基於往復擺動視覺感知的穩態誘發電位腦‑機接口方法與流程
2023-07-19 10:26:26 1
本發明涉及腦-機接口技術領域，具體涉及一種基於擺動視覺感知的穩態視覺誘發電位腦-機接口方法。
背景技術：
腦-機接口技術(BCI)常用方法有運動想像、P300事件相關電位、瞬態視覺誘發電位、穩態視覺誘發電位(SSVEP)等。相比而言，穩態視覺誘發電位所需電極數目更少、使用者不需要訓練，辨識準確率更高。但基於SSVEP的腦-機接口常採用光閃爍或圖形翻轉等刺激方式，易造成使用者視覺疲勞、降低辨識準確率，限制了其進一步應用。近年來有學者提出基於運動感知的腦-機接口方法，能避免長時間強刺激對大腦響應產生的負面影響。運動視覺誘發電位(mVEP)分為瞬態和穩態兩種，相比穩態而言，瞬態範式要求刺激目標按不同起始時刻作單一方向運動，運動具有方向特異性，易引發大腦運動後效應。西安交通大學謝俊等人基於穩態運動視覺誘發電位(SSMVEP)，設計了收縮-擴張的牛頓環，作為腦-機接口方法，獲得了很好的辨識準確率。但牛頓環中央區域圖案破壞了牛頓環在運動過程中保持亮度恆定這一性質，降低了譜峰信噪比，不利於減輕使用者的視覺疲勞。為了保證在運動過程中保持亮度恆定，西安交通大學徐光華等人設計了收縮-擴張的黑白棋盤格，辨識效果良好，但該方法只能在低頻段(15H以下)誘發出刺激頻率，15Hz以上的辨識準確率大大降低。
技術實現要素：
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基於往復擺動視覺感知的穩態誘發電位腦-機接口方法，提高信噪比，降低使用者視覺疲勞，在中頻段(15-25Hz)也可以誘發出刺激頻率，拓寬範式頻率設置範圍，用以提升腦-機接口的交互性能。
為了達到上述目的，本發明採取的技術方案為：
一種基於往復擺動視覺感知的穩態誘發電位腦-機接口方法，包括以下步驟：
1)紅色扇形往復擺動範式設計：
根據色彩空間理論，選用紅綠作為彩色刺激範式，背景色設為白色，將扇形半徑設為360像素，擺動角度範圍設置為120°；設扇形運動頻率為f,即往復擺動一個周期所需時間的倒數，反轉頻率為fc，即扇形擺動方向改變的頻率，該範式刺激效果以f為基頻，能量集中在其二倍頻，即反轉頻率fc處，將反轉頻率fc作為誘發的SSMVEP信號基頻；範式圖案是通過顯示屏一幀一幀呈現的，屏幕刷新率為fr，則範式呈現一個周期所需幀數n為：
n＝fr/f (1)
由於幀數n需為整數，這裡將其圓整為N，則扇形每一幀轉過的角度Deg為：
Deg＝(120*2)/N (2)
得到轉角後，將扇形弧度Ang設置為：
Ang＝Deg+2 (3)
在扇形每一次擺動過程中有2°的交疊，更加有利於辨識；為了使扇形對稱擺動，需要設置一個初始擺動位置角度Startang0:
Startang0＝360-(N/2*Deg)/2 (4)
Startang0表示每一刺激開始時扇形初始位置角度；範式圖案通過顯示屏一幀一幀呈現，只要改變每一幀扇形初始擺動位置角度就實現扇形的往復擺動：
Startangi+1＝Startangi+k*Deg (5)
其中i表示第i幀範式圖案；根據式(5)知，通過改變K的值實現扇形的往復運動，k取1時，順時針轉，k取-1時，逆時針轉；正式應用時，首先設置範式刺激頻率，根據式(1)計算出幀數，根據式(2)計算出轉角，根據式(3)計算扇形的弧度，根據式(4)、式(5)，改變扇形初始擺動角度就實現其往復擺動；
2)搭建腦-機接口實驗平臺：
電極帽通過腦電採集設備和主控制器的輸入連接，主控制器的輸出通過顯示屏擴展和屏幕的輸入連接，使用者頭戴電極帽端坐於屏幕前，頭部距離屏幕100-120cm,測量電極為O1、Oz、O2、POz、PO4和PO8，左耳垂放置參考電極，FPz處為地電極，給各測量電極注入導電膏，保證電極與頭皮良好接觸；
3)範式呈現與識別：
主控制器通過顯示屏擴展使屏幕上呈現數個刺激頻率不同的紅色扇形往復擺動範式，使用者每次注視刺激範式圖案中任意一個，通過腦電採集設備採集使用者注視範式圖案時產生的腦電信號，然後經過放大、濾波與A/D轉換後，將處理後的腦電信號輸入主控制器，將採集到的腦電信號利用典型相關分析進行特徵提取及分類識別；
4)識別結果通過屏幕輸出，完成視覺反饋後，返回步驟3)，進行下一輪的目標辨識。
本發明的有益效果為：
1、本發明基於穩態運動視覺誘發電位，將色彩、形狀、運動等視覺信息融合設計的紅色扇形擺動範式，可以激活更多的腦區，誘發更強的SSMVEP。
2、以往範式形狀大多是整圓，人眼接受的刺激較大，而本發明扇形範式面積較小，降低了使用者的視覺疲勞，提高了EEG信噪比，具有低閃爍，低適應性的特點。
3、本本發明不但在低頻段(15Hz以下)有良好的響應，在中頻段(15-25Hz)也可以誘發出刺激頻率，拓寬了範式可設置的頻率範圍，對注視目標識別準確率也更高，適宜於長期使用的腦-機交互場合。
附圖說明
圖1為本發明的紅色扇形擺動範式圖案。
圖2為本發明方法的腦-機接口平臺示意圖。
圖3為擺動範式刺激頻率為13Hz、18Hz時功率譜密度圖，其中圖(a)是刺激頻率為13Hz時功率譜密度圖，圖(b)刺激頻率為18Hz時功率譜密度圖。
圖4為刺激頻率為7.6Hz、9.6Hz、11Hz時，擺動範式與棋盤格功率譜密度圖,其中圖(a)是刺激頻率為7.6Hz時，擺動範式與棋盤格功率譜密度圖，圖(b)是刺激頻率為9.6Hz時，擺動範式與棋盤格功率譜密度圖，圖(c)是刺激頻率為11Hz時，擺動範式與棋盤格功率譜密度圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作詳細描述。
一種基於往復擺動視覺感知的穩態誘發電位腦-機接口方法，包括以下步驟：
1)紅色扇形往復擺動範式設計：
參照圖1，根據色彩空間理論，人眼最容易辨識紅色，並且紅色刺激，潛伏期最短，有利於大腦快速響應，所以選用紅綠作為彩色刺激範式，背景色設為白色，基於前期實驗以及參數優化結果，將扇形半徑設為360像素，擺動角度範圍設置為120°；設扇形運動頻率為f，即往復擺動一個周期所需時間的倒數，反轉頻率為fc,即扇形擺動方向改變的頻率，該範式刺激效果以f為基頻，能量集中在其二倍頻，即反轉頻率fc處，將反轉頻率fc作為誘發的SSMVEP信號基頻；範式圖案是通過顯示屏一幀一幀呈現的，屏幕刷新率為fr，則範式呈現一個周期所需幀數n為：
n＝fr/f (1)
由於幀數n需為整數，這裡將其圓整為N，則扇形每一幀轉過的角度Deg為：
Deg＝(120*2)/N (2)
得到轉角後，將扇形弧度Ang設置為：
Ang＝Deg+2 (3)
在扇形每一次擺動過程中有2°的交疊，更加有利於辨識；為了使扇形對稱擺動，需要設置一個初始擺動位置角度Startang0:
Startang0＝360-(N/2*Deg)/2 (4)
Startang0表示每一刺激開始時扇形初始位置角度；範式圖案通過顯示屏一幀一幀呈現，只要改變每一幀扇形初始擺動位置角度就實現扇形的往復擺動：
Startangi+1＝Startangi+k*Deg (5)
其中i表示第i幀範式圖案；根據式(5)知，通過改變K的值實現扇形的往復運動，k取1時，順時針轉，k取-1時，逆時針轉；正式應用時，首先設置範式刺激頻率，根據式(1)計算出幀數，根據式(2)計算出轉角，根據式(3)計算扇形的弧度，根據式(4)、式(5)，改變扇形初始擺動角度就實現其往復擺動；
2)搭建腦-機接口實驗平臺：
參照圖2，電極帽通過腦電採集設備和主控制器的輸入連接，主控制器的輸出通過顯示屏擴展和屏幕的輸入連接，使用者頭戴電極帽端坐於屏幕前，頭部距離屏幕100-120cm,測量電極為O1、Oz、O2、POz、PO4和PO8，左耳垂放置參考電極，FPz處為地電極，給各測量電極注入導電膏，保證電極與頭皮良好接觸；
3)範式呈現與識別：
主控制器通過顯示屏擴展使屏幕上呈現數個刺激頻率不同的紅色扇形往復擺動範式，使用者每次注視刺激範式圖案中任意一個，通過腦電採集設備採集使用者注視範式圖案時產生的腦電信號，然後經過放大、濾波與A/D轉換後，將處理後的腦電信號輸入主控制器，將採集到的腦電信號利用典型相關分析進行特徵提取及分類識別；
4)識別結果通過屏幕輸出，完成視覺反饋後，返回步驟3)，進行下一輪的目標辨識。
下面結合具體實施例說明該範式的刺激效果，參照圖3，顯示屏上布置兩個範式圖案，刺激頻率為13Hz和18Hz,被試每次注視其中一個。每個範式單次刺激時長為5s,10次為一個周期，中間間隔2秒，被試可以適當休息，接著注視另一個，直到兩個都注視完畢。選用被試Cz電極數據做Welch功率譜，可以看到刺激頻率突出，信燥比較高，不但在低頻13Hz,還在中頻18Hz處誘發出了刺激頻率，可以確定往復擺動的扇形刺激範式在中、低頻段都可以誘發出刺激頻率。
參照圖4，為黑白棋盤格與紅色扇形往復擺動範式在刺激頻率為7.6Hz、9.6Hz、11Hz處刺激效果的比較，選用被試Cz電極採集的數據做Welch功率譜，從功率譜圖上可以看到往復擺動的範式誘發的刺激頻率處峰值更高，信噪比更高，說明人眼對擺動運動感知更加敏感。