一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统技术方案

本发明专利技术公开了一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统，包括：P300视觉刺激装置、脑电采集系统和计算机，P300视觉刺激装置，用于闪烁刺激范式，对用户想要拼写的目标字符发生闪烁刺激；脑电采集系统，用于探测脑电信号，并进行放大、滤波处理；计算机，接收脑电采集系统传输的处理后脑电信号，从处理后脑电信号中提取视觉诱发P300电位特征信号，根据视觉诱发P300电位特征信号、以及基于贝叶斯准则下动态停止策略的阈值，判别目标字符输出与否。本发明专利技术克服了传统静态闪烁刺激范式存在的信息传输速率低的缺陷，更接近实际应用，有望为新型BCI-Speller提供关键技术保障，也为脑-机接口尽快步入大范围应用阶段奠定基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及脑-机接口领域，尤其涉及一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统。
技术介绍
第一次脑-机接口(Brain-ComputerInterface，BCI)国际会议给出的BCI的定义是：“BCI是一种不依赖于大脑外围神经与肌肉正常输出通道的通讯控制系统。”目前的研究成果中，它主要是通过采集和分析不同状态下人的脑电信号，然后使用一定的工程技术手段在人脑与计算机或其它电子设备之间建立起直接的交流和控制通道，从而实现一种全新的信息交换与控制技术，即可以不需语言或肢体动作，直接通过脑电控制来表达意愿或操纵外界设备。为此，BCI技术也越来越受到重视。在脑-机接口的研究中，基于P300信号的脑-机接口被普遍认为是最稳定高效的脑控拼写方式，属于脑-机接口拼写系统(BCI-Speller)，它无需对被试进行训练，实验简单方便易行。信号采集需要的电极较少，六到十个电极就可以采集到足够的信息，有很强的可操作性。此外，在头皮上就可以记录到较强的P300信号，有很高的信噪比和稳定的锁时性。基于上述优点，对于P300信号的深入研究及开发一种实用便携式的脑控拼写系统有助于更加清楚地了解人类大脑，实现真正的人机交互，具有很强的理论与应用价值。伴随着特征提取、模式识别算法的日益成熟，对BCI-Speller的研究更加细化，信息传输速率是评价BCI-Speller系统性能的重要指标之一，然而目前的BCI-Speller的研究成果并不理想，尚不能满足实际生活交流的应用。主要在于系统设计中，针对固定指令集及固定次数视觉刺激后指令输出模式的BCI-Speller，系统速度和正确率会相互制约，从而影响系统的信息传输速率。于是对字符指令输出决策方式的设计成为了研究的热点之一，通过改变判别指令输出策略的方式能够有效地改善视觉BCI-Speller的性能。因此，考虑系统速度、正确率之间的平衡问题，提供一种新型的动态停止判别指令输出的策略，对于BCI-Speller系统的实用化研究具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种动态停止判别策略下的脑-机接口拼写系统，本专利技术在利用调整基于贝叶斯准则下动态停止标准的参数策略，动态、在线地实现BCI-Speller视觉刺激及指令输出，更接近实际交互应用，有望为新型BCI-Speller提供关键技术保障，详见下文描述：一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统，所述脑-机接口拼写系统包括：P300视觉刺激装置、脑电采集系统和计算机，所述P300视觉刺激装置，用于闪烁刺激范式，对用户想要拼写的目标字符发生闪烁刺激；所述脑电采集系统，用于探测脑电信号，并进行放大、滤波处理；所述计算机，接收所述脑电采集系统传输的处理后脑电信号，从处理后脑电信号中提取视觉诱发P300电位特征信号，根据所述视觉诱发P300电位特征信号、以及基于贝叶斯准则下动态停止策略的阈值，判别目标字符输出与否。所述脑电信号中视觉诱发P300电位特征信号的具体提取方法为：s^(k)=1NΣi=1Nxi(k)=s(k)+1NΣi=1Nni(k)]]>式中，为对多次测量脑电信号的叠加平均；xi(k)表示第i次记录到的脑电信号；s(k)为脑电信号中所要提取的视觉诱发P300电位特征信号；ni(k)表示第i次记录到的噪声信号；变量k表示记录中第k个采样值。所述根据所述视觉诱发P300电位特征信号、以及基于贝叶斯准则下动态停止策略的阈值，判别目标字符输出与否具体为：通过线性判别分析对提取的视觉诱发P300电位特征信号进行分类识别，识别出当前刺激是目标还是非目标字符；当字符概率大于设定阈值，则输出当前字符指令，进入下一个字符的拼写，即实现了字符指令输出的动态停止。所述字符概率具体为：p(C|xi,Si,X)=p(C|X)p(xi|C,Si)Σip(C|X)p(xi|C,Si)]]>式中，p(C|X)是根据已有分类器输出得到的当前字符为目标字符的概率估计；p(xi|C,Si)是分类器输出为xi的可能性，表示字符是否在闪烁集合Si中；分母表示到第i个闪烁集合下的当前所有字符概率之和，即全概率。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：本专利技术实施例实现了视觉刺激BCI-Speller系统字符指令输出的动态停止，利用调整贝叶斯准则下动态停止标准的参数策略，能够动态、在线地实现脑控拼写过程，克服了传统静态闪烁刺激范式存在的信息传输速率低的缺陷，更接近实际应用，有望为新型BCI-Speller提供关键技术保障，也为脑-机接口尽快步入大范围应用阶段奠定基础。附图说明图1(a)为一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统的结构框图；图1(b)为脑电采集导联分布图；图2为P300闪烁视觉刺激范式；图3为刺激范式时序示意图；图4为基于贝叶斯准则下的动态停止策略应用流程图；图5为五名被试DSC策略与SSC策略下传输率对比效果图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。正常人当受到小概率(10％-30％)靶事件刺激后会产生存在于脑电中的一种特定模式信号，即P300信号，因其在脑电信号中位于刺激点后300ms左右的一个正向峰电位而得名。本系统设计将传统基于P300信号的BCI-Speller固定次数视觉刺激后指令输出模式变成基于动态停止判别方法决策指令输出模式，从而提高系统实时性及其信息传输速率。其技术流程是：设计在线实验，搭建好实验所需的脑电信号采集装置，然后在实验系统指导下，采集操作者脑电信号数据，将其存储后再进行一定的预处理、特征提取、分类识别，进而使用贝叶斯准则下的动态停止判别方法决策指令输出，最后分析系统的实时性和信息传输速率。实施例1一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统，参见图1(a)、图1(b)和图2，该脑-机接口拼写系统包括：P300视觉刺激装置1、脑电采集系统2(包括脑电电极和脑电放大器等)、以及计算机3。本专利技术实施例使用Neuroscan公司生产的脑电数字采集系统(即图1(a)所述脑电采集系统2)采集脑电，采集六个通道(Fz、Cz、Pz、Oz、P7、P8，参见图1(b))的脑电数据。参见图2，用户安静地坐于距屏幕约1m的靠椅上，注视计算机屏幕上的刺激范式的闪烁(即图1(a)所述P300视觉刺激装置1)。在此过程中对应用户想要拼写的目标字符发生闪烁刺激，其脑电也会产生相应的变化：脑电信号在大脑皮层产生，由脑电电极探测后经过脑电放本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态停止策略下的脑‑机接口拼写系统，所述脑‑机接口拼写系统包括：P300视觉刺激装置、脑电采集系统和计算机，其特征在于，所述P300视觉刺激装置，用于闪烁刺激范式，对用户想要拼写的目标字符发生闪烁刺激；所述脑电采集系统，用于探测脑电信号，并进行放大、滤波处理；所述计算机，接收所述脑电采集系统传输的处理后脑电信号，从处理后脑电信号中提取视觉诱发P300电位特征信号，根据所述视觉诱发P300电位特征信号、以及基于贝叶斯准则下动态停止策略的阈值，判别目标字符输出与否。

【技术特征摘要】
1.一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统，所述脑-机接口拼写系统包括：P300视
觉刺激装置、脑电采集系统和计算机，其特征在于，
所述P300视觉刺激装置，用于闪烁刺激范式，对用户想要拼写的目标字符发生闪烁刺
激；
所述脑电采集系统，用于探测脑电信号，并进行放大、滤波处理；
所述计算机，接收所述脑电采集系统传输的处理后脑电信号，从处理后脑电信号中提
取视觉诱发P300电位特征信号，根据所述视觉诱发P300电位特征信号、以及基于贝叶斯准
则下动态停止策略的阈值，判别目标字符输出与否。
2.根据权利要求1所述的一种动态停止策略下的脑-机接口拼写系统，其特征在于，所
述脑电信号中视觉诱发P300电位特征信号的提取方法具体为：
s^(k)=1NΣi=1Nxi(k)=s(k)+1NΣi=1Nni(k)]]>式中，为对多次测量脑电信号的叠加平均；xi(k)表示第i次记录到的脑电信号；s
(k)为脑电信号中所要提取的视觉诱发P300电位特征信号；ni(k)表示第i次记录...

【专利技术属性】
技术研发人员：明东，王仲朋，陈龙，郭仡，赵雅薇，许敏鹏，綦宏志，周鹏，杨佳佳，何峰，张力新，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12