一種基於運動想像腦機接口二維光標運動的控制方法
2023-05-08 22:48:51 1
專利名稱：一種基於運動想像腦機接口二維光標運動的控制方法
技術領域：
本發明涉及ー種生物醫學工程、計算機和信號與信息處理領域的控制方法，具體涉及ー種基於運動想像腦機接ロ ニ維光標運動的控制方法。
背景技術：
近些年，腦-機接ロ技術(BCI)備受關注。腦-機接ロ(BCI)是ー種新穎的人-機接ロ技術，在BCI系統中，個人發送到外部世界的信息和命令不通過腦部正常外圍神經和肌肉輸出途徑。利用這種先進的交流技術通過人腦來控制外部物體在平面(ニ維)或者空間(三維)內運動，並且達到「物隨心動」的控制效果，一直是該領域研究的熱點問題。基於運動想像(MI)的BCI利用節律和beta節律把受試者的想像活動轉換成 實際命令。現有技術中，使用腦-機接ロ系統完成光標控制的方法包含以下步驟
步驟I、在受試者頭上戴電極帽並進行三類運動想像，然後將受試者的腦電信號通過固定在其腦部的電極帽上的電極傳輸到信號放大設備。步驟2、信號放大設備對信號進行放大和信號預處理。步驟3、信號放大和預處理後，將信號在計算機端中用共同空間模式(CSP)算法進行特徵提取。步驟4、採用支持向量機(SVM)算法進行模式分類。步驟5、分類後的結果通過預設定的控制方法進行指令翻譯。步驟6、最後將翻譯後的控制指令傳輸之光標控制界面上，完成整個控制過程。但是其缺點在於，通常其提供的命令數有限，如果增加輸出命令種類，準確率會下降，並且會加重受試者的精神負擔。綜合考慮，三類運動想像是最好的選擇。但是在控制ニ維光標運動時，通常需要在水平和豎直方向各提供兩個控制命令，使用三類運動想像腦-機接ロ會缺少ー類控制命令，而如果使用四類運動想像腦-機接ロ輸出四種命令控制，則會提高對受試者的要求，延長對受試者的訓練周期。因此，如果能找到一種合適的控制方法，既能在有限的控制命令數量下達到較好的控制效果，又能讓受試者不需要進行過多的訓練，降低其進行運動想像時的精神負擔，將推動BCI技術應用於實際，擴展BCI技術實際應用的範圍。
發明內容
本發明提供一種基於運動想像腦機接ロニ維光標運動的控制方法，利用三類運動想像，實現控制ニ維光標在平面內移動，減輕受試者負擔，控制效果良好。為實現上述目的，本發明提供一種基於運動想像腦機接ロニ維光標運動的控制方法，其特點是，該控制方法只選取三類運動想像；該控制方法包含以下步驟
步驟I、受試者戴上電極帽並進行三類運動想像，將受試者的腦電信號通過固定在其腦部的電極帽上的電極傳輸到信號放大設備；步驟2、信號放大設備對信號進行放大和信號預處理；
步驟3、計算機端採用共同空間模式算法對腦電信號進行特徵提取；
步驟4、使用支持向量機算法進行模式分類，得到三個輸出概率；
步驟5、分類後的結果應用一種概率組合和映射成向量的控制方法進行控制命令分配和指令翻譯；
步驟5. I、分別定義向量機算法進行模式分類後的三個輸出概率為第一輸出概率、第二輸出概率、第三輸出概率，並跳轉到步驟5. 2 ；
步驟5. 2、第一輸出概率、第二輸出概率和第三輸出概率根據其概率值的大小分別映射成三個平面內的向量，且定義相鄰向量間的夾角為120度，並跳轉到步驟5. 3 ；
步驟5. 3、分別將三個平面向量在該面內計算其合向量，並將所得的合向量作為最終的想像結果輸出，並跳轉到步驟5. 4 ；
經過映射後的平面向量，其長度由各自對應的概率值大小決定；
步驟5. 4、合向量與光標進行同步的移動距離換算，確定光標移動的方向和距離，定義光標在水平方向的移動分量為dx，豎直方向的移動分量為dy，定義在屏幕上的最小單步步長為L ；
步驟5. 4. I、計算光標在水平方向的移動分量dx，水平移動分量dx的計算公式如下
權利要求
1.一種基於運動想像腦機接口二維光標運動的控制方法，其特徵在於，該控制方法只選取三類運動想像；該控制方法包含以下步驟 步驟I、受試者戴上電極帽並進行三類運動想像，將受試者的腦電信號通過固定在其腦部的電極帽上的電極傳輸到信號放大設備； 步驟2、信號放大設備對信號進行放大和信號預處理； 步驟3、計算機端採用共同空間模式算法對腦電信號進行特徵提取； 步驟4、使用支持向量機算法進行模式分類，得到三個輸出概率； 步驟5、分類後的結果應用一種概率組合和映射成向量的控制方法進行控制命令分配和指令翻譯； 步驟5. I、分別定義向量機算法進行模式分類後的三個輸出概率為第一輸出概率(P1)、第二輸出概率(P2)、第三輸出概率(P3)，並跳轉到步驟5.2 ; 步驟5. 2、第一輸出概率(P1)、第二輸出概率(P2)和第三輸出概率(P3)根據其概率值的大小分別映射成三個平面內的向量，且定義相鄰向量間的夾角為120度，並跳轉到步驟5.3 ； 步驟5. 3、分別將三個平面向量在該面內計算其合向量，並將所得的合向量作為最終的想像結果輸出，並跳轉到步驟5. 4 ； 經過映射後的平面向量，其長度由各自對應的概率值大小決定； 步驟5. 4、合向量與光標進行同步的移動距離換算，確定光標移動的方向和距離，定義光標在水平方向的移動分量為dx，豎直方向的移動分量為dy，定義在屏幕上的最小單步步長為L ； 步驟6、翻譯後的控制指令傳輸至光標控制界面，根據控制指令顯示光標的移動，完成整個控制過程。
2.如權利要求I所述的一種基於運動想像腦機接口二維光標運動的控制方法，其特徵在於，所述步驟I中，所述的電極帽採用11導聯電極採集腦電信號，該11導聯分別為FC3、FCZ、FC4、C3、Cl、CZ、C2、C4、CP3、CPZ、CP4。
3.如權利要求I所述的一種基於運動想像腦機接口二維光標運動的控制方法，其特徵在於，所述步驟2中，所述的預處理包含以256赫茲對數據進行採樣，再對該數據進行5-30赫茲的帶通濾波。
4.如權利要求I所述的一種基於運動想像腦機接口二維光標運動的控制方法，其特徵在於，所述的第一輸出概率(P1)、第二輸出概率(P2)、第三輸出概率(P3)分別代表系統判定當前受試者進行的左手想像、右手想像和腳想像的概率。
5.如權利要求I所述的一種基於運動想像腦機接口二維光標運動的控制方法，其特徵在於，所述的受試者在進行運動想像時，僅需要側重進行身體兩個部位的運動想像輸出合向量。
6.如權利要求I所述的一種基於運動想像腦機接口二維光標運動的控制方法，其特徵在於，所述的步驟5. 4包含以下步驟 步驟5. 4. I、計算光標在水平方向的移動分量dx，水平移動分量dx的計算公式如下
全文摘要
本發明公開一種基於運動想像腦機接口二維光標運動的控制方法，只選取三類運動想像；其包含1、受試者的腦電信號通過電極帽上的電極傳輸到信號放大設備；2、信號放大設備對信號進行放大和信號預處理；3、計算機端採用共同空間模式算法對腦電信號進行特徵提取；4、使用支持向量機算法進行模式分類，得到三個輸出概率；5、分類後的結果應用一種概率組合和映射成向量的控制方法進行控制命令分配和指令翻譯；6、翻譯後的控制指令傳輸至光標控制界面，根據控制指令顯示光標的移動，完成整個控制過程。本發明採用三類的運動想像控制二維光標在平面內的移動，減輕受試者想像負擔，方便了受試者的使用，拓寬了BCI系統的應用領域。
文檔編號G06F3/01GK102789316SQ20121024069
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月12日 優先權日2012年7月12日
發明者夏斌, 楊文璐, 謝宏, 陽宏 申請人:上海海事大學