基于异步并行诱发策略的混合范式脑-机接口制造技术

本发明专利技术涉及脑‑机接口技术领域，为诱发出更加稳定的脑电特征信号，得到完善的脑‑机接口系统，本发明专利技术采用的技术方案是，基于异步并行诱发策略的混合范式脑‑机接口，利用现场可编程门阵列FPGA产生信号控制LED闪烁刺激模块产生视觉刺激，采集被试者的脑电信号，经由脑电放大器放大，同时结合FPGA产生的信号，通过USB传递到计算机进行进行脑电分类识别，其中，FPGA控制若干LED闪烁刺激模块，FPGA产生信号为SSVEP信号，SSVEP信号使各闪烁刺激模块按各自频率异步诱发SSVEP‑B特征和阻断，且与P300并行诱发，在计算机上融合、进行脑电分类识别。本发明专利技术主要应用于脑‑机接口设备设计制造场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及脑-机接口
,具体讲，涉及基于异步并行诱发策略的混合范式脑-机接口。
技术介绍
脑-计算机接口(Brain-Computer Interface,BCI)简称脑-机接口，是指大脑不依赖于自身外周神经和骨骼肌肉等常规输出手段而仅凭大脑思维信息通过计算机控制外部设备的新技术。BCI技术的出现不仅为大脑提供了一种全新的对外信息交流和控制通路，也为肢体残障或语音系统受损而难与外界交流的人群提供了新的沟通途径。BCI要求系统能有效诱发使用者对外信息交流和控制意愿、准确检测其思维信息并及时转换成相关指令。对基于脑电(electroencephalography，EEG)的BCI系统而言，便捷高效的脑电诱发范式是决定其能否实际应用的初步关键，思维信息识别正确率(Accuracy)和信息传输速率(Information Transfer Rate,ITR)是评价BCI系统性能的主要指标。稳态视觉诱发电位(Steady-State Visual Evoked Potential,SSVEP)或事件相关电位(Event-Related Potential,ERP)中P300成分的诱发范式常用于传统基于EEG的BCI系统，可以达到较高的识别正确率和信息传输速率，但因特征信号单一、控制指令集太小且信息传输速率尚低而难以满足实用需求。为增加脑电特征种类、扩展指令规模并进一步提高BCI信息传输速率与系统性能，研究开发了结合不同范式以同时诱发多种脑电特征信号的混合范式脑-机接口(Hybrid Brain-Computer Interface,HBCI)系统并受到广泛关注。其常见的脑电组合诱发范式有SSVEP与P300信号，SSVEP与事件相关去同步(Event RelatedDesynchronization,ERD)信号，或P300与ERD信号等。HBCI系统因可采用多种脑电组合诱发范式而兼具各种范式的优势特征，并有扩充指令集能力使其能在执行多任务的情况下进一步提高系统工作效率。例如SSVEP与P300相结合的SP-BCI系统可以同时诱发SSVEP和P300特征信号，能综合SSVEP的高信噪比和异步兼容特点以及P300的大指令集优势并具有提高信息传输速率的潜在能力。为提高SSVEP检测性能，有人提出在SSVEP信号中加入阻断(blocking)特征构成SSVEP-B(SSVEP-blocking)信号，再将SSVEP-B和P300信号组合构成混合诱发范式的SP-BCI拼写系统，融合所诱发的这两种信号特征可进一步提高拼写准确度和信息传输速率。然而因存在同步阻断、阻断时间过长等问题，使之信息传输效率仍难达理想。分析其原因还在于尚未能充分发挥该系统可有多种脑电诱发组合范式的优势，仍未充分挖掘其可能提升信息传输速率的内在潜力。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，增加在区分子speller时的可用信息特征，并诱发出更加稳定的脑电特征信号。进一步研究可以得到完善的脑-机接口系统，获得可观的社会效益和经济效益。 本专利技术采用的技术方案是，基于异步并行诱发策略的混合范式脑-机接口，步骤如下：利用现场可编程门阵列FPGA产生信号控制LED闪烁刺激模块产生视觉刺激，采集被试者的脑电信号，经由脑电放大器放大，同时结合FPGA产生的时序信号，通过USB传递到计算机进行脑电分类识别，其中，FPGA控制若干LED闪烁刺激模块，FPGA控制LED灯闪烁诱发SSVEP信号，同时控制各闪烁刺激模块按各自频率异步诱发SSVEP-B特和P300特征，在计算机上融合SSVEP、SSVEP-B与P300特征信息进行脑电分类识别。脑电刺激诱发界面speller由六个独立的LED闪烁刺激子模块即子speller组成，分别以14Hz、15Hz、16Hz、17Hz、18Hz、19Hz频率各自独立闪烁来产生视觉刺激，对于每一个子speller，6个字符依次阻断一次称作一轮，而字符的每次阻断称作一个试次，不同speller中字符的阻断的顺序是一样的，但是对应字符阻断产生的时刻是不同的。区分不同的speller具体公式为：speller(i,t)＝maxm(Ya)(4)公式(4)中Y＝(y1y2…yd)，是测试字符的SSVEP信号的d维特征向量，a是由其他143个字符的特征向量训练得到的分类器，也即由公式(2)计算得到，求得6个Ya值的最大值所在位置即为该测试字符所在的speller；Js(a)=||Ya-b||2=Σi=1N(aTyi-bi)2---(2)]]>其中，T表示转置，i＝1，2…..，d，Y是特征矩阵，a是一个权向量，b＝Ya，为使Ya-b最小，即误差最小，则需要求得使Js(a)值最小的权向量利用伪逆法，求得：a→=(YTY)-1YTb---(3).]]>本专利技术的特点及有益效果是：本专利技术提出了异步闪烁和异步阻断的诱发策略，即不同刺激模块中指令的闪烁和阻断按照各自的频率进行，互相不影响，从而增加了在区分子speller时的可用信息特征，并诱发出了更加稳定的脑电特征信号，且能扩大系统指令集，算法上结合了最小平方误差方法和阶梯式线性判别分析法，针对十名被试的离线结果显示系统的平均分类正确率为84.5％，最高理论信息传输速率为89.5bit/min，表明本专利技术提出的新策略可以有效提升BCI系统的分类正确率和信息传输速率。附图说明：图1结构示意图。图1为本专利技术的结构示意图。该设计包括脑电电极和脑电放大器等脑电采集系统，FPGA视觉刺激系统和计算机等部分。使用NeuroScan公司生产的脑电数字采集系统采集脑电。利用FPGA产生信号控制LED闪烁刺激模块产生视觉刺激，采集被试者的脑电信号，经由脑电放大器放大，同时结合FPGA产生的时序信号，通过USB传递到计算机。图2字符闪烁时序。图3 Fisher线性判别法的几何原理图示。具体实施方式稳态视觉诱发电位(SSVEP)与事件相关电位中P300成分相结合的混合范式脑-机接口(SP-BCI)系统可同时诱发两种特征脑电信号并综合前者的高信噪比和异步兼容特点及后者的大指令集优势，具有提高系统信息传输速率的潜在能力。本专利技术设计了一种SSVEP按各自频率异步诱发和阻断(诱发SSVEP-B特征)且与P300并行诱发的新策略，后融合SSVEP、SSVEP-B与P300特征信息进行脑电分类识别。经离线测试实验结果表明，该策略有助于提高BCI信息识别正确率和信息传输速率，有关研究思路与技术可供混合范式脑-机接口系统设计与推广应用参考。技术流程是：设计新范式实验，搭建好实验所需的脑电信号诱发装置，然后在实验系统指导下，采集受试者脑电信号数据，将其存储后再进行一定的预处理、特征提取，最后使用最小平方误差法和阶梯式线性判别分析法进行分类计算，得到系统分类正确率和信息传输率。图1为本专利技术的结构示意图。该设计包括脑电电极和脑电放大器等脑电采集系统，FPGA视觉刺激系统和计算机等部分。使用NeuroScan公司生产的脑电数字采集系统采集脑电。利用FPGA产生信号控制LED闪烁刺激模块产生视觉刺激，采集被试者的脑电信号，经由脑电放大器放大，同时结合FPGA产生的时序信号，通过USB传递到计算机。1刺激模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于异步并行诱发策略的混合范式脑‑机接口，其特征是，利用现场可编程门阵列FPGA产生信号控制LED闪烁刺激模块产生视觉刺激，采集被试者的脑电信号，经由脑电放大器放大，同时结合FPGA产生的信号，通过USB传递到计算机进行脑电分类识别，其中，FPGA控制若干LED闪烁刺激模块，FPGA控制LED灯闪烁诱发产生SSVEP信号，同时控制各闪烁刺激模块按各自频率异步阻断诱发SSVEP‑B特征和P300特征，在计算机上融合SSVEP、SSVEP‑B与P300特征信息进行脑电分类识别。

【技术特征摘要】
1.一种基于异步并行诱发策略的混合范式脑-机接口，其特征是，利用现场可编程门阵列FPGA产生信号控制LED闪烁刺激模块产生视觉刺激，采集被试者的脑电信号，经由脑电放大器放大，同时结合FPGA产生的信号，通过USB传递到计算机进行脑电分类识别，其中，FPGA控制若干LED闪烁刺激模块，FPGA控制LED灯闪烁诱发产生SSVEP信号，同时控制各闪烁刺激模块按各自频率异步阻断诱发SSVEP-B特征和P300特征，在计算机上融合SSVEP、SSVEP-B与P300特征信息进行脑电分类识别。2.如权利要求1所述的基于异步并行诱发策略的混合范式脑-机接口，其特征是，脑电刺激诱发界面speller由六个独立的LED闪烁刺激子模块即子speller组成，分别以14Hz、15Hz、16Hz、17Hz、18Hz、19Hz频率各自独立闪烁来产生视觉刺激，对于每一个子speller，6个字符依次阻断一次称作一轮，而字符的...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖晓琳，綦宏志，许敏鹏，汤佳贝，明东，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12