一种基于高频闪烁情感刺激的脑-机接口方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及脑-机接口领域，尤其涉及一种基于高频闪烁情感刺激的脑-机接口方法。
背景技术
[0002] 第一次脑-机接口(Brain-Computer Interface，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。
[0003] 正常人在受到某一
频率(一般大于6Hz)的闪烁刺激时，对应的脑电里会出现和刺激频率或其谐波一致的响应，该响应就是所谓的稳态视觉
诱发电位(SSVEP)。SSVEP具有操作简单、记录
电极少、训练时间短、信息传输率高及抗干扰能
力强等优点，因此被广泛地应用于BCI系统的研究中。然而，近年来研究的SSVEP-BCI大都是低频段的，低频SSVEP的频带和自发脑电alpha波的频带有很大的重叠，容易造成
假阳性误操作。另外，在实际应用中，低频的闪烁刺激容易使受试者产生视觉疲劳，甚至有诱发受试者
癫痫发作的可能，因此无法保证系统长时间使用的舒适性，同时视觉疲劳也会降低SSVEP幅度，使系统性能下降。而高频响应会产生闪烁融合效应使得使用者主观上感觉不到闪烁，但在脑电中仍可检测到SSVEP高频响应，大大降低了视觉疲劳，实现了无损。同时，虽然高频的SSVEP幅度较低，但该频段的背景脑电的幅度也很低，因此高频SSVEP仍然具有一定的
信噪比，保障了刺激响应信号的基本辨识准确率。
[0004] 根据情感引发模型，情感通过动机引发调制其他相关的大脑系统，进而使得这些系统有一个更高的
访问概率和激活强度。大脑的情感线路不仅包括运动输出和原始反射的控制还包括系统的调节，尤其是对视觉皮层的调节。当注视充满感情的静态图片时，视觉诱发电位的多个阶段出现了情感调制，出现的时间范围为120-600ms；与中性刺激相比，在注视愉快和非愉快图片时，后卤部分的SSVEP的振幅增强。
[0005] 在提高SSVEP-BCI系统识别率过程中的困难之一就是大脑背景脑电活动的时频特征可能与BCI闪烁所诱发的脑电的时频特征相吻合，从而产生假阳性操作。传统的SSVEP特征估计方法，例如：FFT，宽带滤波或者小波
能量等对这个现象很敏感。
发明内容
[0006] 本发明提供了一种基于高频闪烁情感刺激的脑-机接口方法，本发明通过将情感图片刺激与高频刺激相结合，不仅提高了BCI系统的信息传输率，降低了BCI延迟而且缓解了用户的视觉疲劳，详见下文描述：
[0007] 一种基于高频闪烁情感刺激的脑-机接口方法，所述方法包括以下步骤：
[0008] 从预处理后的稳态视觉诱发电位中提取
相位特征和能量特征，对提取到的相位特征和能量特征进行分类识别，最后输出控制命令，控制
鼠标的上下左右移动；
[0010] 通过小波能量变化和锁相值变化避免可能的假阳性操作。
[0011] 在所述从预处理后的稳态视觉诱发电位中提取相位特征和能量特征的步骤之前，所述方法还包括：
[0012] 采用情感图片的高频刺激作为稳态视觉诱发电位的诱发方式，使用脑电采集装置，采集被试脑电数据，将其存储后进行预处理。
[0013] 所述小波能量变化测量具体为：
[0014]
[0015] 其中， 是稳态视觉诱发电位刺激开始之后的一秒内小波能量达到的最大值，SWTf(t0)是稳态视觉诱发电位开始时刻t0达到的基线能量值。
[0016] 所述锁相值变化测量具体为：
[0017]
[0018] 其中， 是稳态视觉诱发电位刺激开始后的一秒内达到的最大的锁相值，SPLVf(t0)是稳态视觉诱发电位开始时刻t0的基线锁相值。
[0019] 本发明提供的技术方案的有益效果是：本方法用闪烁的情感图片代替中性的棋盘格，会很大程度上增强了大脑可测量的SSVEP响应；当用户使用这个改进的诱发刺激时，BCI的可靠性，速度，信息传输率大幅度提高，并且根据行为学分析可以降低用户的疲劳程度。
附图说明
[0020] 图1为一种基于高频闪烁情感刺激的脑-机接口方法的
流程图；
[0021] 图2为刺激界面的示意图。
具体实施方式
[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0023] 研究发现，在枕部皮层出现相位重置现象之后，紧接着在整个大脑皮层的相位
稳定性都会有所增加。因此，一个快速稳定的SSVEP相位重置测量非常适合SSVEP-BCI平台，并且在这个平台里检测SSVEP的开始比检测其强度更有效。本方法中采用了相位锁定值变化(PLVV)和小波能量相结合的方法来避免可能的假阳性操作。在刺激方式上，这种方法将情感诱发和高频刺激相结合，使该系统更舒适，增加了系统的信息传输率。因此，将两者结合便可达到提高SSVEP-BCI的绩效。
[0024] 图1为本方法的示意图。该图包括脑电电极和脑电
放大器等脑电采集系统和计算机等部分，其中计算机部分又包括EEG分析程序的设计和
用户界面主要是刺激诱发界面的设计。本发明的要点在于视觉刺激方案的设计。
[0025] 101：采用情感图片的高频刺激作为稳态视觉诱发电位SSVEP的诱发方式，使用脑电采集装置，采集被试脑电数据，将其存储后进行一定的预处理；从预处理后的稳态视觉诱发电位中提取相位特征和能量特征，对提取到的相位特征和能量特征进行分类识别，最后输出控制命令，控制鼠标的上下左右移动；
[0026] 即从国际情绪图片系统(IAPS)中选取低唤醒度的愉快和不愉快的图片各两张；采集稳态视觉诱发电位信号，并对其进行预处理。
[0027] 其中，四张图片分别以37，38，39和40Hz闪烁，这四个闪烁频率用户几乎察觉不出。每张图片被
指定为一个独立的命令，用户注视其中一个图片诱发相应的SSVEP及BCI执行其对应的命令。
[0028] BCI平台包含下面的几个主要模
块：脑电采集、
信号处理和评价单元、神经反馈和刺激控制用户接口、命令执行单元。每次试验之后记录下被试者关于情感经历和疲劳的行为学测量。每个试次(trial)的长度为5s，其中有2s的空白屏作为信号处理过程中的基线。
[0029] 其中，采集稳态视觉诱发电位信号，并对其进行预处理，从预处理后的稳态视觉诱发电位中提取相位特征和能量特征，根据相位特征检测SSVEP的开始，然后利用线性判别分析(LDA)的方法对检测到试次的能量特征进行分类识别，最后输出控制命令，控制鼠标的上下左右移动。
[0030] 102：信息传输率；
[0031] 通常利用信息传输率来表示BCI系统的工作效率，其表达式如下：
[0032]
[0033] 式中：P为字符识别正确率，N为待选字符数，T为选择时间。
[0034] 103：小波能量变化测量；
[0035] 单次试验高斯小波能量梯度(WEV)代表的是在SSVEP产生后的第一秒内大脑响应在闪烁频率的标准化能量增加，其表达式如下
[0036]
[0037] 其中， 是SSVEP刺激开始之后的一秒内小波能量达到的最大值，SWTf(t0)是SSVEP开始时刻t0达到的基线能量值。
[0038] 104：锁相值变化测量；
[0039] 锁相值(PLV)代表的是某个特定频率f的相位稳定程度。SSVEP开始的准确的时间与PLV变化(PLVV)密切相关，因此很有必要对单试次数据的PLVV进行计算。本设计中对SSVEP开始后第1s的PLVV进行了计算。因此单次试验的相位锁定值变化(PLVV)指的是SSVEP开始后的第一秒里PLV变化(PLVV)的归一化测量。通过测量小波相位稳定性的程度来估计PLVV，并且与SSVEP闪烁频率相同的正弦相比较。
[0040] 最初使用的单次试验的相位锁定是通过时间段t内每个固定频率为f的SSVEP计算出来的，表达式如下：
[0041]
[0042] 其中，N是EEG通道的数量， 是标准化后EEG信号 的相位， 是参考信号 的相位。参考信号 是一个与视觉刺激的闪烁频率f相一致的
正弦波信号。
使用
输入信号Si与复高斯小波W(f)卷积的
虚部和
实部来计算频率为f的SSVEP的相位Φ公式如下：
[0043]
[0044] 使用以上定义，归一化单试次相位锁定值变化(PLVVf)的公式如下：
[0045]
[0046] 其中，ΔSPLVf(t)的计算公式为：
[0047]
[0048] 上式中， 是SSVEP刺激开始后的一秒内达到的最大的锁相值，SPLVf(t0)是SSVEP的开始时刻t0的基线锁相值。
[0049] 105：通过小波能量变化和锁相值变化避免可能的假阳性操作。
[0050] 其中，大脑背景脑电活动的时频特征可能与BCI闪烁所诱发的脑电时频特征相吻合，从而产生假阳性操作。传统的SSVEP特征估计方法，例如：FFT，宽带滤波或者小波能量等对这个现象很敏感。研究发现，在枕部皮层出现相位重置现象之后，紧接着在整个大脑皮层的相位稳定性都会有所增加，因此可以将枕部皮层的相位变化作为SSVEP开始的标志，从而将自发脑电和SSVEP诱发脑电进行区分，避免自发脑电产生的假阳性操作。
[0051] 本发明设计了一种用于BCI的改进的SSVEP诱发方式。该项发明可以用于、电子娱乐、工业控制等领域，有效的提高了BCI的可靠性，速度，信息传输率进一步研究可以得到完善的脑-机接口系统，有望获得可观的社会效益和经济效益。
[0052] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选
实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0053] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
