一種基於運動想像與p300腦電電位的功能鍵選擇方法
2023-06-14 05:55:06
專利名稱：一種基於運動想像與p300腦電電位的功能鍵選擇方法
技術領域：
本發明屬於殘疾人輔助裝置與電子娛樂領域，具體是指一種基於運動想像與P300 腦電電位的功能鍵選擇方法。
背景技術：
腦機接口被廣泛應用於殘疾人輔助裝置與電子娛樂領域，其中應用的一個重要方 面是光標控制，光標控制的目的是將腦電信號轉換為電腦光標的控制指令，進而控制輪椅、 計算機滑鼠、鍵盤等。腦機接口通常包括三個組成部分1)信號採集與記錄；2)信號處理 從神經信號中提取使用者的意識，並且通過轉換算法將輸入的使用者的神經信號轉換為控 制外部設備的輸出指令；3)控制外部設備根據使用者的意識來驅動外部設備，從而替代 用戶喪失的運動和交流能力。目前，應用於殘疾人輔助裝置與電子娛樂領域比較廣泛的是一維光標控制，申請 號為200510126359. 4的中國發明專利公開了一種利用想像運動腦電波產生康復訓練器械 控制命令的方法，在該發明中，使用者每次只能執行單一想像任務，產生相應的腦電信號， 再通過對腦電信號進行分析，提取使用者的意願並產生一維控制信號來控制外部設備，如 光標的移動或輪椅的前進或後退等。該發明的缺點是對於大多數控制任務，如網頁的瀏覽 或輪椅的控制等，單純通過想像不同肢體的運動任務來控制和選擇是非常困難的，且需要 冗長的訓練時間。另外，目前的研究多是尋求與想像肢體運動任務不同的感覺刺激任務來誘發神經 信號，從而產生與其獨立的另一控制信號，來實現光標的二維控制。但是如在網頁的瀏覽應 用上，只有光標的二維移動還不能順利的進行瀏覽，還需要有滑鼠點擊，即對各種功能鍵進 行選擇的功能，才能進一步提高殘疾人士的生活質量或電子娛樂的趣味性和實用性。因此， 功能鍵選擇的實現具有重要意義。綜上所述，需要提供一種既可減少檢測時間又能保證準確性的功能鍵選擇方法。
發明內容
本發明的一個目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種基於運動想像與 P300腦電電位的功能鍵選擇方法，該方法既可減少檢測時間又能保證準確性。本發明提供了一種基於運動想像與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，首先，使用 者在通過腦機接口設備使工作界面上的光標到達目標後，根據隨機出現的目標屬性執行相 應的運動想像和P300視覺刺激任務，然後腦機接口設備將產生的腦電信號傳至計算機，計 算機對腦電信號中包含的P300信息和運動想像信息分別同時進行數據處理和分析，最後 根據分析結果判斷是選擇還是拒絕該目標。步驟具體如下(1)系統初始化使用者通過頭皮處的電極與計算機腦機接口設備相連，打開工 作界面，工作界面上隨機出現目標和光標，出現的目標有兩種屬性，一種代表使用者感興
4趣，另一種代表使用者不感興趣；使用者通過腦機接口控制工作界面中的光標到達目標位 置；(2)腦模式(Brain Pattern)的產生根據目標屬性，如果代表使用者對目標感 興趣，那麼使用者即停止進行任何有關運動想像活動，並注視工作界面上P300閃爍鍵中的 「stop」鍵；如果代表使用者對目標不感興趣，那麼使用者則進行左手或右手的運動想像活 動，並不注視工作界面上任何P300閃爍鍵；(3)腦電信號傳遞使用者頭皮處的電極採集到腦電信號並將其傳送至計算機；(4)腦電信號處理計算機在接收到腦電信號後，對P300信息和運動想像信息分 別同時進行處理，具體如下對於腦電信號中的運動想像信息，首先進行帶通濾波，提取共 同空域模式特徵(common spatial pattern, CSP)，然後進行重組，重組時要求共同空域模 式特徵中的值按照從大到小的順序排列，如果前一個值小於後一個值，則對此特徵進行轉 置運算；對於腦電信號中的P300信息，首先進行帶通濾波，然後提取P300波形特徵；最後 將這兩組特徵串連成一個向量，組合成新的聯合特徵；(5)功能實現應用支持向量機分類算法對所獲得的新的聯合特徵進行分析，如 果特徵中不存在運動想像活動且「Stop」鍵上有P300峰，則判斷此目標為使用者所感興趣 的並對其進行選擇；如果特徵中存在運動想像活動且「stop」鍵上沒有出現P300峰，則判斷 此目標為使用者不感興趣的並拒絕此目標。所述步驟(1)中的工作界面為二維光標控制界面，在界面的四周有8個P300閃爍 鍵，其中上面有三個「up」鍵，指示向上運動，下面有三個「down」鍵，指示向下運動，左右各 有一個「stop」鍵，指示選擇目標操作，且在每次任務開始時，目標與光標隨機出現。所述步驟(1)中的目標屬性為顏色。所述步驟(4)中，對腦電信號的運動想像信息進行帶通濾波所用頻段為8-14HZ。所述步驟(4)中，對腦電信號的P300信息進行帶通濾波所用頻段為0. 1-lOHz。本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果1、本發明將運動想像和P300這兩種獨立的信號進行結合應用於腦機接口領域， 在運動想像和P300單獨使用時，運動想像休閒狀態的檢測成功率比較低，P300的檢測雖然 成功率比較高，但是其信噪比低，每次檢測都需要比較長的時間。本發明針對其各自的優缺 點，採用它們的特徵組合具有明顯的優勢一方面可以提高檢測成功率，同時另一方面可以 減少檢測時間，從而可快速準確的實現光標的功能鍵選擇。2、本發明採用兩種獨立的信號進行控制，使使用者易於操作。3、本發明在每次控制時間為4秒，非實時的狀態下可達到90%以上的分類準確 率，比單獨使用運動想像或者P300高出6% -10%，在實時狀態下因受試者的不同，每個目 標選擇的時間變化在2-4秒間，準確率可以達到80% -92%之間，可以滿足網頁瀏覽的要 求。
圖1是本發明中的工作界面圖；圖2是本發明方法的流程示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 於此。如圖1所示，為本發明的工作界面圖，在界面的四周有8個P300閃爍鍵，其中上面 有三個「up」鍵，指示向上運動，下面有三個「down」鍵，指示向下運動，左右各有一個「stop」 鍵，指示選擇目標操作。在系統啟動後，方形目標和圓形光標隨機出現，然後需要使用者通 過注視P300閃爍鍵和進行左右手運動想像來控制光標向目標移動和實現功能鍵選擇。如圖2所示，本發明提供了一種基於運動想像與P300腦電電位的功能鍵選擇方 法，首先，使用者在通過腦機接口設備使工作界面上的光標到達目標後，根據隨機出現的目 標屬性執行相應的運動想像和P300視覺刺激任務，然後腦機接口設備將產生的腦電信號 傳至計算機，計算機對腦電信號中包含的P300信息和運動想像信息分別同時進行數據處 理和分析，最後根據分析結果判斷是選擇還是拒絕該目標。步驟具體如下(1)系統初始化使用者通過頭皮處的電極與計算機腦機接口設備相連，打開工 作界面，工作界面上隨機出現目標和光標，出現的目標有兩種屬性，一種代表使用者感興 趣，另一種代表使用者不感興趣；使用者通過腦機接口控制工作界面中的光標到達目標位 置；(2)腦模式的產生根據目標屬性，如果代表使用者對目標感興趣，那麼使用者即 停止進行任何有關運動想像活動，並注視工作界面上P300閃爍鍵中的「stop」鍵；如果代表 使用者對目標不感興趣，那麼使用者則進行左手或右手的運動想像活動，並不注視工作界 面上任何P300閃爍鍵；(3)腦電信號傳遞使用者頭皮處的電極採集到腦電信號並將其傳送至計算機；(4)腦電信號處理計算機在接收到腦電信號後，對P300信息和運動想像信息分 別同時進行處理，具體如下對於腦電信號中的運動想像信息，首先進行帶通濾波，提取共 同空域模式特徵，然後進行重組，重組時要求共同空域模式特徵中的值按照從大到小的順 序排列，如果前一個值小於後一個值，則對此特徵進行轉置運算；對於腦電信號中的P300 信息，首先進行帶通濾波，然後提取P300波形特徵；最後將這兩組特徵串連成一個向量，組 合成新的聯合特徵；(5)功能實現應用支持向量機分類算法對所獲得的新的聯合特徵進行分析，如 果特徵中不存在運動想像活動且「Stop」鍵上有P300峰，則判斷此目標為使用者所感興趣 的並對其進行選擇；如果特徵中存在運動想像活動且「stop」鍵上沒有出現P300峰，則判斷 此目標為使用者不感興趣的並拒絕此目標。所述步驟(1)中的目標屬性為顏色，藍色表示使用者對目標感興趣，綠色表示使 用者對目標不感興趣。所述步驟(4)中，對腦電信號的運動想像信息進行帶通濾波所用頻段為8-14HZ。所述步驟(4)中，對腦電信號的P300信息進行帶通濾波所用頻段為0. 1-lOHz。所述步驟(4)中，對腦電信號中的運動想像信息進行特徵提取具體是指以採用共 同空域模式提取的空間投影后的信號方差為特徵，共同空域模式具體包括以下步驟A、分別計算兩類平均的協方差矩陣
權利要求
一種基於運動想像與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特徵在於，使用者在通過腦機接口設備使工作界面上的光標到達目標後，根據隨機出現的目標屬性執行相應的運動想像和P300視覺刺激任務，然後腦機接口設備將產生的腦電信號傳至計算機，計算機對腦電信號中包含的P300信息和運動想像信息分別同時進行數據處理和分析，最後根據分析結果判斷是選擇還是拒絕該目標。
2.根據權利要求1所述的基於運動想像與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特徵在 於步驟具體如下(1)系統初始化使用者通過頭皮處的電極與計算機腦機接口設備相連，打開工作界 面，工作界面上隨機出現目標和光標，出現的目標有兩種屬性，一種代表使用者感興趣，另 一種代表使用者不感興趣；使用者通過腦機接口控制工作界面中的光標到達目標位置；(2)腦模式的產生根據目標屬性，如果代表使用者對目標感興趣，那麼使用者即停止 進行任何有關運動想像活動，並注視工作界面上P300閃爍鍵中的「stop」鍵；如果代表使用 者對目標不感興趣，那麼使用者則進行左手或右手的運動想像活動，並不注視工作界面上 任何P300閃爍鍵；(3)腦電信號傳遞使用者頭皮處的電極採集到腦電信號並將其傳送至計算機；(4)腦電信號處理計算機在接收到腦電信號後，對P300信息和運動想像信息分別同 時進行處理，具體如下對於腦電信號中的運動想像信息，首先進行帶通濾波，提取共同空 域模式特徵，然後進行重組，重組時要求共同空域模式特徵中的值按照從大到小的順序排 列，如果前一個值小於後一個值，則對此特徵進行轉置運算；對於腦電信號中的P300信息， 首先進行帶通濾波，然後提取P300波形特徵；最後將這兩組特徵串連成一個向量，組合成 新的聯合特徵；(5)功能實現應用支持向量機分類算法對所獲得的新的聯合特徵進行分析，如果特 徵中不存在運動想像活動且「stop」鍵上有P300峰，則判斷此目標為使用者所感興趣的並 對其進行選擇；如果特徵中存在運動想像活動且「stop」鍵上沒有出現P300峰，則判斷此目 標為使用者不感興趣的並拒絕此目標。
3.根據權利要求2所述的基於運動想像與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特徵在 於，所述步驟(1)中的工作界面為二維光標控制界面，在界面的四周有8個P300閃爍鍵，其 中上面有三個「up」鍵，指示向上運動，下面有三個「down」鍵，指示向下運動，左右各有一個 「stop」鍵，指示選擇目標操作，且在每次任務開始時，目標與光標隨機出現。
4.根據權利要求2所述的基於運動想像與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特徵在 於，所述步驟(1)中的目標屬性為顏色。
5.根據權利要求2所述的基於運動想像與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特徵在 於，所述步驟(4)中，對腦電信號中的運動想像信息進行帶通濾波所用頻段為8-14HZ。
6.根據權利要求2所述的基於運動想像與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特徵在 於，所述步驟(4)中，對腦電信號中的P300信息進行帶通濾波所用頻段為0. 1-lOHz。
7.根據權利要求2所述的基於運動想像與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特徵在 於，所述步驟(4)中，對腦電信號中的運動想像信息進行特徵提取具體是指以採用共同空 域模式提取的空間投影后的信號方差為特徵，共同空域模式具體包括以下步驟(4-1)分別計算兩類平均的協方差矩陣
全文摘要
本發明公開了一種基於運動想像與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其方法是使用者在通過腦機接口設備使工作界面上的光標到達目標後，根據隨機出現的目標屬性執行相應的運動想像和P300視覺刺激任務，然後腦機接口設備將產生的腦電信號傳至計算機，計算機對腦電信號中包含的P300信息和運動想像信息分別同時進行數據處理和分析，最後根據分析結果判斷是選擇還是拒絕該目標。本發明將運動想像和P300這兩種獨立的信號進行結合應用於腦機接口領域，具有檢測成功率高、檢測時間短的優點，可應用於殘疾人輔助裝置與電子娛樂領域的運動控制。
文檔編號G06F3/01GK101976115SQ201010509550
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月15日 優先權日2010年10月15日
發明者餘天佑, 李遠清, 龍錦益 申請人:華南理工大學