本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)信息智能處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種螺旋運(yùn)動(dòng)視覺(jué)感知的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法。
背景技術(shù)：
運(yùn)動(dòng)想象(Motor imagery,MI)、P300事件相關(guān)電位、瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(tVEP)、穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(SSVEP)等是腦-機(jī)接口技術(shù)(BCI)常用方法。相比而言，穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位所需電極數(shù)目更少、使用者不需要訓(xùn)練，辨識(shí)準(zhǔn)確率更高。傳統(tǒng)的SSVEP，常采用光閃爍或圖形翻轉(zhuǎn)等刺激方式，易造成使用者視覺(jué)疲勞、降低大腦響應(yīng)，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。近年來(lái)有學(xué)者提出基于運(yùn)動(dòng)感知的腦-機(jī)接口范式，能避免長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)刺激對(duì)大腦響應(yīng)的影響。運(yùn)動(dòng)視覺(jué)誘發(fā)電位(mVEP)分為瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種，2009年清華大學(xué)的高上凱等人利用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的感知能力，采用視覺(jué)運(yùn)動(dòng)起始對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)N2電位實(shí)現(xiàn)腦-機(jī)接口應(yīng)用，該范式具有亮度恒定和非閃爍的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)在于，瞬態(tài)范式要求多刺激目標(biāo)按不同起始時(shí)刻作單一方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)具有方向特異性，易引發(fā)大腦運(yùn)動(dòng)后效應(yīng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種螺旋運(yùn)動(dòng)視覺(jué)感知的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法，提高信噪比，降低使用者視覺(jué)疲勞，提升腦-機(jī)接口的交互性能。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
一種螺旋運(yùn)動(dòng)視覺(jué)感知的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法，包括以下步驟：
1)螺旋范式設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)：
1.1)設(shè)計(jì)螺旋范式：
將螺旋范式圖案寬和高都設(shè)為250像素；定義變量D，其值為這里將其圓整為D’；令[-D’，D’]間隔為1，生成一個(gè)大小為(2D’+1)×(2D’+1)的二維網(wǎng)格點(diǎn)，范式圖案像素點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)對(duì)應(yīng)于每一網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)，螺旋范式生成公式為：
S＝(L.*(1-cos(angle/d+r*d)))/2 (1)
其中S為范式圖案亮度值；L為背景亮度值；d為螺旋條紋的個(gè)數(shù)，這里設(shè)為5；r和angle為螺旋運(yùn)動(dòng)范式圖案像素點(diǎn)(x,y)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)后的極軸與極角；
1.2)實(shí)現(xiàn)螺旋范式運(yùn)動(dòng)：
通過(guò)PSYCHTOOLBOX工具箱編程繪制范式圖案紋理，通過(guò)改變紋理旋轉(zhuǎn)角度Rangle實(shí)現(xiàn)螺旋范式運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明采用正弦方式實(shí)現(xiàn)螺旋范式運(yùn)動(dòng)，其中：
fc為運(yùn)動(dòng)頻率，即螺旋范式順-逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間的倒數(shù)；通過(guò)改變紋理旋轉(zhuǎn)角度Rangle由0到2π時(shí)，范式順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；紋理旋轉(zhuǎn)角度Rangle由2π到0時(shí)，紋理逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；在一個(gè)周期中，運(yùn)動(dòng)放向改變的頻率定義為運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f，運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f為運(yùn)動(dòng)頻率fc的2倍，采用運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f作為視覺(jué)刺激的基頻；
視覺(jué)刺激通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕呈現(xiàn)給使用者，圖像幀替換的頻率稱為屏幕刷新率fr，在生成幀圖象時(shí)，式(2)中的時(shí)間t必須根據(jù)屏幕刷新率離散化，即t(n)＝n/fr，其中n＝1,2,3…為幀序號(hào)，式(2)改寫為：
這時(shí)Rangle變?yōu)殡x散的時(shí)間序列，為保證其為周期序列fr/fc必須為整數(shù)；令Fc＝fr/fc為一個(gè)收縮-擴(kuò)張周期所需要的幀數(shù)，式(3)改寫為：
此時(shí)，運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式為：
根據(jù)式(5)計(jì)算準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f，根據(jù)式(4)計(jì)算離散化后的紋理旋轉(zhuǎn)角度Rangle；
2)搭建腦-機(jī)接口平臺(tái)：
電極帽通過(guò)腦電采集設(shè)備和主控制器的輸入連接，主控制器的輸出通過(guò)顯示屏擴(kuò)展和計(jì)算機(jī)屏幕的輸入連接，使用者頭戴電極帽端坐于屏幕前，頭部距離屏幕100-120cm，測(cè)量電極為O1、Oz、O2、POz、PO4和PO8，左耳垂放置參考電極，F(xiàn)Pz處為地電極，給各測(cè)量電極注入導(dǎo)電膏，保證電極與頭皮良好接觸；
3)范式呈現(xiàn)與識(shí)別：
主控制器通過(guò)顯示屏擴(kuò)展使計(jì)算機(jī)屏幕上呈現(xiàn)數(shù)個(gè)刺激頻率不同的螺旋范式，使用者每次注視刺激范式圖案中任意一個(gè)，通過(guò)腦電采集設(shè)備采集使用者注視范式圖案時(shí)產(chǎn)生的腦電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大、濾波與A/D轉(zhuǎn)換后，將處理后的腦電信號(hào)輸入主控制器，將采集到的腦電信號(hào)利用典型相關(guān)分析進(jìn)行特征提取及分類識(shí)別；
4)識(shí)別結(jié)果通過(guò)屏幕輸出，完成視覺(jué)反饋后，返回步驟3)，進(jìn)行下一輪的目標(biāo)辨識(shí)。
本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺(jué)電位，設(shè)計(jì)了螺旋范式，圖案整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持亮度恒定，降低了使用者的視覺(jué)疲勞，提高了EEG信噪比，對(duì)注視目標(biāo)辨識(shí)準(zhǔn)確率也更高，具有低閃爍，低適應(yīng)性的特點(diǎn)，可以提升腦-機(jī)接口的交互性能。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的螺旋范式圖案。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。
一種螺旋運(yùn)動(dòng)視覺(jué)感知的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法，包括以下步驟：
1)螺旋范式設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)：
1.1)設(shè)計(jì)螺旋范式：
參照?qǐng)D1，將螺旋范式圖案寬和高都設(shè)為250像素；定義變量D，其值為這里將其圓整為D’；令[-D’，D’]間隔為1，生成一個(gè)大小為(2D’+1)×(2D’+1)的二維網(wǎng)格點(diǎn)，范式圖案像素點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)對(duì)應(yīng)于每一網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)；螺旋范式生成公式為：
S＝(L.*(1-cos(angle/d+r*d)))/2 (1)
其中S為范式圖案每一點(diǎn)亮度值；L為背景亮度值；d為螺旋條紋的個(gè)數(shù)，這里設(shè)為5；r和ang為螺旋運(yùn)動(dòng)范式圖案像素點(diǎn)(x,y)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)后的極軸與極角；
1.2)實(shí)現(xiàn)螺旋范式運(yùn)動(dòng)：
通過(guò)PSYCHTOOLBOX工具箱編程繪制范式圖案紋理，通過(guò)改變紋理旋轉(zhuǎn)角度Rangle實(shí)現(xiàn)螺旋范式運(yùn)動(dòng)，這里采用正弦方式實(shí)現(xiàn)螺旋范式運(yùn)動(dòng)，其中：
fc為運(yùn)動(dòng)頻率，即螺旋范式順-逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間的倒數(shù)；通過(guò)改變紋理旋轉(zhuǎn)角度Rangle由0到2π時(shí)，范式順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；紋理旋轉(zhuǎn)角度Rangle由2π到0時(shí)，紋理逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；在一個(gè)周期中，運(yùn)動(dòng)放向改變的頻率定義為運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f，運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f為運(yùn)動(dòng)頻率fc的2倍，采用運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f作為視覺(jué)刺激的基頻；
視覺(jué)刺激通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕呈現(xiàn)給使用者，圖像幀替換的頻率稱為屏幕刷新率fr，在生成幀圖象時(shí)，式(2)中的時(shí)間t必須根據(jù)屏幕刷新率離散化，即t(n)＝n/fr，其中n＝1,2,3…為幀序號(hào)，式(2)改寫為：
這時(shí)Rangle變?yōu)殡x散的時(shí)間序列，為保證其為周期序列fr/fc必須為整數(shù)；令Fc＝fr/fc為一個(gè)收縮-擴(kuò)張周期所需要的幀數(shù)，式(3)改寫為：
此時(shí)，運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式為：
根據(jù)式(5)計(jì)算準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f，根據(jù)式(4)計(jì)算離散化后的紋理旋轉(zhuǎn)角度Rangle；
2)搭建腦-機(jī)接口平臺(tái)：
電極帽通過(guò)腦電采集設(shè)備和主控制器的輸入連接，主控制器的輸出通過(guò)顯示屏擴(kuò)展和計(jì)算機(jī)屏幕的輸入連接，使用者頭戴電極帽端坐于屏幕前，頭部距離屏幕100-120cm,測(cè)量電極為O1、Oz、O2、POz、PO4和PO8，左耳垂放置參考電極，F(xiàn)Pz處為地電極，給各測(cè)量電極注入導(dǎo)電膏，保證電極與頭皮良好接觸；
3)范式呈現(xiàn)與識(shí)別：
主控制器通過(guò)顯示屏擴(kuò)展使計(jì)算機(jī)屏幕上呈現(xiàn)數(shù)個(gè)刺激頻率不同的螺旋范式，使用者每次注視刺激范式圖案中任意一個(gè)，通過(guò)腦電采集設(shè)備采集使用者注視范式圖案時(shí)產(chǎn)生的腦電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大、濾波與A/D轉(zhuǎn)換后，將處理后的腦電信號(hào)輸入主控制器，將采集到的腦電信號(hào)利用典型相關(guān)分析進(jìn)行特征提取及分類識(shí)別；
4)識(shí)別結(jié)果通過(guò)屏幕輸出，完成視覺(jué)反饋后，返回步驟3)，進(jìn)行下一輪的目標(biāo)辨識(shí)。