基于SSVEP脑机接口的脑电波指令识别方法技术

本发明专利技术申请公开了脑指令的识别技术，具体涉及基于SSVEP脑机接口的脑电波指令识别方法。基于SSVEP脑机接口的脑电波指令识别方法，通过刺激源的闪烁频率对人的视觉进行刺激，采用“指令码元+特征位”的方法对刺激源进行编解码，其中指令码元为指令的编码，特征位处于确定位数的指令码元之间，起间隔识别的作用；使用电极采集受到刺激产生的脑电信号；将采集到的原始脑电信号进行滤波与解调，最终获得指令码元，从而获得想要的指令类型。本发明专利技术提出了增加特征位用于间隔识别的方法，克服了现有技术中存在的需要学习训练操作，检测结果错误率高，扩展指令数少等缺陷，提供了一种能对SSVEP脑电波信号与指令编码进行关联的脑电波指令识别方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种脑指令识别技术，具体涉及基于SSVEP脑机接口的脑电波指令识别方法。
技术介绍
研究表明，当受到一个固定频率的视觉刺激的时候，人的大脑视觉皮层会产生一个连续的与刺激频率有关(刺激频率的基频或倍频处)的响应。这个响应被称为稳态视觉诱发电位一Steady-State Visual Evoked Potentials, SSVEP。它可以可靠地应用于脑-机接口系统(BCIs)。为了接收、检测并分析SSVEP信号，现有技术提供了一种FM-SSVEP刺激器系统，一种基于固定频率的稳态视觉刺激器系统，是指利用固定的几个不同的频率分别作为刺激信号，然后采集大脑在受到这些刺激时的脑电信号，进行数据分析和处理，进而得到SSVEP信号的频率，通过SSVEP信号的标志频率与刺激信号的频率进行对比，即可反馈出刺激信号的信息，从而完成指令的传递，该技术可应用到使用脑电拨号、控制等多个领域。由于SSVEP中刺激信号有效频段较窄的特点，FM-SSVEP是利用几个不同的固定频率为指令进行编码，那么就存在频率分布的问题，另外由于在进行信号分析处理时，倍频干扰的存在更加限制了 FM-SSVEP的应用，造成频率分布拥挤，指令编码数少，易相互干扰，解调和识别难等诸多缺陷。而FM-SSVEP由于其技术本身的限制，很难来解决这些问题，这就限制了刺激器的发展，当应对多指令应用时捉襟见肘。为了解决上述技术问题，现有采用FSK技术替代FM技术，提供了一种FSK-SSVEP刺激器系统(SSVEP-Based Brain - Computer Interfaces Using FSK-Modulated VisualStimuli, IEEE TRANSACT1NS ON B1MEDICAL ENGINEERING, VOL.60，N0.10，OCTOBER2013)，(如图1所示)通过频移键控的方式设计一系列将进行排列组合的指令编码，再根据一一对应的原则，将各指令编码与特定的指令进行一一对应，也将各指令编码与特定的刺激信号进行一一对应。采用训练学习的方法，先采用一种指令编码所对应的刺激信号来作用人眼，然后采集人脑对应的SSVEP脑电波信号，并采用处理设备“记住”此时SSVEP脑电波信号，再采用编程的方式，使处理设备将SSVEP脑电波信号与训练用的指令编码硬性关联起来。以此方法实现每种编码与对应SSVEP脑电波信号的关联。实际应用时，处理设备只需要识别SSVEP脑电波信号与所“记住”哪一个电波信号图形比对相同，就能直接得出与其硬性关联的编码以及相关的指令信息。上述处理方法实现的是SSVEP脑电波信号与指令编码的硬性关联，需要进行多次(与指令编码数量相同)训练学习，使处理设备预先记住所有指令编码对应的电波信号图形后才能投入应用。
技术实现思路
本专利技术意在提供一种基于SSVEP脑机接口的脑电波指令识别方法，相应的SSVEP脑机接口在使用前无需训练学习，就能对SSVEP脑电波信号与指令进行自动关联的脑电波指令识别方法，应用该方法的出错率低。本方案中的基于SSVEP脑机接口的脑电波指令识别方法，包括如下步骤: a.FSK编码，设计与具体指令一一对应的指令编码，所述指令编码包括码元和特征位，码元是由确定位数的标志位组成，所述标志位包括“0”与“ 1 ”，所述标志位通过排列组合形成与指令数量一致的码元，所述特征位为“2”，位于指令编码的起始位和/或终止位； b.将屏幕上划分出与各指令编码一一对应的显示区域，由三种频率f。、fJPf2信号分别表征两个标志位与一个特征位；按照指令编码中标志位与特征位的排列顺序，在与指令编码对应的显示区域内依次显示频率值为f。、匕和f 2的闪烁刺激信号，统一设定每次闪烁刺激信号的持续时间为T ;f。、匕和f 2中任意两值相乘的乘积即为两者的最小公倍数； c.观视者根据自身对具体指令的需要，根据一一对应关系，注视屏幕上的某一个显示区域，然后采集观视者的SSVEP信号； d.对步骤c处理后的SSVEP信号进行解调，分析SSVEP信号内三种频率f。、匕和^信号的时域分布状况，根据频率与标记位及特征位的一一对应关系，解码并组合出对应的码元；根据码元与指令的对应关系，解析出对应的具体指令。采用本专利技术的技术方案，具有如下技术效果: 1、本专利技术中具体指令、指令编码、码元与显示区域成一一对应关系；闪烁刺激信号的频率、标志位及特征位、步骤d中SSVEP信号内所有频率信号的频率成一一对应关系。具体指令、指令编码、码元与显示区域的对应关系只需要一次统一预设即可，不需要进行多次学习训练。闪烁刺激信号的频率与步骤d中SSVEP信号内所有频率信号的频率均是数值信息，它们之间呈相等或倍频的对应关系，属于简单的数值计算，不需要进行图形比对，对应关系能够快速建立。为了防止f。、f#Pf2三者的频率与其中一个的倍频信号相同，特限定f。、fJPf2中任意两值相乘的乘积即为两者的最小公倍数，由此来降低重合的概率，避免错误识别。所述特征位与标志位是编码用的信息元，而且仅有三种，虽然频率值与特征位、标志位之间的关联属于人为硬性设定的对应关系，但是它们之间对应关系的建立仅需要人为进行初始指定即可。与现有技术的多次学习训练，一一指定，然后再进行图形比对相比，本专利技术采用对应设定能够快速建立，操作也较为方便。而且通过图形比实现编码匹配(将标准图形与检测图形均转设成编码)易出现误判，对抗干扰的能力较差，本专利技术的码元-频率的对应关系更能体现信号本身真实的SSVEP信号信息，而不是图形相似度或编码匹配关系。另外本专利技术独创性地采用第三种码元作为区分相邻码元的特征位“2”(现有技术是采用0与1的特殊组合实现相应的效果)，由于特征位与码元完全不同，而且仅用于区分相邻码元，这样在分析长串编码时，人或智能设备都能快速准确识别出码元，避免由于没有特征位或用重复出现的0、1组成特征位所造成的识别错误，提高了识别效率，降低了错误率。而且特征位可以放在码元的起始位，也可以放在末位，也可以起始位与末位均设置特征位。进一步，所述步骤c后，对所采集的SSVEP信号进行滤波，然后进入步骤d中。对SSVEP信号进行滤波可以保证后续解调时的准确性。进一步，所述滤波，其步骤包括滤出5Hz?30Hz的信号；将该频段的信号进行FFT变换，将信号从时域转换到频域，然后进行滤波，对滤波后的信号再经IFFT变换，转换到时域；将经IFFT转换后所得的信号作为SSVEP信号，进入到步骤d中。进一步，所述滤波，其步骤包括滤出5Hz?30Hz的信号；对该频段的信号采用小波变换处理，将SSVEP信号分离出来，然后进入到步骤d中。SSVEP信号的特点:稳态刺激的频率一般大于6Hz，在刺激大于6Hz时，每一次刺激所引起的瞬态VEP会在时间上发生重叠，继而形成稳态视觉诱发电位。SSVEP信号的有效频段较窄，根据脑神经科学的研究表明能够使神经系统产生相应的稳态诱发的电位的刺激频率处在一个相对较窄的频带，当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于SSVEP脑机接口的脑电波指令识别方法，其特征在于，包括如下步骤: a.FSK编码，设计与具体指令一一对应的指令编码，所述指令编码包括码元和特征位，码元是由确定位数的标志位组成，所述标志位包括“0”与“1”，所述标志位通过排列组合形成与指令数量一致的码元，所述特征位为“2”，位于指令编码的起始位和/或终止位； b. 将屏幕上划分出与各指令编码一一对应的显示区域，由三种频率f0、 f1和f2信号分别表征两个标志位与一个特征位；按照指令编码中标志位与特征位的排列顺序，在与指令编码对应的显示区域内依次显示频率值为f0、 f1和f2的闪烁刺激信号，统一设定每次闪烁刺激信号的持续时间为T；f0、 f1和f2中任意两值相乘的乘积即为两者的最小公倍数； c.观视者根据自身对具体指令的需要，根据一一对应关系，注视屏幕上的某一个显示区域；然后采集观视者的SSVEP信号； d.对步骤c处理后的SSVEP信号进行解调，分析SSVEP信号内三种频率f0、 f1和f2信号的时域分布状况，根据频率与标记位及特征位的一一对应关系，解码并组合出对应的码元；根据码元与指令的对应关系，解析出对应的具体指令。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵德春，孙齐峰，赵兴，谭发江，龙欣，吴代杨，田银，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85