基于邏輯思維和形象思維的腦機(jī)接口方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及人工智能領(lǐng)域以及腦電信號(hào)識(shí)別領(lǐng)域，尤其涉及了一種基于邏輯思維 和形象思維的腦機(jī)接口方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，簡(jiǎn)稱BCI)是不依賴于正常的由外圍神經(jīng) 和肌肉組成的輸出通路，是一種直接連接大腦和計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備的通訊系統(tǒng)。腦機(jī)接口 系統(tǒng)具有無創(chuàng)采集、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)以及獨(dú)特的時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)。腦機(jī)接口系統(tǒng)通常由四 個(gè)模塊組成：腦電信號(hào)采集模塊、腦電信號(hào)特征提取模塊、腦電信號(hào)特征分類模塊以及外部 設(shè)備控制模塊。特征提取模塊以及特征分類模塊是整個(gè)腦機(jī)接口最核心的部分，正是通過 這兩個(gè)模塊可以將腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以被外部設(shè)備識(shí)別的控制信號(hào)。腦電信號(hào)的特點(diǎn)有微 弱性、復(fù)雜性以及不穩(wěn)定性，由于腦電信號(hào)的這些特性，對(duì)于范式設(shè)計(jì)以及特征提取與分類 有比$父尚的要求。
[0003] 目前實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的腦電信號(hào)采集方式主要有兩種：植入式腦電信號(hào)采集方式 和非植入式腦電信號(hào)采集方式。植入式腦電信號(hào)采集方式主要包括功能性核磁共振成像 (FMRI)、腦磁圖（EMG)以及近紅外光譜（NIRS)等。非植入式的采集方式彌補(bǔ)了植入式采 集帶來的不方便以及有創(chuàng)性等各種問題，其中腦電圖（Electroencephalograph，簡(jiǎn)稱EEG) 是目前最主要實(shí)現(xiàn)非植入式腦機(jī)接口的方式，也是被廣泛認(rèn)為最有潛力的技術(shù)。與植入式 電極相比，非植入式電極具有時(shí)間分辨率高、易于使用、成本較低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在 主要采用的非植入式電極采集方式有運(yùn)動(dòng)想象、P300和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（Steady-State Visual Evoked Potentials，簡(jiǎn)稱 SSVEP)。
[0004] 近年來，利用不同思維任務(wù)腦電信號(hào)作為實(shí)現(xiàn)BCI的一種新型技術(shù)，已受到了廣 泛的關(guān)注。思維活動(dòng)是人類智慧的標(biāo)志之一。當(dāng)人們進(jìn)行思維作業(yè)時(shí)，大腦特定區(qū)域神經(jīng)細(xì) 胞電生理活動(dòng)會(huì)發(fā)生一定程度的變化，這些電生理活動(dòng)會(huì)在頭皮表面發(fā)生反映，可以被腦 電信號(hào)采集設(shè)備采集到。大腦在進(jìn)行不同思維活動(dòng)是激活大腦皮層的不同區(qū)域并能誘發(fā)出 不同的腦電節(jié)律的生理現(xiàn)象使得利用腦電信號(hào)對(duì)邏輯思維和形象思維進(jìn)行分類成為可能。 按照神經(jīng)心理學(xué)理論分析，在心中想象心算以及空間旋轉(zhuǎn)是復(fù)雜的過程，計(jì)算的行為可能 包括數(shù)字識(shí)別、數(shù)字符號(hào)含義的理解、計(jì)算方法的選擇、運(yùn)算規(guī)則和特殊計(jì)算程序執(zhí)行、中 間結(jié)果的暫時(shí)存儲(chǔ)和再提取及記憶結(jié)果的表達(dá)等任職成分。當(dāng)右利手被試者進(jìn)行計(jì)算時(shí)， 主要激活左前額葉和雙側(cè)頂層皮質(zhì)；并且當(dāng)被試者在進(jìn)行與語言、心算有關(guān)的思維活動(dòng)時(shí)， 左半球的α波小于右半球；在進(jìn)行與空間想象有關(guān)的意識(shí)任務(wù)時(shí)，情況相反。通過對(duì)不同 思維作業(yè)自發(fā)腦電信號(hào)的分類實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口，直接利用思維作業(yè)來控制外部設(shè)備，更接近 人對(duì)外部設(shè)備的實(shí)際控制模式，派出了利用誘發(fā)腦電信號(hào)，產(chǎn)生的不必要偽跡以及誘發(fā)電 位提取、定位的困難。并且相對(duì)于SSVEP等其他的模式，邏輯思維以及形象思維的腦袋模式 使用起來更加方便，更適宜長期使用。
[0005] 尋求有效的特征提取及分類的方法是提高識(shí)別準(zhǔn)確率關(guān)鍵技術(shù)之一。常用的特征 提取方法有功率譜分析、小波變換、共空間模式算法（common spatial pattern，簡(jiǎn)稱CSP) 等。CSP算法被認(rèn)為是一種有效的腦電模式分析方法。CSP的優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)先選擇被試者 特異性的頻帶，也不需要有腦電信號(hào)的空間分布信息，而是基于任務(wù)對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行處理； 缺點(diǎn)是需要大量的特征向量及大量的電極，而過多的電極又會(huì)造成整個(gè)腦機(jī)接口便攜性的 下降。CSP算法的目的是尋找一個(gè)空間濾波器，使兩種信號(hào)經(jīng)過算法處理之后，最大限度的 被區(qū)分，算法是基于兩個(gè)協(xié)方差矩陣同時(shí)對(duì)角化，使其中一類信號(hào)方差最大的同時(shí)另一類 信號(hào)的方差最小。
[0006] 支持向量機(jī)分類器在解決非線性、小樣本以及高維模式識(shí)別中表現(xiàn)出很多特有的 優(yōu)勢(shì)，并且可以推廣應(yīng)用到函數(shù)擬合等其他機(jī)器學(xué)習(xí)問題中。支持向量機(jī)擁有優(yōu)秀的學(xué)習(xí) 性能以及能同時(shí)最大化幾何邊緣區(qū)和最小化經(jīng)驗(yàn)誤差的特性，因而作為分類器被廣泛應(yīng)用 于腦機(jī)接口的分類問題中。支持向量機(jī)主要思想在于通過某種事先選擇的非線性核函數(shù)將 線性不可分的空間映射到一個(gè)高維的線性可分的特征空間，在這個(gè)空間利用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小 化原則構(gòu)造最優(yōu)分類超平面，使分類面兩側(cè)相距此平面最近的不同類樣本之間間隔最大， 對(duì)最優(yōu)超平面的構(gòu)造問題上可以通過解決一個(gè)凸二次規(guī)劃問題來實(shí)現(xiàn)。支持向量機(jī)方法的 一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是所獲得的分類器的復(fù)雜度可以采用支持向量的個(gè)數(shù)，而不是變換空間的 維數(shù)來刻畫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種基于邏輯思維和形象思 維的腦機(jī)接口方法，解決原有CSP算法需要大量特征向量及電極而導(dǎo)致計(jì)算和操作都不方 便的技術(shù)問題。
[0008] 技術(shù)方案：大腦的左右半球存在著明顯分工，并且已經(jīng)證實(shí)，如運(yùn)動(dòng)想象中的同步 化/去同步化現(xiàn)象（ERD/ERS)，與運(yùn)動(dòng)想象類似，在進(jìn)行不同的邏輯思維與形象思維活動(dòng) 時(shí)，會(huì)在相應(yīng)的腦部區(qū)域產(chǎn)生一定的腦電信號(hào)，大腦的左右半球同樣可以檢測(cè)到腦電信號(hào) 是不對(duì)稱的，這個(gè)特征使得利用腦電信號(hào)區(qū)分不同思維作業(yè)成為可能，同時(shí)也成為利用不 同思維作業(yè)來設(shè)計(jì)腦機(jī)接口的根據(jù)之一。
[0009] 基于上述事實(shí)，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用的技術(shù)方案如下：
[0010] 基于邏輯思維和形象思維的腦機(jī)接口方法，包括順序執(zhí)行的如下步驟：
[0011] 步驟一、在被試者頭部設(shè)置腦電信號(hào)采集模塊，通過邏輯思維任務(wù)與形象思維任 務(wù)的范式，利用單導(dǎo)聯(lián)腦電采集方法采集得到被試者在不同刺激狀態(tài)下的原始腦電信號(hào)；
[0012] 步驟二、對(duì)原始腦電信號(hào)進(jìn)行空間、時(shí)間以及頻率的三維空間的處理；
[0013] 步驟三、在共空間模式下對(duì)經(jīng)步驟二處理后的腦電信號(hào)提取特征向量；
[0014] 步驟四、通過支持向量機(jī)對(duì)步驟三中提取得到的特征向量交叉驗(yàn)證分類，獲得腦 電信號(hào)分類結(jié)果輸出。
[0015] 進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，采集原始腦電信號(hào)時(shí)，在腦電信號(hào)采集模塊中設(shè)置包括如 下位置的導(dǎo)聯(lián)電極：在前額葉、頂葉和顳葉上均設(shè)置一對(duì)導(dǎo)聯(lián)電極，且屬于同一對(duì)的兩個(gè)導(dǎo) 聯(lián)電極位置對(duì)稱設(shè)置，具體包括分別位于前額葉兩側(cè)的F3和F4,分別位于頂葉兩側(cè)的C3和 C4以及分別位于顳葉兩側(cè)的P3和P4。根據(jù)神經(jīng)心理學(xué)理論分析，當(dāng)右利手被試者進(jìn)行計(jì) 算時(shí)，主要激活左前額葉和雙側(cè)頂層皮質(zhì)；并且當(dāng)被試者在進(jìn)行與語言、心算有關(guān)的思維活 動(dòng)時(shí)，左半球的α波小于右半球；在進(jìn)行與空間想象有關(guān)的意識(shí)任務(wù)時(shí)，情況相反；因此， 按照上述位置設(shè)置導(dǎo)聯(lián)電極能夠獲得有效區(qū)分邏輯思維和形象思維的腦電信號(hào)。
[0016] 進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，單次實(shí)驗(yàn)的范式設(shè)計(jì)如下：首先被試者保持至少2秒鐘的 平靜狀態(tài)，采集該平靜狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的腦電信號(hào)作為參考；然后進(jìn)行邏輯思維任務(wù)或形象思 維任務(wù)，其中邏輯思維任務(wù)為在屏幕中出現(xiàn)算式、被試者根據(jù)算式進(jìn)行心算，形象思維任務(wù) 為在屏幕中