一种基于“开关到目标”的异步视觉诱发脑-机接口方法技术

技术编号:22165876 阅读:24 留言:0更新日期:2019-09-21 10:09
一种基于“开关到目标”的异步视觉诱发脑‑机接口方法,先安放电极和安装眼动仪,然后进行眼动仪校准,再通过构建的眼动仪开关界面进行开关单元选择,进入视觉诱发刺激界面,选择与开关单元相对应的刺激单元作为目标刺激,通过对采集到的脑电信号进行目标识别,完成目标识别任务;本发明专利技术将快速灵敏的眼球位置定位与异步视觉诱发脑机接口相结合,降低误触发率并使系统快速响应;同时在一定程度上增加使用舒适度和降低疲劳感。

An Asynchronous Visually Induced Brain-Computer Interface Method Based on Switch-to-Target

【技术实现步骤摘要】
一种基于“开关到目标”的异步视觉诱发脑-机接口方法
本专利技术涉及生物医学工程中神经工程及脑机接口
,具体涉及一种基于“开关到目标”的异步视觉诱发脑-机接口方法。
技术介绍
脑机接口是一种新型的人机交互方式,由于不依赖人体肌肉组织和外周神经通路,而使大脑与外界环境之间直接进行信息交流与有效交互,因而在医疗康复和工业控制中得到了广泛应用。其中,稳态视觉诱发脑机接口是一种通过注视特定频率的视觉刺激来诱发大脑响应的方法,具有抗干扰能力强、信息传输率高以及普通使用者无需训练即可诱发的优点,因而是常用脑机接口中最具实用价值的信号类型。目前,稳态诱发脑机接口通常有两种实现模式,一种是同步模式,其缺点是任务的起止时间由系统决定,使用者没有自主选择的权力;另一种模式为异步方式,异步方式相比同步方式更加灵活,使用者可在任务进行的过程中自主决定任务的起止时刻,因而代表了一种更为自然的交互方式,近年来逐渐兴起成为脑机接口的重点研究方向。但传统的异步脑机接口在连续采集脑电信号的过程中,由于环境干扰等因素影响可能造成目标误判,一般通过设置脑机“开关”的方式来有效降低误判率。异步脑机接口的“开关”按照信号种类可分为两种,一种是同质信号作为开关,即采用脑电信号作为开关,这种方式会造成多种脑电信号在时频空域内的混叠,增加信号辨识的复杂性;另一种是异质信号作为开关,即采用和脑电信号不同种类的信号作为开关,如采用眼电信号作为开关,这种方式能有效减少误触发。对于采用异质信号作为开关的方法,目前采用的多是一个开关对应多个刺激单元的一对多的多路开关形式,即在上层脑机“开关”打开后系统流程进入下层的多刺激目标脑机接口操作。这种方式不仅存在开关到目标的定位延迟,而且在视线从脑机“开关”转移到目标刺激单元的过程中会有可能产生视线划过非目标刺激单元的情况,造成非目标刺激单元的误触发,既造成了正确率下降,又造成脑机接口执行时间延长,不利于脑机接口的实用化。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点,本专利技术提出一种基于“开关到目标”的异步视觉诱发脑-机接口方法,降低误触发率并使系统快速响应;同时在一定程度上增加使用舒适度和降低疲劳感。为了达到上述目的,本专利技术采取的技术方案为:一种基于“开关到目标”的异步视觉诱发脑-机接口方法,包括以下步骤:步骤1,进行硬件连接:1.1)在使用者头部视觉枕区n个位置分别安放测量电极A1、A2、…、An,在其单侧耳垂位置安放参考电极R,在其前额Fpz位置安放地电极G;1.2)安装眼动仪:眼动仪居中放置在计算机屏幕的正下方,保持计算机屏幕与水平面夹角范围为90°~120°,通过眼动仪的校准程序调整使用者与计算机屏幕的距离m,距离m范围为40~90cm;步骤2,进入“开关到目标”的目标选择界面:“开关到目标”的目标选择界面分为开关界面和刺激界面;开关界面是由屏幕上N个开关单元S1、S2、…、Sn组成,每个开关单元是直径为D像素大小的圆,将当前人眼注视位置以左右眼注视位置横纵坐标分别取平均值的形式实时同步地显示在计算机屏幕上,当使用者的注视位置落在开关单元内时,开关打开,而当使用者的注视位置未落在开关单元内时,开关关闭;刺激界面是屏幕上显示的N个棋盘格运动刺激单元T1、T2、…、Tn,并且对应放置在开关界面中N个开关单元的位置,刺激单元通过正弦或余弦调制方式进行收缩和扩张,形成视觉刺激;开关单元与刺激单元位置重合且分时呈现,当使用者的注视位置落在任意一个开关单元内时,开关打开,开关单元消失,刺激单元出现,使用者选择该位置的刺激目标来进行识别任务;步骤3,对采集到的脑电信号进行目标识别,计算机同步记录刺激开始与结束的时间,并通过测量电极采集原始脑电信号,通过典型相关分析CCA(CanonicalCorrelationAnalysis)算法和线性判别分析LDA(LinearDiscriminantAnalysis)算法辨识使用者注视的目标;步骤4,判断单次识别任务是否结束,在单次识别任务进行的过程中,通过时间滑移窗截取相同长度的脑电数据进行目标识别,当相邻两次的目标识别结果相同时,则判断为目标,计算机通过屏幕指示出使用者所注视的目标,实现对使用者的视觉反馈,并且判定该单次识别任务结束;步骤5,计算机完成单次识别任务后,返回步骤2,恢复开关界面,此时刺激单元消失,开关单元出现,重复步骤2、步骤3和步骤4,进行下一次目标识别任务。所述的步骤3中通过典型相关分析CCA(CanonicalCorrelationAnalysis)算法和线性判别分析LDA(LinearDiscriminantAnalysis)算法辨识使用者注视的目标,具体包含以下操作:首先,对原始脑电信号作滤波和陷波处理,然后,通过CCA算法获得脑电数据与包含不同翻转频率的正弦参考信号间的相关程度系数,最后,将相关程度系数送入LDA算法进行分类学习。本专利技术的有益效果为:本专利技术方法将眼动追踪技术与异步稳态视觉诱发脑机接口技术相结合,显示了如下优越性:(1)相比于传统的同步脑机交互方式,本专利技术方法将眼动追踪技术引入脑机接口应用实施中,采用异步眼动开关的方式增加使用者的自主权并且降低使用者的疲劳度;(2)相比于传统的异步脑机交互方式,本专利技术方法采用一对一的脑机开关代替一对多的开关形式,以降低误触发率并使系统快速响应,提升脑机接口的实用性,使得大脑-机器交互过程更加友好。附图说明图1为本专利技术方法的流程图。图2为本专利技术开关界面和刺激界面的示意图。图3为本专利技术实施例通过时间滑移窗截取相同长度的脑电数据进行目标识别的示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步的详细说明。参照图1,一种基于“开关到目标”的异步视觉诱发脑-机接口方法,包含以下步骤:步骤1,进行硬件连接:1.1)在使用者头部视觉枕区PO3、POz、PO4、O1、Oz、O2位置分别安放测量电极,在其单侧耳垂位置安放参考电极R,在其前额Fpz位置安放地电极G;1.2)安装眼动仪:眼动仪居中放置在计算机屏幕的正下方,保证眼动仪的上边缘与计算机屏幕下边缘相齐,保持计算机屏幕与水平面夹角为110°,通过眼动仪的校准程序调整使用者与计算机屏幕的距离m=60±2(cm),采用五点法完成眼动仪的校准,即采用5个等直径为dr的白色校准点呈现给使用者,dr变化范围为0-10mm,其中五点的选取分别为计算机屏幕的中心位置点和计算机屏幕的四角,靠近计算机屏幕边缘顶点,其中任意一点到计算机屏幕的上/下边缘距离为b1=54mm,距离左/右边缘距离为b2=77mm,使用者依次观察计算机屏幕I呈现的5个校准点,由眼动仪M收集视觉参数信息并在计算机屏幕I上呈现校准结果,完成校准;步骤2,参照图2,进入“开关到目标”的目标选择界面:“开关到目标”的目标选择界面分为开关界面和刺激界面;开关界面是由屏幕上N=4个开关单元S1、S2、S3、S4组成,每个开关单元是直径为D=100像素大小的圆,将当前人眼注视位置以左右眼注视位置横纵坐标分别取平均值的形式实时同步地显示在计算机屏幕上,当使用者的注视位置落在开关单元内时,开关打开,而当使用者的注视位置未落在开关单元内时,开关关闭;刺激界面是屏幕上显示的N=4个棋盘格运动刺激单元T1、T2、T3、T4,本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种基于“开关到目标”的异步视觉诱发脑‑机接口方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,进行硬件连接:1.1)在使用者头部视觉枕区n个位置分别安放测量电极A1、A2、…、An,在其单侧耳垂位置安放参考电极R,在其前额Fpz位置安放地电极G;1.2)安装眼动仪:眼动仪居中放置在计算机屏幕的正下方,保持计算机屏幕与水平面夹角范围为90°~120°,通过眼动仪的校准程序调整使用者与计算机屏幕的距离m,距离m范围为40~90cm;步骤2,进入“开关到目标”的目标选择界面:“开关到目标”的目标选择界面分为开关界面和刺激界面;开关界面是由屏幕上N个开关单元S1、S2、…、Sn组成,每个开关单元是直径为D像素大小的圆,将当前人眼注视位置以左右眼注视位置横纵坐标分别取平均值的形式实时同步地显示在计算机屏幕上,当使用者的注视位置落在开关单元内时,开关打开,而当使用者的注视位置未落在开关单元内时,开关关闭;刺激界面是屏幕上显示的N个棋盘格运动刺激单元T1、T2、…、Tn,并且对应放置在开关界面中N个开关单元的位置,刺激单元通过正弦或余弦调制方式进行收缩和扩张,形成视觉刺激;开关单元与刺激单元位置重合且分时呈现,当使用者的注视位置落在任意一个开关单元内时,开关打开,开关单元消失,刺激单元出现,使用者选择该位置的刺激目标来进行识别任务;步骤3,对采集到的脑电信号进行目标识别,计算机同步记录刺激开始与结束的时间,并通过测量电极采集原始脑电信号,通过典型相关分析CCA(Canonical Correlation Analysis)算法和线性判别分析LDA(Linear Discriminant Analysis)算法辨识使用者注视的目标;步骤4,判断单次识别任务是否结束,在单次识别任务进行的过程中,通过时间滑移窗截取相同长度的脑电数据进行目标识别,当相邻两次的目标识别结果相同时,则判断为目标,计算机通过屏幕指示出使用者所注视的目标,实现对使用者的视觉反馈,并且判定该单次识别任务结束;步骤5,计算机完成单次识别任务后,返回步骤2,恢复开关界面,此时刺激单元消失,开关单元出现,重复步骤2、步骤3和步骤4,进行下一次目标识别任务。...

【技术特征摘要】
1.一种基于“开关到目标”的异步视觉诱发脑-机接口方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,进行硬件连接:1.1)在使用者头部视觉枕区n个位置分别安放测量电极A1、A2、…、An,在其单侧耳垂位置安放参考电极R,在其前额Fpz位置安放地电极G;1.2)安装眼动仪:眼动仪居中放置在计算机屏幕的正下方,保持计算机屏幕与水平面夹角范围为90°~120°,通过眼动仪的校准程序调整使用者与计算机屏幕的距离m,距离m范围为40~90cm;步骤2,进入“开关到目标”的目标选择界面:“开关到目标”的目标选择界面分为开关界面和刺激界面;开关界面是由屏幕上N个开关单元S1、S2、…、Sn组成,每个开关单元是直径为D像素大小的圆,将当前人眼注视位置以左右眼注视位置横纵坐标分别取平均值的形式实时同步地显示在计算机屏幕上,当使用者的注视位置落在开关单元内时,开关打开,而当使用者的注视位置未落在开关单元内时,开关关闭;刺激界面是屏幕上显示的N个棋盘格运动刺激单元T1、T2、…、Tn,并且对应放置在开关界面中N个开关单元的位置,刺激单元通过正弦或余弦调制方式进行收缩和扩张,形成视觉刺激;开关单元与刺激单元位置重合且分时呈现,当使用者的注视位置落在任意一个开关单元内时,开关打开,开关单元消失,刺激单元出现,使用者选择该位置的刺激目标来进行识别任务;步骤3,对采集到...

【专利技术属性】
技术研发人员:谢俊张玉彬杜光景薛涛曹国智徐光华李敏
申请(专利权)人:西安交通大学
类型:发明
国别省市:陕西,61

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1