專利名稱：一種多頻率時序組合的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦-機接口方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及神經(jīng)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多頻率時序組合的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電 位腦-機接口方法。
背景技術(shù)：
腦-機接口是人腦-計算機接口的簡稱，它是指一種不依賴于腦的正常輸出通路 而使人類大腦直接與計算機進行通信的技術(shù)，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，并將其翻譯成控制指令，實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制，可用于思維 正常但神經(jīng)肌肉系統(tǒng)癱瘓的殘障人士，實現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的直接交流，如用意識控制智 能輪椅的行進；也可以用于正常人不便于進行肢體控制的場合，如宇航員的意念控制太空 行走等，腦-機接口是神經(jīng)科學(xué)和工程技術(shù)學(xué)科交叉的一項新興技術(shù)，也是近年來國內(nèi)外 眾多學(xué)者和研究機構(gòu)關(guān)注的熱點之一。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位是從頭皮記錄到的、大腦神經(jīng)系統(tǒng)接受外界周期性視覺刺激所 產(chǎn)生的一種外源性電生理活動，當(dāng)視覺呈現(xiàn)目標(biāo)以固定的6 30Hz的刺激頻率閃爍或運動 時，多次刺激誘發(fā)的大腦響應(yīng)的波形相互疊加，在大腦視覺皮層產(chǎn)生節(jié)律性正弦樣波，形成 穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位在腦電信號中又稱為光驅(qū)動效應(yīng)，可以通過提取頭 部枕區(qū)的腦電信號中包含的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位來辨識外界特定的刺激頻率以實現(xiàn)對腦意 識的解讀?；诜€(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦_機接口相對于其他類型的腦_機接口而言，具有操 作簡單，信息傳輸率高，無需訓(xùn)練及所有受試者均可誘發(fā)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(tǒng)的基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦-機接口應(yīng)用中， 通常采用計算機屏幕作為刺激源，以便刺激呈現(xiàn)、信號分析與目標(biāo)反饋等同步進行，且刺激 頻率與呈現(xiàn)目標(biāo)呈一一對應(yīng)關(guān)系，由于受到屏幕固有垂直刷新率的影響，所能采用的最高 刺激頻率只能達到屏幕刷新率的一半，另外計算機系統(tǒng)本身的實時性及單個刺激周期內(nèi)顯 示幀數(shù)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(dǎo)致能夠激發(fā)穩(wěn)態(tài)視覺 誘發(fā)電位的頻率數(shù)少，目標(biāo)呈現(xiàn)數(shù)少，檢測結(jié)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(gòu)建多的呈現(xiàn)目標(biāo)成為一直以來基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的 腦-機接口凾待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種多頻率時序組合的穩(wěn) 態(tài)視覺誘發(fā)電位腦_機接口方法，能夠通過少的刺激頻率構(gòu)建多的呈現(xiàn)目標(biāo)，提高腦_機接 口的信息傳輸率，具有目標(biāo)呈現(xiàn)數(shù)多，檢測結(jié)果的特異性高的優(yōu)點。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種多頻率時序組合的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)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(qū)Oz位置安放測量電極A，在受試者頭部D的單側(cè)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(jīng)時序組合形成的ηη個刺激序列串目標(biāo)呈現(xiàn)于受 試者前方計算機屏幕G中央?yún)^(qū)域上，η為大于1的整數(shù)，受試者頭部D距離計算機屏幕G為 50 100厘米，采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(yīng)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 先后進行排列組合，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(guān)系的刺激
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(yīng)于ηη個呈現(xiàn)
目標(biāo)，在一次目標(biāo)識別任務(wù)中共呈現(xiàn) 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(xiàn)目標(biāo)后，受試者注視待選目標(biāo)，完成 目標(biāo)選擇任務(wù)，首先受試者注視所述ηη個目標(biāo)中的任意一個，由測量電極A獲得由該目標(biāo) 所誘發(fā)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(jīng)增益放大、帶 通、陷波濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，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后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，最后使用快速傅立葉變換方法對迭加平均后的各段腦電信號 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(jù)此辨識出受 試者所注視的目標(biāo)，第四步，計算機F將辨識出的目標(biāo)輸入至計算機屏幕G，計算機屏幕G標(biāo)示出受試 者所注視的目標(biāo)，實現(xiàn)對受試者的視覺反饋，第五步，計算機F完成目標(biāo)辨識后，返回第三步，重復(fù)第三步至第四步，進行下一 次目標(biāo)識別任務(wù)。由于本發(fā)明采用少的刺激頻率構(gòu)建出了多的呈現(xiàn)目標(biāo)，實現(xiàn)的目標(biāo)數(shù)隨刺激頻率 的個數(shù)呈冪數(shù)方式增加，提高了腦-機接口的信息傳輸率，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)響應(yīng)的頻率成分 的時序排列特性提高了檢測結(jié)果的特異性，故而具有目標(biāo)呈現(xiàn)數(shù)多，檢測結(jié)果的特異性高 的優(yōu)點，可實現(xiàn)思維正常但神經(jīng)肌肉系統(tǒng)癱瘓的殘障人士與外部設(shè)備的交流，也可以用于 正常人不便于進行肢體控制的場合，如宇航員的太空行走等。


圖1是本發(fā)明所采用的電路連接示意圖。圖2是本發(fā)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。一種多頻率時序組合的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)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(qū)Oz位置安放測量電極A，在受試者頭部D 的單側(cè)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(jīng)時序組合形成的#個刺激序列 串目標(biāo)呈現(xiàn)于受試者前方計算機屏幕G中央?yún)^(qū)域上，η為大于1的整數(shù)，受試者頭部D距離 計算機屏幕G為50 100厘米，采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(yīng)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 激序列按照時序先后進行排列組合，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(guān)系的刺激頻率，通過η個刺激頻率最多能形成
個不同的刺激序列串，對
應(yīng)于η11個呈現(xiàn)目標(biāo)，在一次目標(biāo)識別任務(wù)中共呈現(xiàn)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(xiàn)目標(biāo)后，受試 者注視待選目標(biāo)，完成目標(biāo)選擇任務(wù)，首先受試者注視所述η11個目標(biāo)中的任意一個，由測量 電極A獲得由該目標(biāo)所誘發(fā)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(jīng)增益放大、帶通、陷波濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，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后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，最后使用快速傅立葉變換方法對迭加 平均后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(jù)此辨識出受試者所注視的目標(biāo)，第四步，參照圖1，計算機F將辨識出的目標(biāo)輸入至計算機屏幕G，計算機屏幕G標(biāo) 示出受試者所注視的目標(biāo)，實現(xiàn)對受試者的視覺反饋，第五步，計算機F完成目標(biāo)辨識后，返回第三步，重復(fù)第三步至第四步，進行下一 次目標(biāo)識別任務(wù)。下面再結(jié)合實施例對本發(fā)明詳細說明。一種多頻率時序組合的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)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(qū)Oz位置安放測量電極Α，在受試者頭部D的單側(cè)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(jīng)時序組合形成的ηη個刺激序列串目標(biāo)呈現(xiàn)于受試者前方計算機屏幕G中央?yún)^(qū)域上，η = 2,受試者頭部D距離計算機屏幕G為50厘米，采 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(yīng)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后進行排列組合， 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(guān)系的刺激頻率，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(yīng)于4個呈現(xiàn)目標(biāo)，在一次目標(biāo)識別任務(wù)中共呈 現(xiàn)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(xiàn)目標(biāo)后，受試者注視待選目標(biāo)，完成 目標(biāo)選擇任務(wù)，首先受試者注視所述4個目標(biāo)中的任意一個，由測量電極A獲得由該目標(biāo) 所誘發(fā)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(jīng)增益放大、帶 通、陷波濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，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后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，最后使用快速傅立葉變換方法對迭加平均后的各段腦電信號 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(jù)此辨識出受 試者所注視的目標(biāo)，第四步，計算機F將辨識出的目標(biāo)輸入至計算機屏幕G，計算機屏幕G標(biāo)示出受試 者所注視的目標(biāo)，實現(xiàn)對受試者的視覺反饋，第五步，計算機F完成目標(biāo)辨識后，返回第三步，重復(fù)第三步至第四步，進行下一 次目標(biāo)識別任務(wù)。在這里兩個刺激頻率為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(yīng)于4個視覺呈現(xiàn)目標(biāo)，如表1所示，其中 目標(biāo)1和目標(biāo)4分別代表傳統(tǒng)意義上的“單頻率_單目標(biāo)”穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)方式，采樣率設(shè)為 600Hz ο表 1 采用本技術(shù)對一名受試者進行了實驗，實驗過程中同步記錄并實時顯示腦電信 號，以便在實驗中檢查受試者狀態(tài)，防止受試者產(chǎn)生眨眼、體動等動作，保證腦電信號的數(shù)據(jù)質(zhì)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(yù)處理，帶通濾波的高通截止頻率為0. 5Hz，低通截止頻率為30Hz，用于消除腦電信號的 基線漂移及其他噪聲；陷波濾波的陷波頻率選為48 52Hz，用于消除50Hz的市電干擾；對 預(yù)處理后的腦電信號進行分段、迭加平均后，使用快速傅立葉變換方法對迭加平均后的各 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(jù)該信息辨識受試者所注視的目標(biāo)，圖4、圖5、圖6和圖7為受試者注視目標(biāo) 1 4時誘發(fā)的腦電信號經(jīng)迭加平均后的時域波形分段圖(4-a、5-a、6-a和7_a)及相應(yīng)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于相應(yīng)刺激序列的時間長 度，圖4為受試者注視目標(biāo)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(biāo)1的頻率時序組合信息相對應(yīng)；圖5 為受試者注視目標(biāo)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(biāo)2的頻率時序組合信息相對應(yīng)；圖6為受試者注視目標(biāo)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(biāo)3的頻率時序組合信息相對應(yīng)；圖7為受試 者注視目標(biāo)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(biāo)4的頻率時序組合信息相對應(yīng)。
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(quán)利要求
一種多頻率時序組合的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦-機接口方法，其特征在于包括以下步驟第一步，在受試者頭部(D)的枕區(qū)Oz位置安放測量電極(A)，在受試者頭部(D)的單側(cè)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(jīng)時序組合形成的nn個刺激序列串目標(biāo)呈現(xiàn)于受試者前方計算機屏幕(G)中央?yún)^(qū)域上，n為大于1的整數(shù)，受試者頭部(D)距離計算機屏幕(G)為50～100厘米，采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(yīng)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后進行排列組合，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(guān)系的刺激頻率，通過n個刺激頻率最多能形成個不同的刺激序列串，對應(yīng)于nn個呈現(xiàn)目標(biāo)，在一次目標(biāo)識別任務(wù)中共呈現(xiàn)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(xiàn)目標(biāo)后，受試者注視待選目標(biāo)，完成目標(biāo)選擇任務(wù)，首先受試者注視所述nn個目標(biāo)中的任意一個，由測量電極(A)獲得由該目標(biāo)所誘發(fā)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(jīng)增益放大、帶通、陷波濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，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后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，最后使用快速傅立葉變換方法對迭加平均后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(jù)此辨識出受試者所注視的目標(biāo)，第四步，計算機(F)將辨識出的目標(biāo)輸入至計算機屏幕(G)，計算機屏幕(G)標(biāo)示出受試者所注視的目標(biāo)，實現(xiàn)對受試者的視覺反饋，第五步，計算機(F)完成目標(biāo)辨識后，返回第三步，重復(fù)第三步至第四步，進行下一次目標(biāo)識別任務(wù)。FSA00000151415600011.tif
全文摘要
一種多頻率時序組合的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦-機接口方法，先在受試者頭部安放測量電極并和腦電放大器、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(xiàn)目標(biāo)，n為大于1的整數(shù)，由計算機屏幕實現(xiàn)視覺目標(biāo)的呈現(xiàn)，實現(xiàn)對受試者的視覺反饋，本發(fā)明通過少的刺激頻率構(gòu)建多的呈現(xiàn)目標(biāo)，提高腦-機接口的信息傳輸率，具有目標(biāo)呈現(xiàn)數(shù)多，檢測結(jié)果的特異性高的優(yōu)點，可實現(xiàn)思維正常但神經(jīng)肌肉系統(tǒng)癱瘓的殘障人士與外部設(shè)備的交流，也可以用于正常人不便于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(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者張慶, 張鋒, 徐光華, 游啟邦, 程曉文, 謝俊 申請人:西安交通大學(xué)