一种利用诱发电位反映脑部主观动机信号的脑机接口方法

摘要

本发明提供一种基于P2和VPP反映大脑脑部信号的脑机接口方法，主要包括：通过图片刺激器播放视觉刺激；采集视觉事件诱发的脑电信号并进行处理；对P2和VPP的联合信号进行分析得到脑机接口控制信号；通过信号输出装置输出信号。利用本发明提供的基于P2和VPP反映大脑脑部信号的脑机接口方法，拓展了脑机接口目标脑电成分的范围，提高信号判断的准确性，不需要基于使用者任何的外周系统的动作即可获得有效信号，对使用者没有损害，可用于残疾人士的支持辅助系统。

说明书

技术领域

本发明属于脑机接口领域，具体涉及一种以事件相关电位为关键技术反映大脑脑部信号的脑电分析方法，包括利用像素随机化模糊图片作为刺激材料以及事件相关电位VPP和P2成份作为关键信号的相关技术。

背景技术

脑机接口（Brain Computer Interaction,BCI）是一种不依赖于外周运动神经或肌肉参与，而只依靠大脑皮层向外部输出指令，从而建立人脑与外界交流通道的技术。其中的核心技术是通过非侵入式的获取装置采集脑电信号（Electroencephalography，EEG），利用计算机处理和识别信号中隐藏的模式和信息，转换成为计算机的输出，完成对外部设备的直接控制。

事件相关电位（Event Related Potentials,ERPs）是指同刺激事件相关的、并在时间上同刺激锁定的EEG信号平均后所观察到的一系列电位变化。它不仅依赖于外界刺激的物理属性，也与大脑的主观加工和认知状态有密切的关系。在各类事件相关电位成分中，P300是一种应用广泛的成分。它是指在刺激呈现后的300毫秒左右脑电中出现的较大正波。目前与P300相关的专利有“基于视觉P300-Speller脑-机接口方法”（201110325897.1）”和“基于P300脑电电位的中文输入BCI系统”（200710164418.6）。上述专利的内容全文引入本说明书中，以资参考。

传统的基于P300的BCI系统主要运用Farwell和Donchin所设计的6×6的刺激界面，每一个单位格中呈现一个字母或数字，通过随机行闪烁或列闪烁，使受试者不断接受视觉刺激。此时，当行或列闪烁出使用者心中所想的字母时，即出现小概率事件，ERP信号中将出现波幅较大的P300。通过特征提取和分类算法，求出靶刺激出现的行和列，就能够计算出使用者心中所想的目标字母或数字。接着，又可以通过字母和数字的依次组合，反映出受试者想表达的内心活动。

除了P300，目前还有另一种人脸特异识别波N170也可用来作为脑机接口的信号指标。“基于人脸识别特异性波N170成分的脑机接口系统”（申请号：200810147312.X，公开号：CN 101339455A）的专利发明中，N170作为对人脸刺激敏感的特异性成分，能够较明显地反映出大脑信号的变化。基于N170的脑机接口系统能够克服其它类型的脑机接口系统所普遍存在的弱点：捕捉非常微弱的脑电信号的过程中，即要保证正确率和传输速度，又要保证实时的控制具有很大的困难。然而，该系统却存在一个很大的缺陷，即只能用作图片分类的操作控制，并不能反映大脑中更多丰富的主观意图和动机。这一缺陷与N170本身的属性有关：N170主要依赖于刺激的物理属性所引发的自下而上的加工，而非脑部信号引发的自上而下的认知加工和指令。同样，上述专利的内容全文引入本说明书中，以资参考。

发明内容

鉴于上述内容，本发明人经潜心钻研事件相关电位，利用人脸加工的特异性和大脑对此加工过程自上而下的调制，来反映大脑的脑部信号，而不局限于人脸图片的分类。其中，能够受到自上而下调制的与人脸加工有关的脑电成分是P2和顶正电位。其中，P2是指在视觉刺激出现200毫秒（其中，“P”表示Positive，“2”表示200毫秒）后脑电中所出现的正波，顶正电位（VertexPositive Potential，VPP）是指在视觉刺激出现后的170毫秒左右在大脑中央顶叶所出现的正波。

本发明的目的是提供一种利用P2和VPP反映大脑脑部信号的脑机接口方法，并能够达到可靠的判断正确率。该方法能够拓展脑机接口系统中所使用的事件相关电位成分的类别范围，使得目标脑电成分不局限于P300和N170。

利用本发明提供的基于P2和VPP反映大脑脑部信号的脑机接口方法，具有以下优点：（1）利用VPP和P2能够受到大脑动机自上而下调节的特性，首次使用VPP和P2作为脑机接口技术的关键脑电成分，拓展了脑机接口目标脑电成分的范围；（2）VPP和P2分别位于大脑顶叶正中和颞叶两侧，采用两个不同脑区的脑电成分联合信号作为判断分类标准，提高信号判断的准确性；（3）本发明不需要基于使用者任何的外周系统的动作，包括注视点的移动，只需要在大脑中进行人脸或非人脸的想象，即可获得有效信号。而其它系统做不到这一点：基于SSVEP的系统（参见：基于左右视野两个频率刺激的稳态视觉诱发脑机接口方法，申请号:200910076209,公开号：CN101477405A。该文献全文引入本说明书中，以资参考。）需要借助注视点的移动来获得不同频率下的视觉稳态反应，基于P300也许需要借助注视点的移动来关注不同行和列的变化；（4）颅外脑电记录是非侵入式记录方法，对使用者没有损害，可用于残疾人士的支持辅助系统。

根据本发明的一个方面，提供一种基于P2和顶正电位反映脑部信号的脑机接口方法，包括：步骤（1）：播放视觉刺激信号；步骤（2）：采集由所述视觉刺激信号所诱发的脑电信号；步骤（3）：对采集到的所述脑电信号进行处理，获得所述P2和顶正电位波形；步骤（4）：根据所获得的所述P2和顶正电位波形信号进行分析，得到脑机接口控制信号；步骤（5）：通过所述脑机控制信号控制输出装置以产生输出信号。

根据本发明的一个方面，在步骤（1）中，采用图片刺激器将清晰图片转化为模糊图片,从而产生所述视觉刺激信号。

根据本发明的一个方面，在步骤（2）中还包括：将顶叶和颞枕叶位置的目标电极Cz，FCz，P5/6，P7/8，PO5/6，PO7/8处获取的脑电信号经过放大器放大、进行数模转换，以数字形式存储于计算机中。

根据本发明的一个方面，在步骤（3）中对脑电信号进行处理，还包括预处理：去眼电、基线矫正、线性矫正和滤波等处理的至少一种。

根据本发明的一个方面，在步骤（4）中具体包括：

提取P2和顶正电位的波幅与潜伏期，检测人脸诱发和非人脸客体诱发的ERP成分的显著差异；

对P2和顶正电位的联合信号进行特定频率段和特定时间窗内的分类检测；

根据P2和顶正电位的分类检测结果进行判断，得到脑机接口控制信号；

根据本发明的一个方面，步骤（5）中还包括：将所述输出信号进行可视化。

附图说明

图1为本发明的系统构成示意图；；

图2为本发明使用的模糊图片刺激示例图；

图3为根据本发明提出方法实现导联选择示意图；

图4为想象人脸和非人脸条件下VPP和P2的波形差异结果图；

图5为P2和VPP信号分类检测示意图。

具体实施方式

以下参照本发明的附图，通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

应理解的是本发明提供的检测方法能够在不同的实例上具有各种变化，基于本发明思想的各种变化的实例皆不脱离本发明的范围；且本发明中的附图在本质上作为说明之用，例如绘图元件并不一定是按比例绘制也不限定特定的设备，描述特定顺序或行为也不要求相于次序这样的特定性。即本发明中的附图只为解释说明本发明的方法及系统，而非用以限制本发明。

根据本发明的一个实施例，提供一种基于P2和VPP反映大脑脑部信号的脑机接口方法，包括：

通过图片刺激器播放视觉刺激；

采集视觉事件诱发的脑电信号并进行处理，将脑电信号采集系统的电极安置于目标位置，即Cz，FCz，P5/6，P7/8，PO5/6，PO7/8。参考电极置于鼻尖，接地电极接地。采集视觉事件诱发的脑电信号；将各电极获取的脑电信号经过放大器放大、进行数模转换，以数字形式存储于计算机中；对脑电信号进行处理分析，预处理步骤包括去眼电、基线矫正、线性矫正和滤波；利用事件相关电位的核心技术即叠加平均原理，获得P2和VPP；

对P2和VPP的联合信号进行分析得到脑机接口控制信号。提取P2和VPP的波幅与潜伏期，检测人脸诱发和非人脸客体诱发的ERP成分的显著差异；根据P2和VPP的联合信号，利用分类算法对使用者的动机进行“是”或“否”的判断，得到脑机接口控制信号；

通过信号输出装置输出信号。

如图1所示，本发明的系统包括图片刺激器、信号采集装置、信号处理装置、信号输出装置。

图片刺激器

为了能够让使用者对播放的图片刺激进行更生动的想象，本发明采用像素随机化的模糊图片作为材料。从已有图片库中选取灰阶人脸和房子图片，将人脸和房子图片进行像素随机化处理，即将所有的像素选中并随机打乱组成一张新的图片。图2中的a部分是原始的人脸和房子图片，图2中的b部分是通过像素随机化处理后得到的实验所用的模糊图片。本实例中采用刷新频率60Hz，分辨率为1024×768像素的显示器，图片刺激的视角为10.5°。

信号采集

选取标准系统的64导电帽（图3），材料为银/氯化银（Ag/AgCl）合金，这种合金的极化电压最小，适合用于采集微弱的脑电信号。按照脑电实验标准流程为使用者佩戴电极帽，接地电极置于头顶，参考电极置于鼻尖。相较于平均参考和双侧乳突参考方式，鼻尖参考能够更好地反映脑电信号，尤其是增加枕颞两侧的信号强度。此外，为了确保信号的高质量，还记录水平眼电和垂直眼电，用于进行伪迹排除。

在本实例中，采集信号的电极位置在P5/6、P7/8、PO5/6、PO7/8、Cz、FCz（图3标注部分）。其中，P5/6、P7/8、PO5/6、PO7/8用于采集P2成分的信号，Cz和FCz用于采集VPP成分的信号。数据采集过程中保证所有电极处的头皮电阻小于4.3kΩ。系统采样率为1000Hz，带宽0.05-40Hz。获取的信号通过放大器进行放大，放大增益达到3000倍以上。将放大后的信号送入数据采集器中，进行数模转换，A/D转换器选取16位，根据本发明的实施例，最后信号以Neuroscan系统的CNT格式的数字文件存储于计算机中。

脑电信号处理

脑电信号的预处理是为了减少信号中的伪迹，提高信号的质量。首先，将基线漂移超过±100μV的信号进行矫正，排除眨眼伪迹严重的信号段。根据本发明的一个实施例，可以采用如下的眼电矫正具体方法：

1）计算每个EEG导所含的眼电与眼部电极所含的眼电之比值，即各导的传播系数By。

2）根据传播系数By,从各导的EEG信号中减去眼电信号。其中，根据本发明的一个实施例，传播回归系数By的计算方法如下[参考Gratton et al.(1983),Anew me thod for off-line removal of ocular artifact,ElectroencepgalogrClin Neuropgysiol,55:468-484]

$>\mathrm{By}=\frac{\mathrm{\Sigma XY}-\left(\mathrm{\Sigma X\Sigma Y}\right)/N}{\Sigma X^2-\frac{{\left(\mathrm{\Sigma X}\right)}^2}{N}}$>

其中，X是指眼电每个采样点与各次同点平均值的差值，Y是指EEG每个采样点与各次同点平均值的差值，N为采样点数。

接着，将时域的EEG信号通过傅里叶变换转化为频域表征，将频率表征中20Hz以上的频率范围设为零，再将其通过傅里叶逆变换转换为时域表征，通过这一操作，将信号作截止频率为20Hz的低通滤波。

利用事件相关电位中的叠加平均技术，将所得的EEG信号根据刺激发生的时间点进行时间锁定的多次叠加平均，从而得到事件相关电位，即ERP波形。如图4所示，当使用者对模糊图片进行人脸想象时，所得到的VPP和P2波形显著高于非人脸即房子的想象。其中，VPP成分出现波峰的目标时间窗是160-220ms，P2成分出现波峰的目标时间窗是200-240ms。

为了验证VPP和P2的能量作为目标信号来反映脑部信号的可行性，发明人已经采用上述方法进行了基于VPP和P2反映脑部信号的实验。实验中招募了16名大学生受试者，采用Neuroscan系统和Neuroscan放大器(所述Neuroscan系统和放大器属于本领域的现有技术)。在Neuroscan系统界面下设置信号采集参数，脑电信号经Neuroscan放大器放大后以数字形式存储与计算机中。采用系统离线操作功能进行脑电数据的处理。受试者接受图片刺激器产生的模糊图片，并两种不同方式的想象，即想象为人脸或想象为房子。离线实验结果表明，只需要30次左右视觉刺激的平均叠加，就可以产生准确反映想象方式的VPP，只需60次左右视觉刺激的平均叠加，就可以产生准确反映想象方式的P2信号。此时，16名受试者的VPP和P2幅度的差异能够达到统计上的显著性（p<0.05），说明VPP和P2能很好地区分想象为人脸和房子的主观过程（如图5）。在实际应用中，只要赋予人脸想象和非人脸想象两者不同的含义，例如“是”和“否”，那么VPP和P2信号就能够很好地反映受试者发出的“是/否”的指令。

VPP和P2联合信号的分类算法

当使用者对模糊图片进行人脸想象时，所得到的VPP和P2波形显著高于非人脸（房子）的想象。因此，分别利用经过低通滤波（能量频段：0.0520Hz）后的相应时间窗内（VPP：160-220 ms，P2：200-240 ms）VPP和P2的能量作为一个二维特征，将部分实验数据作为训练集。

脑电信号的分类采用支持向量机（SVM，Support Vector Machine）算法，经SVM分类器训练出一个一条直线y＝ax+b作为分类面，其中，x为VPP的能量值，y为P2的能量值（如图5）。在分类面上方就表示二者的能量都很大，即当y＞ax+b时，输出结果表征值为“1”，将其就判为“是”；在分类面下方，即当y<ax+b时，输出结果表征值为“0”，我们就将其判为“否”，这样就可以实现一个二类（“是/否”）的信号分类。

信号输出装置

本界面作为信号输出端，将不同想象方式所反映的动机差异输出为可视化结果，对VPP和P2检测后的判断指令在显示器界面上输出为“是”和“否”的字样。检测结果为“1”，表明脑电信号中检测到了强烈的P2和VPP信号，说明受试者正在进行人脸想象，该信号判断为“是”时，显示器输出“是”的字样；检测结果为“0”，表明脑电信号中检测到了较弱的P2和VPP信号，说明受试者正在进行房子想象，该信号判断为“否”，显示器输出“否”的字样。除了将显示器作为可视化界面输出反映动机的“是”和“否”字样外，信号输出界面还可以包括其它设备的联结与操作，从而应用到广泛的脑机接口设备中，例如显示器的开关、灯具的开关等。

综上所述，本发明提出一种利用P2和VPP反映脑部信号的脑机接口方法。该方法能够拓展脑机接口系统中所使用的事件相关电位成分的类别范围，使得目标脑电成分不局限于P 300和N170，并能够达到可靠的判断正确率。

虽然本发明已以优选实例公开如上，然而所公开实例并非用以限制本发明的范围。可以理解：在不脱离本发明的精神的情况下，在此可以产生各种附加、修改和替换。本领域普通技术人员很清楚：在不脱离本发明的精神或本质特性的情况下，可以以其他特殊形式、结构、布置、比例、以及利用其他元件、材料和部件来实现本发明。本领域的技术人员将意识到：本发明可以使用发明实际中使用的结构、布置、比例、材料以及部件和其他的许多修改，这些修改在不脱离本发明的原理的情况下而特别适应于特殊环境和操作需求。因此，当前公开的实施例在所有方面应被理解为说明性的而非对其请求保护的范围的限制。