一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统及实现方法技术方案

本发明专利技术涉及脑机接口技术领域，具体涉及一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统及实现方法。本发明专利技术包括：包括信息采集部分、信号处理部分、分类识别部分和反馈环节四个组成部分，所述信息采集部分用于采集大脑的脑电信号，所述信号处理部分将采集到的脑电信号去除原始信号其中的眼电、心电以及信号干扰，所述分类识别部分用于实现字符输出，所述反馈环节将分类识别部分的效果反馈给用户，所述信息采集部分上还设有视觉刺激设备。

A Brain-Computer Interface Character Input System Based on Enhanced Attention and Its Implementation

【技术实现步骤摘要】
一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统及实现方法
本专利技术涉及脑机接口
，具体涉及一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统及实现方法。
技术介绍
脑机接口(Brain-ComputerInterface,BCI)是一种不依赖于生物自身神经通路和肌肉组织的联系，在人或动物的大脑与外部设备间建立设备化的人工连接通路。其涉及到神经科学、信号检测、信号处理、模式识别等多学科交叉的知识，是目前脑科学研究领域的热点研究问题之一。脑机接口作为一种全新的信息交换技术，能够为人们提供一种与外界进行交流的新途径，特别对于有语言障碍或者严重瘫痪但脑功能正常的患者来说脑机接口系统为他们提供了一个与外界进行交互的新通道。目前常用于脑机接口系统的脑电信号主要分为四类：慢变皮层电位(SlowCorticalPotential,SCP)、稳态视觉诱发电位(Steady-StateVisualEvokedPotential,SSVEP)、基于运动想象Mu/Beta节律、事件相关电位(Event-relatedPotentials，ERPs)。慢皮层电位(SlowCorticalPotential,SCP)反映的是大脑皮层中的低频部分产生的缓慢的电压变化，受试者需要经过反复的训练形成条件反射，在反馈信息出现时能够有意识的控制慢皮层电位的正负向变化。在稳态视觉诱发电位(Steady-StateVisualEvokedPotential,SSVEP)系统中，当受试者受到一个固定频率的视觉刺激的时候，在大脑视觉皮层会产生一个连续的与刺激频率有关的响应，这个响应被称为稳态视觉诱发电位，虽然该系统具有可分类目标数多、单次识别率高且训练时间短的优势，但长时间的观察容易让人产生疲劳甚至引发癫痫。而基于运动想象Mu/Beta节律的脑电信号，当人在想象不同的肢体进行运动时，会引起相应肢体感觉运动皮层区域mu节律的减少，这种减少叫做“事件相关去同步化”，通过识别不同脑区mu节律能量的下降，实现对具体运动想象肢体的判断。事件相关去同步主要针对两种运动想象任务的研究，对三种及以上运动想象任务的分类准确度将大打折扣。相对来说，基于事件相关电位(ERP)的脑机接口技术，不需要受试者提前训练，配置要求简洁，操作简单，在多分类的情况下也可以达到相对较高的分类准确率。目前事件相关电位基本都是采用P300视觉刺激呈现范式，而基于P300视觉刺激呈现范式的字符输入系统其速率仍然无法达到实用的目的。研究人员希望通过改变刺激呈现范式来达到提高系统性能的目的。其中，增加刺激图片的认知工作量或者新颖性可以提高系统性能，但是在长期注视情况下，更容易引起使用者的疲劳也会使新颖性降。在进行视觉刺激的过程中加入听觉刺激，也是提高字符拼写系统性能的手段之一，但同时也就要求使用者需要投入更多的精力。
技术实现思路
为了克服
技术介绍
的不足，本专利技术提供一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统：本专利技术的技术方案是：包括信息采集部分、信号处理部分、分类识别部分和反馈环节四个组成部分，所述信息采集部分用于采集大脑的脑电信号，所述信号处理部分将采集到的脑电信号去除原始信号其中的眼电、心电以及信号干扰，所述分类识别部分用于实现字符输出，所述反馈环节将分类识别部分的控制效果反馈给使用者，所述信息采集部分上还设有视觉刺激设备。优选地，所述信号处理部分由预处理模块、特征提取模块组成，所述预处理模块具有带通滤波、基线校正、设置阈值功能，所述特征提取模块具有降采样、组合特征向量功能。优选地，所述分类识别部分具有使用训练好的分类器识别脑电特征向量功能。优选地，所述信息采集部分采集用户大脑皮层14个电极的原始脑电信号，所述14个电极的采集位置按国际10-20系统脑电极分布图上的Fz，F3，F4，P7，P8，Cz，C3，C4，Pz，P3，P4，Oz，O1，O2。本专利技术的目的还在于提供一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统的实现方法。本专利技术控制方法的控制步骤如下：1)所述视觉刺激设备显示有6×7的字符矩阵，42个字符按照虚拟矩阵的行列分成13组，在系统运行过程中，13组字符伪随机的会被半透明的绿圆覆盖，引起大脑皮层事件相关电位反应，所述绿圆被一条红色水平直线分割成上下两个半圆，一个红色实心圆点随机呈现在两个半圆的一个内，形成了一个小的视觉目标，使用者想输入某一个字符时，就将注意力集中于覆盖在该字符上的绿圆中的红色圆点上，实现了增强视觉注意的目的，达到诱发更高质量的事件相关电位，使用脑电放大器对原始脑电信号进行采集、放大与模数转换，信号采集设备的采样频率为250Hz；2)所述信号处理部分依次进行预处理、特征提取两个步骤，所述预处理步骤对反应目标字符的原始脑电信号进行0.01-30Hz带通滤波，然后选取刺激开始前100ms和刺激后800ms用作信号处理和分析，并使用所选取信号-100ms～0ms进行基线校正，设置±80μv的脑电信号振幅阈值去除异常信号，经过信号预处理阶段，我们将去除原始信号中的眼电、心电以及信号干扰等伪迹，保留有效的脑电成分；所述特征提取步骤将降低原始信号的采样点以便于特征分类，在每个通道采集到的-100ms～800ms的信号时长内，确定最能代表目标信号特征的时间段160-688ms，对所选时段内的信号数据进行降采样，每4个采样点取一个数据点，则采样频率由250Hz变为62.5Hz，最终每个通道的提取34个采样点，由于我们使用了14个电极通道，因此组合特征向量为14×34；3)所述分类识别部分通过对分类器进行训练，得到目标字符识别的分类模型，然后对输入的未知字符的特征向量进行字符识别，得到识别出的字符；4)所述信息反馈环节将分类器识别出的字符呈现在使用者面前的屏幕上，若该字符是使用者期望的目标字符则进行下一个字符的输出，否则可进行删除，至此，整个系统的工作流程完成，基于强化注意的脑机接口字符输入系统及实现方法得到实现。优选地，所述第一步骤中红色圆点放置在绿圈的上部或下部。优选地，所述第三步骤中采用贝叶斯线性回归分类算法，首先通过特征向量构建目标字符的分类模型，然后对采集到的用户脑电信号经过预处理后进行分类识别。本专利技术的有益效果是，通过使用新的呈现范式，为拥有正常的思维能力，却无法控制肌肉运动的肢体高度瘫痪患者使用，让使用者能够通过所述系统输出期望字符(即目标字符)与他人实现正常的交流，表达自己的想法和需求，提高患者自主生活能力，系统可以在更短的时间内获得更高的字符拼写准确率，达到提高字符输出速率的目的。附图说明图1是本专利技术的系统模块结构图。图2是本专利技术视觉刺激设备上显示的6×7字符矩阵。图3是本专利技术用于字符分组的虚拟字符矩阵。图4是国际10-20系统脑电极分布图具体实施方式下面针对附图对本专利技术的实施例作进一步说明：如图1-图4所示，本实施例提供一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统，包括信息采集部分、信号处理部分、分类识别部分和反馈环节四个组成部分，所述信息采集部分用于采集大脑的脑电信号，所述信号处理部分将采集到的脑电信号去除原始信号其中的眼电、心电以及信号干扰，所述分类识别部分用于实现字符输出，所述反馈环节将分类识别部分的控制效果反馈给患者，所述信息采集部分上还设有视觉刺激设备。实现目标字符的输出，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统，其特征在于：包括信息采集部分、信号处理部分、分类识别部分和反馈环节四个组成部分，所述信息采集部分用于采集大脑的脑电信号，所述信号处理部分将采集到的脑电信号去除原始信号其中的眼电、心电以及信号干扰，所述分类识别部分用于控制外部设备或实现字符输出，所述反馈环节将分类识别部分的效果反馈给患者使用者，所述信息采集部分上还设有视觉刺激设备。

【技术特征摘要】
1.一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统，其特征在于：包括信息采集部分、信号处理部分、分类识别部分和反馈环节四个组成部分，所述信息采集部分用于采集大脑的脑电信号，所述信号处理部分将采集到的脑电信号去除原始信号其中的眼电、心电以及信号干扰，所述分类识别部分用于控制外部设备或实现字符输出，所述反馈环节将分类识别部分的效果反馈给患者使用者，所述信息采集部分上还设有视觉刺激设备。2.根据权利要求1所述一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统，其特征在于：所述信号处理部分由预处理模块、特征提取模块组成，所述预处理模块具有带通滤波、基线校正、设置阈值功能，所述特征提取模块具有降采样、组合特征向量功能。3.根据权利要求1所述一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统，其特征在于：所述分类识别部分具有使用训练好的分类算法得出目标分类模型器、识别输入脑电特征向量功能。4.根据权利要求1所述一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统，其特征在于：所述信息采集部分采集用户大脑皮层14个电位电极的原始脑电信号，所述14个电位电极的采集位置按国际10-20系统脑电极位记录标准分布图上的Fz，F3，F4，P7，P8，Cz，C3，C4，Pz，P3，P4，Oz，O1，O2。5.按照利用权利要求1至4任一项所述一种基于强化注意的脑机接口字符输入系统的实现方法，其特征在于：其控制步骤如下：1)所述视觉刺激设备显示的刺激图片中有6×7的字符矩阵，42个字符按照虚拟字符矩阵的行列分成13组，在系统运行过程中，13组字符伪随机的若干字符会被半透明的绿圆圈覆盖，引起大脑皮层事件相关电位反应，所述绿圈圆被一条红色水平直线分割成上下两个半圆，中一个红色实心圆点加入红色圆点从而在刺激图片随机呈现在两个半圆的一个内，中形成了一个小的视觉目标，当实验图片开始闪烁时，使用者想输入某一个字符时，就将注意力集中于覆盖在该字符上的图片绿圆中的该红色圆点上，实现了增强视觉注意的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李奇，周威威，高宁，武岩，杨菁菁，李修军，吴景龙，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22