基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦電信號處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦電信號處理方法，其實現(xiàn)過程是：(1)利用采集系統(tǒng)采集受試者在不同視覺頻率刺激下的腦電信號；(2)對腦電信號進行預處理；(3)利用濾波器組對預處理后的腦電信號進行濾波；(4)利用似然比計算方法計算濾波后的腦電信號與不同視覺刺激頻率之間的似然比，得到一個似然比組；(5)從似然比組中，找出最大的似然比所對應的視覺刺激頻率，完成對腦電信號的識別。本發(fā)明同時利用了濾波器組和似然比檢驗，克服了現(xiàn)有技術識別目標個數(shù)較少的缺點，增加了識別目標的個數(shù)，提高了腦電信號的識別準確率。
【專利說明】
基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦電信號處理方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于信息技術領域，更一步涉及在生命科學技術領域中應用腦-機接口 (Brain-Computer Interface，BCI)系統(tǒng)對穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電信號的處理方法。本發(fā)明通過 對穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電信號的處理，最終用于單詞拼寫、控制輪椅、控制機器人等具有穩(wěn)態(tài)視 覺誘發(fā)腦-機接口的腦電產(chǎn)品控制。
【背景技術】
[0002] 穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)是大腦視覺皮層對處于視覺中心的閃爍刺激的一種生物反饋。研究 證明，處于視覺中心的閃爍刺激能夠對視覺皮層的神經(jīng)元群在特定模式上的神經(jīng)活動產(chǎn)生 增強作用，從而對腦電信號特定頻率成分的幅度進行調控，且頻率響應在視覺刺激頻率及 其倍頻處較強。因此，通過對受試者穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電信號的分析，判別受試者視覺刺激頻 率，從而實現(xiàn)對外界裝置的控制。目前，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電信號的分析方法有典型相關分析 方法和功率譜分析方法等。
[0003] 華南理工大學擁有的專利技術"一種基于多模態(tài)腦機接口的意識狀態(tài)監(jiān)測方法" (申請?zhí)?01510253168.8,申請日 2015.05.15,授權號CN 104921723A，授權日 2015.09.23) 中提出一種基于多模態(tài)腦機接口的意識狀態(tài)監(jiān)測方法。該專利技術將P300和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā) 相結合，將P300和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)分開設計，腦電數(shù)據(jù)被分成兩份，最后采用相加的法則來結 合P300和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的檢測結果，增加了算法的復雜度，在一定程度上提高了拼寫準確 率。該方法存在的不足之處是，視覺刺激時間比較長，不僅會使被試者產(chǎn)生視覺疲勞，影響 識別的準確率，而且不適用于實時檢測。
[0004] 鄧志東在其發(fā)表的論文"一種基于SSVEP的仿人機器人異步腦機接口控制系統(tǒng)" (機器人，2011，33 (2): 129-135)中提出了一種基于SSVEP的仿人機器人的控制方法。該方法 通過對腦電信號進行特征提取和模式分類，來判別使用者的控制意圖，實現(xiàn)了對機器人的 遠程控制。該方法存在的不足之處是，使用者的控制屏幕只有上下左右四個刺激目標，代表 可以實現(xiàn)四種不同的控制命令，但在實際應用中四種控制命令相對較少，難以滿足人們的 要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦電 信號處理方法。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的基本思路是:將采集的多通道腦電信號做預處理;利用濾波器 組對預處理后的腦電信號進行濾波，充分利用腦電信號的諧波信號；同時使用似然比檢驗 對數(shù)據(jù)的高利用率特性，在視覺刺激時間較短、刺激目標較多的情況下，完成對腦電信號的 識別。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具體實現(xiàn)步驟包括如下：
[0008] (1)采集數(shù)據(jù)：
[0009] 腦電信號采集系統(tǒng)通過受試者佩戴的電極帽，采集受試者在視覺刺激顯示屏上按 不同頻率閃爍的40個白色正方形塊的刺激下，電極帽上所有電極的1024個采樣點的腦電信 號；
[0010] (2)預處理：
[0011] (2a)用受試者電極帽上每個電極采集的腦電信號減去所有電極腦電信號的均值， 得到基線校正后的腦電信號；
[0012] (2b)利用EEGLAB軟件，在基線校正后的腦電信號中截取受試者在視覺刺激過程中 的腦電信號，得到截取后的腦電信號；
[0013] (2c)將截取后的腦電信號降采樣，得到預處理后的腦電信號；
[0014] (3)帶通濾波：
[0015] 利用帶通濾波器組對預處理后的腦電信號進行濾波，得到子頻帶腦電信號矩陣 組；
[0016] (4)檢驗似然比：
[0017] (4a)利用參考信號公式，計算每個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，將所有視覺刺 激頻率的參考信號矩陣組成一個參考信號組；
[0018] (4b)從參考信號矩陣組中任意選取一個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，利用似然 比計算方法，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系 數(shù)；
[0019] (4c)將視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數(shù) 帶入到濾波器影響因子公式，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組 之間的似然比；
[0020] (4d)將計算得到的視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間 的似然比放到似然比組中；
[0021] (4e)判斷參考信號矩陣組中參考信號矩陣是否選取完，若是，則執(zhí)行步驟(5)，否 貝IJ，執(zhí)行步驟(4b);
[0022] (5)識別腦電信號：
[0023] (5a)從視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比組 中，找出最大的似然比所對應的視覺刺激頻率的參考信號矩陣；
[0024] (5b)在視覺刺激顯示屏上找出閃爍頻率與參考信號矩陣的視覺刺激頻率相同的 白色正方形塊，該正方形塊為被試者的刺激目標，完成對腦電信號的識別。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有以下優(yōu)點：
[0026] 第一、由于本發(fā)明采用了似然比檢驗的方法分析腦電信號，充分的利用了腦電信 號的每個數(shù)據(jù)對整組數(shù)據(jù)的影響，因此只需要少量的數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)目標識別，克服了現(xiàn) 有技術中刺激時間比較長，不適用于實時檢測的缺點，使得本發(fā)明能夠縮短刺激時間，實現(xiàn) 實時檢測。
[0027] 第二、由于本發(fā)明在分析腦電信號前，采用了一個濾波器組對腦電信號進行濾波， 充分的利用了腦電信號中的諧波信號，減少了相鄰目標之間的干擾，克服了現(xiàn)有技術無法 精確分辨目標個數(shù)相對較多的缺點，使得本發(fā)明增加了識別目標的個數(shù)，提高了腦電信號 的識別準確率。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0029]圖2為本發(fā)明視覺刺激的時序圖；
[0030]圖3為本發(fā)明與現(xiàn)有技術對腦電信號識別的準確率隨視覺刺激時間的變化曲線 圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的描述。
[0032] 參照附圖1，本發(fā)明的具體步驟如下。
[0033]步驟1，采集數(shù)據(jù)。
[0034]腦電信號采集系統(tǒng)通過受試者佩戴的電極帽，采集受試者在視覺刺激顯示屏上按 不同頻率閃爍的40個白色正方形塊的刺激下，電極帽上所有電極的1024個采樣點的腦電信 號。
[0035]參考圖2,本發(fā)明視覺刺激的時序是:開始0秒至1秒時被試者休息，隨后40個白色 正方形塊按照不同的頻率閃爍，并持續(xù)4秒，受試者在此期間選擇一個白色正方形塊注視4 秒，進行視覺刺激。每次視覺刺激后休息1秒，然后再選擇另一個閃爍塊凝視4秒，重復40次。 [0036]受試者佩戴電極帽，坐在椅子上平視距其60cm左右的視覺刺激顯示屏。腦電信號 采集系統(tǒng)的采樣頻率為1024Hz，測試電極分別為01，02,0z，P07，P08，P0z，P3，P4，P Z。在本發(fā) 明采集數(shù)據(jù)步驟中，視覺刺激顯示屏上有40個代表不同字母的白色正方形塊，當刺激開始 時40個白色正方形塊按照不同的頻率閃爍。
[0037] 步驟2,預處理。
[0038]用受試者電極帽上每個電極采集的腦電信號減去所有電極腦電信號的均值，得到 基線校正后的腦電信號。
[0039]利用EEGLAB軟件，在基線校正后的腦電信號中截取受試者在視覺刺激過程中的腦 電信號，得到截取后的腦電信號。
[0040] 將截取后的腦電信號降采樣，得到預處理后的腦電信號。
[0041] 降采樣是指取截取后的1024個采樣點的腦電信號采樣點的1/4,得到256個采樣點 的腦電信號，將其作為預處理后的腦電信號。
[0042] 步驟3,帶通濾波。
[0043] 利用通帶頻率的計算公式，分別計算每個濾波器的通帶頻率，用所得到的通帶頻 率構建一個帶通濾波器，將5個帶通濾波器組成一個帶通濾波器組。
[0044] 通帶頻率的計算公式如下：
[0045] fq = f*q
[0046] 其中，fq表示每一個濾波器的通帶頻率，f表示第一個濾波器的通帶頻率，根據(jù)腦 電信號的頻率范圍，選取f =[0.001，10]，q表示當前濾波器，q = l，2,…，5。
[0047]利用帶通濾波器組對預處理后的腦電信號進行濾波，得到子頻帶腦電信號矩陣 組。
[0048] 步驟4,檢驗似然比。
[0049] (4a)利用參考信號公式，計算每個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，將所有視覺刺 激頻率的參考信號矩陣組成一個參考信號組。
[0050] 參考信號公式如下：
[0051]
[0052]其中，Yf表示每個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，sin表示取正弦操作，cos表示取 余弦操作，表示圓周率，f表示被試者的視覺刺激頻率，該頻率表示顯示在視覺刺激顯示屏 上的一個白色正方形塊的閃爍頻率，η表示正余弦函數(shù)的諧波數(shù)目，n = 3，s表示子頻帶腦電 信號矩陣的采樣點，s = 256，t表示被試者的視覺刺激時間。
[0053] (4b)從參考信號矩陣組中任意選取一個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，利用似然 比計算方法，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系 數(shù)，其具體步驟如下：
[0054]第一步，從子頻帶腦電信號矩陣組中任意選取一個子頻帶腦電信號矩陣。
[0055] 第二步，按照下式，構造一個子頻帶腦電信號矩陣與視覺刺激頻率的參考信號矩 陣的和矩陣：
[0056]
[0057] 其中，X表示子頻帶腦電信號矩陣與視覺刺激頻率的參考信號矩陣的和矩陣，[]表 示矩陣操作，X1表示子頻帶腦電信號矩陣，X 2表示視覺刺激頻率的參考信號矩陣。
[0058]第三步，按照下式，求解目標矩陣的均方差值：
[0059]
[0060] 其中J表示目標矩陣按行求平均后得到的行均值，N表示目標矩陣每一行元素的 總數(shù)，Σ表示求和操作，Xk表示目標矩陣中的第k列元素，Ψ表示目標矩陣的均方差值，T表 示轉置操作。
[0061] 第四步，按照下式，求解子頻帶腦電信號矩陣X1與視覺刺激頻率的參考信號矩陣X2 之間的相關系數(shù)：
[0062]
[0063]其中，r表示子頻帶腦電信號矩陣X1與視覺刺激頻率的參考信號矩陣X2之間的相關 系數(shù)，表示和矩陣X的均方差值，Ψη表示子頻帶腦電信號矩陣X1的均方差值，*表示乘法 操作，Ψ22表示視覺刺激頻率的參考信號矩陣X 2的均方差值，V2表示視覺刺激頻率的參考信 號矩陣X2行的總數(shù)。
[0064] 第五步，判斷子頻帶腦電信號矩陣組中子頻帶腦電信號矩陣是否選取完，若是，則 得到視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數(shù)，執(zhí)行步驟 (4c)，否則，執(zhí)行本步驟的第二步。
[0065] (4c)將視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數(shù) 帶入到濾波器影響因子公式，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組 之間的似然比。
[0066] 濾波器影響因子公式如下：
[0067]
[0068] 其中，Wj表示第j個子頻帶腦電信號矩陣與視覺刺激頻率的參考信號矩陣之間的 系數(shù)權重，a表示乘性權重因子，a = 1.25，b表示加性權重因子，b = 0.25，p表示視覺刺激頻 率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比，Σ表示求和操作，q表示當前濾 波器，q=l，2，···，5,〇表示第j個子頻帶腦電信號矩陣與視覺刺激頻率的參考信號矩陣之 間的相關系數(shù)。
[0069] (4d)將計算得到的視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間 的似然比放到似然比組中。
[0070] (4e)判斷參考信號矩陣組中參考信號矩陣是否選取完，若是，執(zhí)行步驟5,否則，執(zhí) 行步驟(4b)。
[0071] 步驟5,識別腦電信號。
[0072] 從視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比組中，找 出最大的似然比所對應的視覺刺激頻率的參考信號矩陣。
[0073] 在視覺刺激顯示屏上找出閃爍頻率與參考信號矩陣的視覺刺激頻率相同的白色 正方形塊，該正方形塊為被試者的刺激目標，完成對腦電信號的識別。
[0074] 下面通過仿真對本發(fā)明的效果做進一步說明。
[0075] 1.仿真條件：
[0076]本發(fā)明的仿真實驗是在MATLABR2010a的軟件環(huán)境下進行的。#
[0077] 2.仿真內(nèi)容：
[0078] 視覺刺激界面上40個正方形塊的閃爍頻率依次為:8. OHz，8.2Hz，……，15.8Hz，每 次增加0.2Hz。選擇自愿參與本次實驗的10名大學生或研究生作為被試者，其中男性5名，女 性5名，年齡在20~25歲之間，平均年齡為23歲，視力或矯正視力正常。每個被試者共做6組 實驗，每組包括40個閃爍周期，被試者與視覺刺激屏幕的距離為60cm，視線基本保持與屏幕 中心平行，在每組實驗結束后讓被試者休息3分鐘。
[0079] 3.仿真效果分析：
[0080]圖3給出了腦電信號的識別準確率隨視覺刺激時間的變化曲線。圖3中的橫坐標表 示視覺刺激時間，縱坐標表示腦電信號的識別準確率。圖3中以五角星標識的曲線表示本發(fā) 明對腦電信號的識別準確率的曲線。圖3中以圓圈標識的曲線表示現(xiàn)有技術中的典型相關 分析方法對腦電信號的識別準確率的曲線。圖3中以正方形標識的曲線表示現(xiàn)有技術中的 LRT方法對腦電信號的識別準確率的曲線。圖3中以菱形標識的曲線表示現(xiàn)有技術中的功率 譜分析法方法對腦電信號的識別準確率的曲線。比較圖3中的四條曲線可以看出，在視覺刺 激時間較短的情況下，本發(fā)明所述方法對腦電信號的識別準確率要明顯高于現(xiàn)有方法，說 明本發(fā)明的方法對腦電信號的識別要優(yōu)于現(xiàn)有方法。
【主權項】
1. 一種基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦電信號處理方法，包括如下步驟： (1) 采集數(shù)據(jù)： 腦電信號采集系統(tǒng)通過受試者佩戴的電極帽，采集受試者在視覺刺激顯示屏上按不同 頻率閃爍的40個白色正方形塊的刺激下，電極帽上所有電極的1024個采樣點的腦電信號； (2) 預處理： (2a)用受試者電極帽上每個電極采集的腦電信號減去所有電極腦電信號的均值，得到 基線校正后的腦電信號； (2b)利用EEGLAB軟件，在基線校正后的腦電信號中截取受試者在視覺刺激過程中的腦 電信號，得到截取后的腦電信號； (2c)將截取后的腦電信號降采樣，得到預處理后的腦電信號； (3) 帶通濾波： (3a)利用通帶頻率的計算公式，分別計算每個濾波器的通帶頻率，用所得到的通帶頻 率構建一個帶通濾波器，將5個帶通濾波器構成一個帶通濾波器組； (3b)利用帶通濾波器組對預處理后的腦電信號進行濾波，得到子頻帶腦電信號矩陣 組； (4) 檢驗似然比： (4a)利用參考信號公式，計算每個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，將所有視覺刺激頻 率的參考信號矩陣組成一個參考信號組； (4b)從參考信號矩陣組中任意選取一個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，利用似然比計 算方法，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數(shù)； (4c)將視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數(shù)帶入 到濾波器影響因子公式，計算視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間 的似然比； (4d)將計算得到的視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似 然比放到似然比組中； (4e)判斷參考信號矩陣組中參考信號矩陣是否選取完，若是，則執(zhí)行步驟(5)，否則，執(zhí) 行步驟(4b); (5) 識別腦電信號： (5a)從視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比組中，找 出最大的似然比所對應的視覺刺激頻率的參考信號矩陣； (5b)在視覺刺激顯示屏上找出閃爍頻率與參考信號矩陣的視覺刺激頻率相同的白色 正方形塊，該正方形塊為被試者的刺激目標，完成對腦電信號的識別。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦電信號處理方法，其特征在于：步驟 (2c)中所述的降采樣是指，取截取后的1024個采樣點的腦電信號采樣點的1/4,得到256個 采樣點的腦電信號，將其作為預處理后的腦電信號。3. 根據(jù)權利要求1所述的基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦電信號處理方法，其特征在于：步驟 (3a)中所述的帶通濾波器組中任意一個濾波器的通帶頻率的計算公式如下： fq = f 氺 q 其中，fq表示濾波器的通帶頻率，f表示第一個濾波器的通帶頻率，f= [0.001，10]，q表 示當前濾波器，q = l，2，···，5。4. 根據(jù)權利要求1所述的基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦電信號處理方法，其特征在于：步驟 (4a)中所述的參考信號公式如下：其中，Yf表示每個視覺刺激頻率的參考信號矩陣，sin表示取正弦操作，cos表示取余弦 操作，31表示圓周率，f表示被試者的視覺刺激頻率，該頻率表示顯示在視覺刺激顯示屏上的 一個白色正方形塊的閃爍頻率，η表示正余弦函數(shù)的諧波數(shù)目，n = 3，s表示子頻帶腦電信號 矩陣的采樣點，s = 256，t表示被試者的視覺刺激時間。5. 根據(jù)權利要求1所述的基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦電信號處理方法，其特征在于：步驟 (4b)中所述的似然比計算方法的具體步驟如下： 第一步，從子頻帶腦電信號矩陣組中任意選取一個子頻帶腦電信號矩陣； 第二步，按照下式，構造一個子頻帶腦電信號矩陣與視覺刺激頻率的參考信號矩陣的 和矩陣；其中，X表示子頻帶腦電信號矩陣與視覺刺激頻率的參考信號矩陣的和矩陣，[]表示矩 陣操作，X1表示子頻帶腦電信號矩陣，X2表示視覺刺激頻率的參考信號矩陣； 第三步，按照下式，求解目標矩陣的均方差值： I iV μ其中，?表示目標矩陣按行求平均后得到的行均值，Ν表示目標矩陣每一行元素的總數(shù)， Σ表示求和操作，xk表示目標矩陣中的第k列元素，Ψ表示目標矩陣的均方差值，Τ表示轉置 操作； 第四步，按照下式，求解子頻帶腦電信號矩陣X1與視覺刺激頻率的參考信號矩陣X2之間 的相關系數(shù)：其中，r表示子頻帶腦電信號矩陣X1與視覺刺激頻率的參考信號矩陣X2之間的相關系 數(shù)，Ψ:表示和矩陣X的均方差值，Ψη表示子頻帶腦電信號矩陣X1的均方差值，*表示乘法操 作，Ψ 22表示視覺刺激頻率的參考信號矩陣X2的均方差值，^表示視覺刺激頻率的參考信號 矩陣 X2行的總數(shù)； 第五步，判斷子頻帶腦電信號矩陣組中子頻帶腦電信號矩陣是否選取完，若是，則得到 視覺刺激頻率的參考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的相關系數(shù)，否則，執(zhí)行第二 步。6.根據(jù)權利要求1所述的基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)的腦電信號處理方法，其特征在于：步驟 (4c)中所述的濾波器影響因子公式如下：其中，^表示第j個子頻帶腦電信號矩陣與視覺刺激頻率的參考信號矩陣之間的系數(shù)權 重，a表示乘性權重因子，a = 1.25，b表示加性權重因子，b = 0.25，P表示視覺刺激頻率的參 考信號矩陣與子頻帶腦電信號矩陣組之間的似然比，Σ表示求和操作，q表示當前濾波器，q = 1，2，···，5,〇表示第j個子頻帶腦電信號矩陣與視覺刺激頻率的參考信號矩陣之間的相 關系數(shù)。
【文檔編號】A61B5/0476GK105942975SQ201610247976
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】石光明, 王凱, 王永杰, 李甫, 李文燦, 李宇琛, 王曉甜
【申請人】西安電子科技大學