一种四通道可穿戴式异步P300脑机接口系统技术方案

本发明专利技术公开了一种四通道可穿戴式异步P300脑机接口系统，包括：视觉诱发模块，可穿戴式数据采集模块，脑电信号处理模块和眼电信号处理模块。本发明专利技术实现了P300信号的四通道移动检测用于推断用户意图，引入眼电信号检测用于确认P300检测的正确性。它将可穿戴式脑电采集设备，新的P300和眼电检测算法和异步工作模式相结合解决了目前P300脑机接口笨重不可移动，需要较多通道使用不便，同步工作方式不符合实际应用场景等问题。本发明专利技术可以用于人机交互、机电控制和意识状态检测等领域。机电控制和意识状态检测等领域。机电控制和意识状态检测等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种四通道可穿戴式异步P300脑机接口系统


[0001]本专利技术涉及脑机接口的
，尤其是指一种四通道可穿戴式异步P300脑机接口系统。

技术介绍

[0002]脑机接口系统在大脑与外部设备之间建立一种不依赖任何外周神经和肌肉组织的直接通信链路，实现大脑与外部设备的直接交互。借助脑机接口系统可以将大脑的意图和状态检测为控制信号、分类分数和生物标记物等，在医疗康复、游戏和娱乐、教育、日常生活和军事等领域有广泛的应用前景。
[0003]P300信号是一种事件相关电位，两种出现概率相差很大的刺激方式同时添加在被刺激者同一感官通路上，当出现概率较小的刺激方式出现瞬间，被刺激者做出如默数出现次数之类的反应，则300ms后在被刺激者大脑的枕区和顶区会出现一个脑电信号的正向峰值。眼电信号则是由于眨眼或者眼球运动而引起的眼区周围生物电信号波动。
[0004]现有P300脑机接口系统的主要不足在于：1)脑电信号采集装置非常笨重，难以移动，使用极为不便；2)P300检测算法需要大量通道的脑电信号，导致准备工作耗时耗力；3)采用同步工作方式，在固定时间间隔就会输出一次指令，与实际使用场景不符合。因此，如何让P300脑机接口能够轻量化和实用化是亟待解决的一个课题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种四通道可穿戴式异步P300脑机接口系统，采用了可穿戴式的脑电采集设备解决了传统P300脑机接口笨重不可移动的局限性，使用新算法使P300检测所需的脑电信号通道降低到三个，极大简化了P300脑机接口系统的准备工作，增加了用户友好性和接受度，引入眼电信号检测实现P300脑机接口系统的异步工作方式，使P300脑机接口适用更多实际应用场景。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种四通道可穿戴式异步P300脑机接口系统，包括：
[0007]视觉诱发模块，包含P300视觉诱发刺激界面，并将P300视觉诱发刺激界面通过LCD显示方式呈现给用户；
[0008]可穿戴数据采集模块，通过三个通道采集脑电和一个通道采集眼电信号，然后对采集到的脑电和眼电信号进行放大和滤波，接着脑电信号和眼电信号通过高精度A/D模块转换为数字信号，最后使用低功耗蓝牙模块将A/D转换后的脑电信号和眼电信号无线传输至脑电信号处理模块和眼电信号处理模块用于检测P300信号和眨眼信号；
[0009]脑电信号处理模块，用于分析接收到的三个通道的脑电信号，对三个通道的脑电信号进行特征提取和分类，通过检测P300信号判断用户的意图，并将用户的意图反馈到P300视觉诱发刺激界面上，其中反馈是指将代表用户意图的按钮变红，等待用户通过眨眼确认；
[0010]眼电信号处理模块，用于分析接收到的眼电信号，对眼电信号进行特征提取和阈值计算以检测是否有眨眼动作发生来确认用户的意图，用户判断脑电信号处理模块反馈的变红按钮是否是自己需要的，如果是则用户眨眼确认，否则不眨眼。
[0011]进一步，在所述视觉诱发模块中，P300视觉诱发刺激界面包含4*4的按随机顺序闪烁的按钮，编号为1
‑
16，每个按钮代表对应的用户意图输出，按钮均匀分布在P300视觉诱发界面上，用户注视某一按钮时，按钮每次闪烁后会在用户大脑中产生P300波形，按钮每次闪烁还会对脑电和眼电信号进行标记以便脑电信号处理模块和眼电信号处理模块能够找到所需位置的信号，P300视觉诱发刺激界面通过LCD显示方式呈现给用户。
[0012]进一步，所述可穿戴数据采集模块包括用于采集信号的电极、信号放大和预处理模块、A/D转换模块和低功耗蓝牙模块，其中：
[0013]所述电极包括参考电极、地电极、三个通道的脑电电极和一个通道的眼电电极，地电极用于确定脑电和眼电信号的零电位，参考电极和地电极放置位置为头部两侧太阳穴；眼电电极用于采集用户眼电信号，放置位置为眼睛上部；脑电电极一共有3个，对应于三个通道，用于采集用户脑电信号，放置位置为“国际10
‑
20系统”定义的Cz、O1和O2位置；
[0014]所述信号放大和预处理模块包括信号放大模块和预处理模块；所述信号放大模块通过超低噪声高精度放大器芯片放大采集到的脑电信号和眼电信号，采样频率为250Hz；所述预处理模块通过滤波器滤除脑电信号和眼电信号中的50Hz工频噪声干扰，通带范围为0.5
‑
40Hz；
[0015]所述A/D转换模块通过16位分辨率数模转换芯片将放大和滤波后的模拟脑电信号和眼电信号转化成数字信号；
[0016]所述低功耗蓝牙模块将A/D转换后的脑电信号和眼电信号无线传输至脑电信号处理模块和眼电信号处理模块。
[0017]进一步，所述脑电信号处理模块具体执行以下操作：
[0018]1)接收三个通道的脑电信号，每个通道的脑电信号包括每个按钮闪烁16次后的脑电信号片段，每个片段的长度为600ms，因为采样率为250Hz，所以每个片段的数据点为150；对脑电信号片段进行带通滤波，滤波器采用10阶巴特沃兹滤波器，滤波器的带宽为0.5
‑
30Hz；对脑电信号片段进行下采样操作，下采样率为5，脑电信号片段的数据长度变为30，降低数据维度有利减少算法计算的复杂度；对脑电信号片段减去均值来校准脑电信号片段的基线；对脑电信号片段进行独立主成分分析去除存在的伪迹成分；
[0019]2)经过上述处理后的脑电信号片段为其中x代表脑电信号，n代表第n个按钮，k代表第k次测试，r代表第r次轮次，j代表第j个通道，l代表数据长度；每个按钮都随机点亮一次称为一个轮次，10个轮次称为一次测试；接着对脑电信号片段进行特征提取，将每个通道的数据首尾相接，对所有轮次的脑电信号进行平均得到脑电信号特征其中v代表特征向量；
[0020]3)按钮闪烁过程中用户所关注的按钮称为目标按钮，其余的则为非目标按钮，将目标按钮对应的特征向量标注为1，而非目标按钮对应的特征向量标注为
‑
1；利用网络获得的通用P300训练数据利用网格收索方法优化支持向量机模型，使用10折交叉验证调整支持向量机模型的trade
‑
off和kernel width两个超参数，使模型的分类精度达到最优，然后通
过支持向量机模型对脑电信号特征和对应的标记进行训练；
[0021]4)采用训练好的支持向量机模型对用户在线测试时每个轮次按钮对应的脑电信号特征分类并获得分类分数，记为{p1,p2,p3…
p
16
}，其p代表支持向量机模型的分类分数，1
‑
16代表按钮的标号，如果{p
max
‑
p
second
}大于设定的阈值，其中p
max
代表集合中分类分数最大值，p
second
代表集合中分类分数第二大数值，则p
max
对应的按钮即为用户关注的按钮，从而检测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四通道可穿戴式异步P300脑机接口系统，其特征在于，包括：视觉诱发模块，包含P300视觉诱发刺激界面，并将P300视觉诱发刺激界面通过LCD显示方式呈现给用户；可穿戴数据采集模块，通过三个通道采集脑电和一个通道采集眼电信号，然后对采集到的脑电和眼电信号进行放大和滤波，接着脑电信号和眼电信号通过高精度A/D模块转换为数字信号，最后使用低功耗蓝牙模块将A/D转换后的脑电信号和眼电信号无线传输至脑电信号处理模块和眼电信号处理模块用于检测P300信号和眨眼信号；脑电信号处理模块，用于分析接收到的三个通道的脑电信号，对三个通道的脑电信号进行特征提取和分类，通过检测P300信号判断用户的意图，并将用户的意图反馈到P300视觉诱发刺激界面上，其中反馈是指将代表用户意图的按钮变红，等待用户通过眨眼确认；眼电信号处理模块，用于分析接收到的眼电信号，对眼电信号进行特征提取和阈值计算以检测是否有眨眼动作发生来确认用户的意图，用户判断脑电信号处理模块反馈的变红按钮是否是自己需要的，如果是则用户眨眼确认，否则不眨眼。2.根据权利要求1所述的一种四通道可穿戴式异步P300脑机接口系统，其特征在于：在所述视觉诱发模块中，P300视觉诱发刺激界面包含4*4的按随机顺序闪烁的按钮，编号为1
‑
16，每个按钮代表对应的用户意图输出，按钮均匀分布在P300视觉诱发界面上，用户注视某一按钮时，按钮每次闪烁后会在用户大脑中产生P300波形，按钮每次闪烁还会对脑电和眼电信号进行标记以便脑电信号处理模块和眼电信号处理模块能够找到所需位置的信号，P300视觉诱发刺激界面通过LCD显示方式呈现给用户。3.根据权利要求2所述的一种四通道可穿戴式异步P300脑机接口系统，其特征在于：所述可穿戴数据采集模块包括用于采集信号的电极、信号放大和预处理模块、A/D转换模块和低功耗蓝牙模块，其中：所述电极包括参考电极、地电极、三个通道的脑电电极和一个通道的眼电电极，地电极用于确定脑电和眼电信号的零电位，参考电极和地电极放置位置为头部两侧太阳穴；眼电电极用于采集用户眼电信号，放置位置为眼睛上部；脑电电极一共有3个，对应于三个通道，用于采集用户脑电信号，放置位置为“国际10
‑
20系统”定义的Cz、O1和O2位置；所述信号放大和预处理模块包括信号放大模块和预处理模块；所述信号放大模块通过超低噪声高精度放大器芯片放大采集到的脑电信号和眼电信号，采样频率为250Hz；所述预处理模块通过滤波器滤除脑电信号和眼电信号中的50Hz工频噪声干扰，通带范围为0.5
‑
40Hz；所述A/D转换模块通过16位分辨率数模转换芯片将放大和滤波后的模拟脑电信号和眼电信号转化成数字信号；所述低功耗蓝牙模块将A/D转换后的脑电信号和眼电信号无线传输至脑电信号处理模块和眼电信号处理模块。4.根据权利要求3所述的一种四通道可穿戴式异步P300脑机接口系统，其特征在于：所述脑电信号处理模块具体执行以下操作：1)接收三个通道的脑电信号，每个通道的脑电信号包括每个按钮闪烁16次后的脑电信号片段，每个片段的长度为600ms，因为采样率为250Hz，所以每个片段的数据点为150；对脑电信号片段进行带通滤波，滤波器采用10阶巴特沃兹滤波器，滤波器的带宽为0.5
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30Hz；对
脑电信号片段进行下采样操作，下采样率为5，脑电信号片段的数据长度变为30，降低数据维度有利减少算法计算的复杂度；对脑电信号片段减去均值来校准脑电信号片段的基线；对脑电信号片段进行独立主成分分析去除存在的伪迹成分；2)经过上述处理后的脑电信号片段为其中x代表脑电信号，n代表第n个按钮，k代表第k次测试，r代表第r次轮次，j代表第j个通道，l代表数据长度；每个按钮都随机点亮一次称为一个轮次，10个轮次称为一次测试；接着对脑电信号片段进行特征提取，将每个通道的数据首尾相接，对所有轮次的脑电信号进行平均得到脑电信号特征其中v代表特征向量；3)按钮闪烁过程中用户所关注的按钮称为目标按钮，其余的则为非目标按钮，将目标按钮对应的特征向量标注为1，而非目标按钮对应的特征向量标注为
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1；利用网络获得的通用P300训练数据利用网格收索方法优化支持向量机模型，使用10折交叉验证调整支持向量机模型的trade
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off和kernel width两个超参数，使模型的分类精度达到最优，然后通过支持向量机模型对脑电信号特征和对应的标记进行训...

【专利技术属性】
技术研发人员：李远清，胡力，朱俊标，陈思聪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：