 能輪椅的行進；也可以用於正常人不便於進行肢體控制的場合，如太空人的意念控制太空 行走等，腦-機接口是神經科學和工程技術學科交叉的一項新興技術，也是近年來國內外 眾多學者和研究機構關注的熱點之一。穩態視覺誘發電位是從頭皮記錄到的、大腦神經系統接受外界周期性視覺刺激所 產生的一種外源性電生理活動，當視覺呈現目標以固定的6 30Hz的刺激頻率閃爍或運動 時，多次刺激誘發的大腦響應的波形相互疊加，在大腦視覺皮層產生節律性正弦樣波，形成 穩態視覺誘發電位，穩態視覺誘發電位在腦電信號中又稱為光碟機動效應，可以通過提取頭 部枕區的腦電信號中包含的穩態視覺誘發電位來辨識外界特定的刺激頻率以實現對腦意 識的解讀。基於穩態視覺誘發電位的腦_機接口相對於其他類型的腦_機接口而言，具有操 作簡單，信息傳輸率高，無需訓練及所有受試者均可誘發較強信號的特點，因而成為所有 腦-機接口中最具實用意義的類型，在傳統的基於穩態視覺誘發電位的腦-機接口應用中， 通常採用計算機屏幕作為刺激源，以便刺激呈現、信號分析與目標反饋等同步進行，且刺激 頻率與呈現目標呈一一對應關係，由於受到屏幕固有垂直刷新率的影響，所能採用的最高 刺激頻率只能達到屏幕刷新率的一半，另外計算機系統本身的實時性及單個刺激周期內顯 示幀數的限制，使得刺激頻率之間存在一定的頻率間隔，上述情況導致能夠激發穩態視覺 誘發電位的頻率數少，目標呈現數少，檢測結果不具有特異性，這成為提高信息傳輸率的瓶 頸，如何能通過少的刺激頻率構建多的呈現目標成為一直以來基於穩態視覺誘發電位的 腦-機接口凾待解決的問題。

發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種多頻率時序組合的穩 態視覺誘發電位腦_機接口方法，能夠通過少的刺激頻率構建多的呈現目標，提高腦_機接 口的信息傳輸率，具有目標呈現數多，檢測結果的特異性高的優點。為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是一種多頻率時序組合的穩態視覺誘發電位腦-機接口方法，包括以下步驟第一步，在受試者頭部D的枕區Oz位置安放測量電極A，在受試者頭部D的單側耳
3垂位置安放參考電極B，在受試者頭部D的前額部Fpz位置安放地電極C，測量電極A的輸 出端接入腦電放大器E的第一輸入端E1，參考電極B的輸出端接入腦電放大器E的第二輸 入端E2，地電極C的輸出端接入腦電放大器E的第三輸入端E3，腦電放大器E的輸出端和 計算機F的輸入端相連，計算機F的輸出端和計算機屏幕G連接，第二步，將η個不同的刺激頻率經時序組合形成的ηη個刺激序列串目標呈現於受 試者前方計算機屏幕G中央區域上，η為大於1的整數，受試者頭部D距離計算機屏幕G為 50 100釐米，採用多頻率時序組合方式，由η個刺激頻率形成η個刺激序列，每個刺激序 列對應一種刺激頻率，每個刺激序列的長度為20個刺激周期，對這η個刺激序列按照時序 先後進行排列組合，形成一個刺激序列串，該刺激序列串便包含多個具有時序關係的刺激
頻率，通過η個刺激頻率最多能形成
個不同的刺激序列串，對應於ηη個呈現
目標，在一次目標識別任務中共呈現 ο個刺激序列串，第三步，使用η個刺激頻率形成ηη個視覺呈現目標後，受試者注視待選目標，完成 目標選擇任務，首先受試者注視所述ηη個目標中的任意一個，由測量電極A獲得由該目標 所誘發的腦電模擬信號送入腦電放大器Ε，腦電模擬信號在腦電放大器E中經增益放大、帶 通、陷波濾波和模數轉換後，由腦電放大器E的輸出端送入計算機F的輸入端，按不同頻率 刺激序列所處的時間段對處理後的腦電信號進行分段，將各段腦電信號按照每個刺激序列 開始的時刻對齊并迭加平均，最後使用快速傅立葉變換方法對迭加平均後的各段腦電信號 分別計算幅值譜，得到與刺激頻率同等的頻率成分及其時序排列，計算機F據此辨識出受 試者所注視的目標，第四步，計算機F將辨識出的目標輸入至計算機屏幕G，計算機屏幕G標示出受試 者所注視的目標，實現對受試者的視覺反饋，第五步，計算機F完成目標辨識後，返回第三步，重複第三步至第四步，進行下一 次目標識別任務。由於本發明採用少的刺激頻率構建出了多的呈現目標，實現的目標數隨刺激頻率 的個數呈冪數方式增加，提高了腦-機接口的信息傳輸率，穩態視覺誘發響應的頻率成分 的時序排列特性提高了檢測結果的特異性，故而具有目標呈現數多，檢測結果的特異性高 的優點，可實現思維正常但神經肌肉系統癱瘓的殘障人士與外部設備的交流，也可以用於 正常人不便於進行肢體控制的場合，如太空人的太空行走等。


圖1是本發明所採用的電路連接示意圖。圖2是本發明的刺激序列串時序示意圖。圖3是圖2中包含的每個刺激序列時序示意圖。圖4是受試者注視目標1時的腦電信號波形分段圖及幅值譜圖；其中，圖4(a)是 腦電信號波形分段圖；圖4(b)是其幅值譜圖。圖5是受試者注視目標2時的腦電信號波形分段圖及幅值譜圖；其中，圖5(a)是 腦電信號波形分段圖；圖5(b)是其幅值譜圖。圖6是受試者注視目標3時的腦電信號波形分段圖及幅值譜圖；其中，圖6(a)是腦電信號波形分段圖；圖6(b)是其幅值譜圖。圖7是受試者注視目標4時的腦電信號波形分段圖及幅值譜圖；其中，圖7(a)是 腦電信號波形分段圖；圖7(b)是其幅值譜圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。一種多頻率時序組合的穩態視覺誘發電位腦-機接口方法，包括以下步驟第一步，參照圖1，在受試者頭部D的枕區Oz位置安放測量電極A，在受試者頭部D 的單側耳垂位置安放參考電極B，在受試者頭部D的前額部Fpz位置安放地電極C，測量電 極A的輸出端接入腦電放大器E的第一輸入端E1，參考電極B的輸出端接入腦電放大器E 的第二輸入端E2，地電極C的輸出端接入腦電放大器E的第三輸入端E3，腦電放大器E的 輸出端和計算機F的輸入端相連，計算機F的輸出端和計算機屏幕G連接，第二步，參照圖1和圖2，將η個不同的刺激頻率經時序組合形成的#個刺激序列 串目標呈現於受試者前方計算機屏幕G中央區域上，η為大於1的整數，受試者頭部D距離 計算機屏幕G為50 100釐米，採用多頻率時序組合方式，由η個刺激頻率形成η個刺激 序列，每個刺激序列對應一種刺激頻率，每個刺激序列的長度為20個刺激周期，對這η個刺 激序列按照時序先後進行排列組合，形成一個刺激序列串，該刺激序列串便包含多個具有
時序關係的刺激頻率，通過η個刺激頻率最多能形成
個不同的刺激序列串，對
應於η11個呈現目標，在一次目標識別任務中共呈現10個刺激序列串，第三步，參照圖1、圖2和圖3，使用η個刺激頻率形成ηη個視覺呈現目標後，受試 者注視待選目標，完成目標選擇任務，首先受試者注視所述η11個目標中的任意一個，由測量 電極A獲得由該目標所誘發的腦電模擬信號送入腦電放大器Ε，腦電模擬信號在腦電放大 器E中經增益放大、帶通、陷波濾波和模數轉換後，由腦電放大器E的輸出端送入計算機F 的輸入端，按不同頻率刺激序列所處的時間段對處理後的腦電信號進行分段，將各段腦電 信號按照每個刺激序列開始的時刻對齊并迭加平均，最後使用快速傅立葉變換方法對迭加 平均後的各段腦電信號分別計算幅值譜，得到與刺激頻率同等的頻率成分及其時序排列， 計算機F據此辨識出受試者所注視的目標，第四步，參照圖1，計算機F將辨識出的目標輸入至計算機屏幕G，計算機屏幕G標 示出受試者所注視的目標，實現對受試者的視覺反饋，第五步，計算機F完成目標辨識後，返回第三步，重複第三步至第四步，進行下一 次目標識別任務。下面再結合實施例對本發明詳細說明。一種多頻率時序組合的穩態視覺誘發電位腦-機接口方法，包括以下步驟第一步，在受試者頭部D的枕區Oz位置安放測量電極Α，在受試者頭部D的單側耳 垂位置安放參考電極B，在受試者頭部D的前額部Fpz位置安放地電極C，測量電極A的輸 出端接入腦電放大器E的第一輸入端Ε1，參考電極B的輸出端接入腦電放大器E的第二輸 入端Ε2，地電極C的輸出端接入腦電放大器E的第三輸入端Ε3，腦電放大器E的輸出端和 計算機F的輸入端相連，計算機F的輸出端和計算機屏幕G連接，第二步，將η個不同的刺激頻率經時序組合形成的ηη個刺激序列串目標呈現於受試者前方計算機屏幕G中央區域上，η = 2,受試者頭部D距離計算機屏幕G為50釐米，採 用多頻率時序組合方式，由2個刺激頻率形成2個刺激序列，每個刺激序列對應一種刺激頻 率，每個刺激序列的長度為20個刺激周期，對這2個刺激序列按照時序先後進行排列組合， 形成一個刺激序列串，該刺激序列串便包含多個具有時序關係的刺激頻率，通過2個刺激 頻率最多能形成4個不同的刺激序列串，對應於4個呈現目標，在一次目標識別任務中共呈 現10個刺激序列串，第三步，使用2個刺激頻率形成4個視覺呈現目標後，受試者注視待選目標，完成 目標選擇任務，首先受試者注視所述4個目標中的任意一個，由測量電極A獲得由該目標 所誘發的腦電模擬信號送入腦電放大器Ε，腦電模擬信號在腦電放大器E中經增益放大、帶 通、陷波濾波和模數轉換後，由腦電放大器E的輸出端送入計算機F的輸入端，按不同頻率 刺激序列所處的時間段對處理後的腦電信號進行分段，將各段腦電信號按照每個刺激序列 開始的時刻對齊并迭加平均，最後使用快速傅立葉變換方法對迭加平均後的各段腦電信號 分別計算幅值譜，得到與刺激頻率同等的頻率成分及其時序排列，計算機F據此辨識出受 試者所注視的目標，第四步，計算機F將辨識出的目標輸入至計算機屏幕G，計算機屏幕G標示出受試 者所注視的目標，實現對受試者的視覺反饋，第五步，計算機F完成目標辨識後，返回第三步，重複第三步至第四步，進行下一 次目標識別任務。在這裡兩個刺激頻率為6. 667Hz和8. 333Hz，兩個刺激頻率可以按照多頻率時序 組合的方式形成22 = 4種不同的刺激序列串，對應於4個視覺呈現目標，如表1所示，其中 目標1和目標4分別代表傳統意義上的「單頻率_單目標」穩態視覺誘發方式，採樣率設為 600Hz ο表 1 採用本技術對一名受試者進行了實驗，實驗過程中同步記錄並實時顯示腦電信 號，以便在實驗中檢查受試者狀態，防止受試者產生眨眼、體動等動作，保證腦電信號的數據質量，按照上述第一步對該受試者安放電極，按照上述第三步對該受試者的腦電信號進 行預處理，帶通濾波的高通截止頻率為0. 5Hz，低通截止頻率為30Hz，用於消除腦電信號的 基線漂移及其他噪聲；陷波濾波的陷波頻率選為48 52Hz，用於消除50Hz的市電幹擾；對 預處理後的腦電信號進行分段、迭加平均後，使用快速傅立葉變換方法對迭加平均後的各 段腦電信號計算幅值譜，得到與刺激頻率同等的頻率成分及其時序信息，參見圖4、圖5、圖 6和圖7，依據該信息辨識受試者所注視的目標，圖4、圖5、圖6和圖7為受試者注視目標 1 4時誘發的腦電信號經迭加平均後的時域波形分段圖(4-a、5-a、6-a和7_a)及相應的 幅值譜圖(4-b、5-b、6-b和7-b)，每段時域波形的時間長度等同於相應刺激序列的時間長 度，圖4為受試者注視目標1時的腦電信號波形分段圖及幅值譜圖，從幅值譜圖中可以看出 每段腦電信號都具有最大的6. 667Hz頻率成分，與目標1的頻率時序組合信息相對應；圖5 為受試者注視目標2時的腦電信號波形分段圖及幅值譜圖，從幅值譜圖中可以看出第一段 腦電信號具有最大的6. 667Hz頻率成分，第二段腦電信號具有最大的8. 333Hz頻率成分，與 目標2的頻率時序組合信息相對應；圖6為受試者注視目標3時的腦電信號波形分段圖及 幅值譜圖，從幅值譜圖中可以看出第一段腦電信號具有最大的8. 333Hz頻率成分，第二段 腦電信號具有最大的6. 667Hz頻率成分，與目標3的頻率時序組合信息相對應；圖7為受試 者注視目標4時的腦電信號波形分段圖及幅值譜圖，從幅值譜圖中可以看出每段腦電信號 都具有最大的8. 333Hz頻率成分，與目標4的頻率時序組合信息相對應。
附圖中A為測量電極；B為參考電極；C為地電極；D為受試者頭部；E為腦電放大 器；F為計算機；G為計算機屏幕；El為第一輸入端；E2為第二輸入端；E3為第三輸入端。
權利要求
一種多頻率時序組合的穩態視覺誘發電位腦-機接口方法，其特徵在於包括以下步驟第一步，在受試者頭部(D)的枕區Oz位置安放測量電極(A)，在受試者頭部(D)的單側耳垂位置安放參考電極(B)，在受試者頭部(D)的前額部Fpz位置安放地電極(C)，測量電極(A)的輸出端接入腦電放大器(E)的第一輸入端(E1)，參考電極(B)的輸出端接入腦電放大器(E)的第二輸入端(E2)，地電極(C)的輸出端接入腦電放大器(E)的第三輸入端E3，腦電放大器(E)的輸出端和計算機(F)的輸入端相連，計算機(F)的輸出端和計算機屏幕(G)連接，第二步，將n個不同的刺激頻率經時序組合形成的nn個刺激序列串目標呈現於受試者前方計算機屏幕(G)中央區域上，n為大於1的整數，受試者頭部(D)距離計算機屏幕(G)為50～100釐米，採用多頻率時序組合方式，由n個刺激頻率形成n個刺激序列，每個刺激序列對應一種刺激頻率，每個刺激序列的長度為20個刺激周期，對這n個刺激序列按照時序先後進行排列組合，形成一個刺激序列串，該刺激序列串便包含多個具有時序關係的刺激頻率，通過n個刺激頻率最多能形成個不同的刺激序列串，對應於nn個呈現目標，在一次目標識別任務中共呈現10個刺激序列串，第三步，使用n個刺激頻率形成nn個視覺呈現目標後，受試者注視待選目標，完成目標選擇任務，首先受試者注視所述nn個目標中的任意一個，由測量電極(A)獲得由該目標所誘發的腦電模擬信號送入腦電放大器(E)，腦電模擬信號在腦電放大器(E)中經增益放大、帶通、陷波濾波和模數轉換後，由腦電放大器(E)的輸出端送入計算機(F)的輸入端，按不同頻率刺激序列所處的時間段對處理後的腦電信號進行分段，將各段腦電信號按照每個刺激序列開始的時刻對齊并迭加平均，最後使用快速傅立葉變換方法對迭加平均後的各段腦電信號分別計算幅值譜，得到與刺激頻率同等的頻率成分及其時序排列，計算機(F)據此辨識出受試者所注視的目標，第四步，計算機(F)將辨識出的目標輸入至計算機屏幕(G)，計算機屏幕(G)標示出受試者所注視的目標，實現對受試者的視覺反饋，第五步，計算機(F)完成目標辨識後，返回第三步，重複第三步至第四步，進行下一次目標識別任務。FSA00000151415600011.tif
全文摘要
一種多頻率時序組合的穩態視覺誘發電位腦-機接口方法，先在受試者頭部安放測量電極並和腦電放大器、計算機和計算機屏幕連接，再通過n個刺激頻率形成nn個不同的呈現目標，n為大於1的整數，由計算機屏幕實現視覺目標的呈現，實現對受試者的視覺反饋，本發明通過少的刺激頻率構建多的呈現目標，提高腦-機接口的信息傳輸率，具有目標呈現數多，檢測結果的特異性高的優點，可實現思維正常但神經肌肉系統癱瘓的殘障人士與外部設備的交流，也可以用於正常人不便於進行肢體控制的場合。
文檔編號G06F3/01GK101887307SQ201010191598
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月3日 優先權日2010年6月3日
發明者張慶, 張鋒, 徐光華, 遊啟邦, 程曉文, 謝俊 申請人:西安交通大學