基于隐性注意的视听联合刺激脑-机接口方法技术

本发明专利技术属于人机交互技术领域。为得到更高的准确率和信息传输速率和方便操作，为达上述目的，本发明专利技术采取的技术方案是，基于隐性注意的视听联合刺激脑-机接口方法：(1)系统初始化：使用者通过头皮处的电极与计算机脑-机接口设备相连；(2)脑电特征信号的产生；(3)脑电信号的采集；(4)脑电信号处理；(5)Fisher可分性分析；(6)支持向量机进行模式识别。本发明专利技术主要应用于帮助残障人士操作计算机等外部设备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于人机交互
，可帮助残障人士操作计算机等外部设备，具体是涉及基于隐性注意的视听联合刺激脑-机接口系统。
技术介绍
脑-机接口(Brain-ComputerInterface)的定义是“BCI (脑机接口 )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，可以为残疾人特别是那些丧失了基本语言，肢体运动功能但思维正常的病人提供一种与外界进行信息交流与控制的途径。即可以不需语言或肢体动作，直接通过控制脑电来表达意愿或操纵外界设备。为此，BCI (脑-机接口)技术也越来越受到重视。到目前为止，常用的脑-机接口大都是基于采集脑电信息并提取其特定相关成分为基础，在众多的脑电特征信号中，基于P300脑电特征信号的系统使用最为广泛。其技术原理如附图说明图1所示。含有操作控制意图的脑电信息通过电极从头皮或颅内获得，经过信号处理提取反映使用者意图的脑电信息特征，并将之转化为控制外部设备的操作命令。BCI (脑-机接口) 研究的主要应用目标是帮助肢体严重瘫痪的残疾人操纵和使用周边日常生活工具，以实现对外界的信息交流和设备控制。P300是事件相关电位(Event Related Potential，ERP)的一种，最早由 Sutton等人使用oddball实验的方法记录到。P300大约出现在新奇事件刺激后的300毫秒内，相关事件发生的概率越小，所引起的P300越显著，由此可以利用目标刺激所产生的P300信号作为思维活动对刺激事件有效应答标志。隐性注意(covert attention)是目前脑-机接口领域较为前沿的一种刺激模式， 区别于传统的视觉刺激模式-显性注意(overt attention)，隐性注意不需要眼球的移动， 通过注视特定刺激界面的固定点，利用潜意识“关注，，目标的闪烁情况，当所关注的目标闪烁时，便可以诱发P300脑电特征信号。基于听觉刺激模式的脑-机接口是当前人机交互领域研究的热点，对于特殊残障人士，听觉刺激诱发模式提供了一种与外界交流的通道，声音中的频率特征和空间方位信息已经被广泛认为是最能够区别不同声音的有效成分。目前尚未见相关主题的成熟技术报道。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，提供基于隐性注意的视听联合刺激脑-机接口系统，以得到更高的准确率和信息传输速率和方便操作，为达上述目的，本专利技术采取的技术方案是， ，包括下列步骤4(1)系统初始化使用者通过头皮处的电极与计算机脑-机接口设备相连，使用者需要戴上耳机，打开刺激界面，刺激界面按照oddball序列进行闪烁，对于闪烁刺激，有两种属性，一种是靶刺激，即使用者隐性注意的目标，另一种是非靶刺激，对于每一次视觉刺激，均伴随有相应的声音刺激，使用者需要默数靶刺激出现的次数；(2)脑电特征信号的产生当靶刺激产生时，伴随特定的声音刺激，使用者的脑部会产生P300脑电特征信号，非靶刺激不会产生P300特征信号；(3)脑电信号的采集使用者头皮处的64导联电极将脑电信号采集并传送至计算机；(4)脑电信号处理对于采集到的脑电信号，首先进行工频滤波，利用独立成分分析ICA去除眼电，然后利用相干平均的方法提取P300特征信号；(5) Fisher可分性分析将数据降采样后进行Fisher可分性分析，Fisher主要用来评价特征参数在不同类别样本中的分布是否具有明显的差异，一般来说差异度越大的参数越适于作为样本的分类的特征值；(6)支持向量机进行模式识别在经过了特征提取阶段之后，我们将这些从样本中提取到的特征用来训练SVM分类器，训练后得到一个模型，然后再利用这个模型来对未知模式类型的数据进行分类，得到控制外部设备的控制命令。刺激界面是八个填充有不同颜色的圆圈以顺时针的方向，按照1 8的标号，位于中心十字的周围，相邻两圆间隔45度；声音刺激采用二维方式，空间信息按照列分布从左到右依次为左耳，双耳，右耳，频率特征按照行分布从上到下依次为1000Hz，500Hz，IOOHz ； 对于八个圆中的任意一个圆，仅有一种颜色、声音刺激与之对应，八个圆圈按照oddball序列随机闪烁，每次闪烁时间为200ms，相邻两次闪烁间隔100ms。使用者在使用系统过程中，双眼需要始终注视刺激界面中间十字，根据操作人员的提示，利用隐性注意，潜意识“关注”目标，在一系列的闪烁刺激与声音刺激进行时，使用者双眼始终注视刺激界面中间十字，利用隐性注意去“关注”圆圈，每当刺激界面中的圆圈闪烁时，会伴随有相应的声音刺激，使用者需要在心中默数隐性注意所关注的圆圈所闪烁的次数，直到此轮刺激结束，每轮刺激有10个oddball序列，即每轮刺激中，使用者需要默数10次。利用独立成分分析ICA去除眼电的数学模型为X = A*S其中A为信号传递矩阵，X是N维观测向量，S是M维彼此独立的原始信号，独立成分分析就是设计寻找一个矩阵W，从而求得Y = WX，求解出各自独立的成分Y，并认为Y为S 的近似表达，根据一定的特征，消除Y的一个或几个分量得到Y'，Y' =P*Y表示，再还原 X' =AY'，X'就是消除干扰后留下的有用信号；独立成分分析ICA从混合信号X= (XI， 父2夂&1)里估计出源成分Si，也估算了混合矩阵Α，每次处理都必须认为观测到的眼电是独立成分。利用相干平均的方法提取Ρ300特征信号具体为用下面的公式表示时域内的事件相关电位及噪声的模型Yn(i, t) = pn(i, t)+en(i, t)，η = 1,2, · · ·，N ;i = 1,2, . . . ,64其中η为刺激的序号，N为刺激的总数，i为导联的序号，t为时间。^i(i，t)为采集到的信号，Pn(i，t)为第η次刺激时理想的P300信号，En(i，t)为总的噪声信号，通过相干平均，将噪声信号从脑电信号中去除，进而得到较为明显的P300特征信号。Fisher可分性分析是借用一元方差分析的思想，即依据组间均方差与组内均方差之比最大的原则来进行判别，其公式如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于隐性注意的视听联合刺激脑－机接口方法，其特征是，包括以下步骤：（１）系统初始化：使用者通过头皮处的电极与计算机脑－机接口设备相连，使用者需要戴上耳机，打开刺激界面，刺激界面按照ｏｄｄｂａｌｌ序列进行闪烁，对于闪烁刺激，有两种属性，一种是靶刺激，即使用者隐性注意的目标，另一种是非靶刺激，对于每一次视觉刺激，均伴随有相应的声音刺激，使用者需要默数靶刺激出现的次数；（２）脑电特征信号的产生：当靶刺激产生时，伴随特定的声音刺激，使用者的脑部会产生Ｐ３００脑电特征信号，非靶刺激不会产生Ｐ３００特征信号；（３）脑电信号的采集：使用者头皮处的６４导联电极将脑电信号采集并传送至计算机；（４）脑电信号处理：对于采集到的脑电信号，首先进行工频滤波，利用独立成分分析ＩＣＡ去除眼电，然后利用相干平均的方法提取Ｐ３００特征信号；（５）Ｆｉｓｈｅｒ可分性分析：将数据降采样后进行Ｆｉｓｈｅｒ可分性分析，Ｆｉｓｈｅｒ主要用来评价特征参数在不同类别样本中的分布是否具有明显的差异，一般来说差异度越大的参数越适于作为样本的分类的特征值；（６）支持向量机进行模式识别：在经过了特征提取阶段之后，将这些从样本中提取到的特征用来训练ＳＶＭ分类器，训练后得到一个模型，然后再利用这个模型来对未知模式类型的数据进行分类，得到控制外部设备的控制命令。...

【技术特征摘要】
1.一种基于隐性注意的视听联合刺激脑-机接口方法，其特征是，包括以下步骤(1)系统初始化使用者通过头皮处的电极与计算机脑-机接口设备相连，使用者需要戴上耳机，打开刺激界面，刺激界面按照oddball序列进行闪烁，对于闪烁刺激，有两种属性，一种是靶刺激，即使用者隐性注意的目标，另一种是非靶刺激，对于每一次视觉刺激，均伴随有相应的声音刺激，使用者需要默数靶刺激出现的次数；(2)脑电特征信号的产生当靶刺激产生时，伴随特定的声音刺激，使用者的脑部会产生P300脑电特征信号，非靶刺激不会产生P300特征信号；(3)脑电信号的采集使用者头皮处的64导联电极将脑电信号采集并传送至计算机；(4)脑电信号处理对于采集到的脑电信号，首先进行工频滤波，利用独立成分分析 ICA去除眼电，然后利用相干平均的方法提取P300特征信号；(5)Fisher可分性分析将数据降采样后进行Fisher可分性分析，Fisher主要用来评价特征参数在不同类别样本中的分布是否具有明显的差异，一般来说差异度越大的参数越适于作为样本的分类的特征值；(6)支持向量机进行模式识别在经过了特征提取阶段之后，将这些从样本中提取到的特征用来训练SVM分类器，训练后得到一个模型，然后再利用这个模型来对未知模式类型的数据进行分类，得到控制外部设备的控制命令。2.如权利要求1所述方法，其特征是，刺激界面是八个填充有不同颜色的圆圈以顺时针的方向，按照1 8的标号，位于中心十字的周围，相邻两圆间隔45度；声音刺激采用二维方式，空间信息按照列分布从左到右依次为左耳，双耳，右耳，频率特征按照行分布从上到下依次为1000Hz，500Hz，IOOHz ；对于八个圆中的任意一个圆，仅有一种颜色、声音刺激与之对应，八个圆圈按照oddball序列随机闪烁，每次闪烁时间为200ms，相邻两次闪烁间隔 100ms。3.如权利要求1所述方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文，明东，许敏鹏，奕伟波，綦宏志，万柏坤，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12