基于脑电中人脸识别特异性波的开关控制方法技术

本发明专利技术是一种基于脑电中人脸识别特异性波的开关控制方法，包括以下步骤：图片刺激模块在按一定间隔同时呈现人脸与物体图片，用户如果想打开设备就观察人脸，否则观察物体图片；脑电信号采集模块记录用户头皮的脑电信号，并进行放大及数模转换；信号检测模块检测脑电信号中是否含有人脸图片刺激诱发的特异性波；开关控制模块将检测结果转化二值的控制信号控制开关，若脑电中存在明显的特异性成分则打开设备，否则关闭设备。本发明专利技术通过采集和分析脑电中的面孔识别特异性成分，不依赖外周神经和肌肉等正常的信息传输通道，在人脑与外部开关设备之间建立起直接的控制通道，为思维正常但有运动功能障碍的人提供了一种新的对外界环境进行控制的途径。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，具体是指一种利用人在 进行人脸识别任务时，记录下的头皮脑电中的人脸识别特异性成分对外部设备的开关进行控 制。属于认知神经科学领域和信息
的结合应用。
技术介绍
随着脑科学和信息科学的飞速发展，特别是过去十年中这两个科学领域的交叉和结合， 催生了一项新的科学技术——脑机接口技术。脑机接口是不依赖脑的正常输出通道，即外周 神经和肌肉的信息传输通道，而通过采集和分析人脑生物电信号，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的通道。通过这种通道，人就不需要通过语言或肢体的 动作而可以直接通过人脑来表达想法或操纵设备。己有实现脑机接口实现人脑与外部设备的控制的主要方法有利用眼部运动控制的节律 波、基于事件相关脑电成分、基于自主控制脑电成分和基于视觉诱发脑电成分的方法等。但客观地评价，现有的各种脑机接口系统都存在明显的缺陷。如基于P300诱发电位(基于P300 脑电电位的中文输入BCI系统，专利技术专利，申请号200710164418.6，公开号CN 101201696A) 和基于稳态视觉诱发电位(基于脑电稳态诱发响应的控制方法及系统和感官测试方法及系统， 专利技术专利，申请号00815134.2，公开号CN 1420745A)的方法各有不足。 1)基于P300诱发电位的方法P300是事件相关电位的一种，在小概率事件刺激发生后，人脑头皮脑电波中在刺激后300 毫秒左右会出现一个较大的正峰值，即P300，这里P为英文正极(Positive)的首字母，300 是指小概率事情出现后300毫秒。这种方法实现人脑与外部设备交流或控制的关键将用户的目 标转化为小概率事件，并记录不同概率事件剌激所诱发的脑电信号，识别出小概率事情所对 应的P300成分，就可以实现某种控制。据此，人们利用P300设计了一种虚拟打字机。图l就是 这套系统的工作示意图，其实现方式是一个屏幕上按行或列随机闪烁一个6X6的字符矩阵， 当使用者想要输入的字符所在的行或列发生闪烁时，就是小概率事情，就称为相关事件或耙 刺激。其它行列闪烁则不会诱发脑电中的P300成分。通过特征提取和判别算法求出引起P300 波幅最大的行和列，该行和列交点上的字符即为使用者想要输入的字符。(参见L.A.Farwelland E. Donchin, Talking off the top of your head: Toward a mental prosthesis utilizing event-related brain potentials. Electroenceph Clin Neurophysiol. 1988, 70:510-523.)上述的系统利用的是脑电的瞬态诱发响应，通过检测P300作为判别的依据，由于P300在 事件发生后300ms，因此要求两次剌激的时间间隔较长，以保证P300能够产生并得到。但这样 使得系统无法很好实现实时控制，且由于作为刺激的字符矩阵的行列间隔有限，耙刺激周边 的非靶刺激很容易干扰被试的注意，从而引起误判，即影响该系统的判别准确率。这类系统 的应用范围受到很大的限制。2)基于稳态视觉诱发电位的方法稳态视觉诱发电位是一种脑电稳态诱发响应，当呈现的视觉刺激频率大于某一值时，观 察者的脑电响应就会出现一种特殊的频率成分，其脑电诱发电位呈现出周期性变化的特征， 周期性变化的频率与视觉刺激频率一致。清华大学高上凯教授利用稳态视觉诱发电位设计了 一种脑机接口系统装置，图2就是这套装置的工作框图。这套系统的主要实现方式是使用者为 了实现某种任务，接受系统刺激器中代表多个任务的不同频率的视觉剌激，通过特征提取和 判别算法求出诱发脑电的频率，与该诱发脑电频率相同的刺激代表的任务即为使用者想要执 行的任务。(参见M Cheng, X Gao, S Gao， D Xu. Design and implementation of a brain-computer interface with high transfer rates. Biomedical Engineering. 2002, 10: 1181-1186.)上述的系统利用的是脑电稳态诱发响应，通过检测诱发脑电的频率作为判别的依据。由 于稳态视觉诱发电位需要的得到处于某一频率下的刺激，且要求使用者进行一定的训练，因 此，该系统的实用性收到一定的影响，此外，由于稳态视觉诱发电位的诱发需要一定的时间， 这样使用时很容易收到环境亮度的影响，长时间使用会造成视觉疲劳，影响系统的判别准确 率。总之，脑电信号是一种非常微弱的电生理信号，因此，要想借助脑电信号实现某种控制 是非常困难的，特别是要在控制中达到较高的正确率，并保证有实时控制的效果，这就更加 不容易。上述系统在判断的正确率与实时的效果方面都存在或大或小的问题，用上述方法的 判断正确率虽优于随机猜测的正确率，但离实际应用都有相当远的距离。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，这种人脸识 别特异波是有脑认知过程的反映，它出现的时间和波形特征比较稳定，因此，这种方法不仅能达到很高的判断正确率，保证在使用中的实时性，而且提供了一种基于全新脑电认知成分 的控制方法。本专利技术基于人脸识别特异性波，这里所说的脑电特异性成分就是N170认知成分。认知神经科学及电生理的大量研究发现，当给人以人脸图片的刺激时，只要人的认知系统是无损的， 就可以在人的枕部头皮上记录到特征明显的特异性脑电成分。这个成分出现在人看到人脸后(刺激)170毫秒左右，表现为一个波幅较大的负峰值，且其峰值明显大于物体图片刺激，这 个子波成分称为脑电中的N170成分，N表示负波(Negtive) , 170表示这个负波的峰值出现在 刺激后170毫秒附近。图3显示了人在注视人脸图片与物体图片时脑电信号中的差异，图中显 示在人脸刺激下的脑电波形，其中在170毫称附近，有个明显的负峰值出现，而在其它物体刺 激下的脑电波形中负峰值小很多。本专利技术的工作过程在图4中描述，其特征在于包括(1) 图片剌激模块诱发脑电信号中的特异性成分N170。图片刺激模块的作用是在屏幕上 按一定间隔不停呈现人脸与物体图片，屏幕上每次同时呈现人脸与特体两张图片，两张图片 分别呈现于屏幕的两侧，人可以根据需要选择看其中的一张。如果选择用户选择看人脸，将 会诱发脑电中明显的N170特异成分，否则脑电中N170成分不出现或不明显。图5显示了图片刺 激模块的工作过程。(2) 头皮脑电信号采集模块采集人在注视人脸或物体图片时的头皮脑电信号。其中包含 有置于人体头皮的电极，记录大脑在图片刺激后产生的脑电信号。图6显示了头皮电极的分布 示意图。但脑电数据是一种非常微弱有生理信号，因此需要对其进行放大。为了便于后续的 数据处理，需要进行模数转换，将采集的模拟信号转化为数字信号，并进行存储或传送给下 一模块。(3) 人脸识别特异性波N170检测模块判断头皮脑电中是否存在特异性波。由于脑电是一 种非常微弱有生理信号，其中混有眼动、心电等其它生理信号，信噪比非常低。通常来说直 接从信号采集模块采集下来的脑电信号中检测人脸识别特异性波N170是否存在非常困难。 N170的检测需要分析对数据进行预处理，并结合多通道脑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脑电中人脸识别特异性波的开关控制方法，方法的特征在于，包括：图片刺激模块以一定的时间间隔，随机选择图片库中的人脸图片，并在计算机屏幕上以一定方式显示出来；头皮脑电信号采集模块利用置于人体头皮的电极，记录大脑在图片刺激后产生的脑电信号，并对其进行放大、模数转换，以数字形式存储或传递给下一模块；人脸识别特异性波Ｎ１７０检测模块对采集得到的脑电信号进行处理，从中提取与人脸图片刺激相对应的特异性脑电成分Ｎ１７０；开关控制装置将Ｎ１７０的检测结果转化为开关信号，控制外部设备的开启与关闭。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张家才，尹恺，姚力，徐雅琴，张行，武进，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]