变时长编码的非侵入式脑机接口系统及编码方式

摘要

本发明属于脑机接口领域，具体公开了本发明针对现有技术中编码难度大、解调困难以及难以适应不同用户脑电特点的技术问题，提供了一种变时长编码的非侵入式脑机接口编码方法，用于人脑向计算机发送便于计算机识别的二进制编码，人脑产生两个频率固定、刺激时间长度固定的第一阶段信号，两个第一阶段信号分别与二进制的编码对应，若干个第一阶段信号组成一个码元，通过改变码元最后一位的第一阶段信号的时长或者插入标志编码的方式来标定码元之间的间隔。还公开了变时长编码的非侵入式脑机接口系统。

说明书

技术领域

本发明涉及脑机接口领域，具体涉及一种变时长编码的非侵入式脑机接口系统及编码方式。

背景技术

研究表明，当受到一个固定频率的视觉刺激的时候，人的大脑视觉皮层会产生一个连续的与刺激频率有关（刺激频率的基频或倍频处）的响应。这个响应被称为稳态视觉诱发电位—Steady-State Visual Evoked Potentials,SSVEP。它可以可靠地应用于脑-机接口系统（BCIs）。

为了接收、检测并分析SSVEP信号，现有技术提供了一种FM-SSVEP刺激器系统，一种基于固定频率的稳态视觉刺激器系统，是指利用固定的几个不同的频率分别作为刺激信号，然后采集大脑在受到这些刺激时的脑电信号，进行数据分析和处理，进而得到SSVEP信号的频率，通过SSVEP信号的标志频率与刺激信号的频率进行对比，即可反馈出刺激信号的信息，从而完成指令的传递，该技术可应用到脑电拨号、控制等多个领域。

在之前提出的专利《基于SSVEP脑机接口的脑电波指令识别方法》中，使用“Bit0”,“Bit 1”,“Bit 2”三个频率（或者说信号）来分别实现刺激单元的二进制比特流编码与比特流末端标定。

然而，这样的编码方法编码需要的频率较多，在显示器等刺激单元上实现难度仍然较大,且在解码过程中需要对“Bit 0”,“Bit 1”,“Bit 2”进行解调（需要三次滤波）；一次解调过程需要的处理时间较长（主要原因是，现有的计算机语言都是基于二进制编码的，当需要用二进制编码对有三种状态的信号（或者说三个信号）进行解码时，需要两位二进制编码对应一种状态的信号），并且让大脑在产生三种状态不同且便于识别的信号，对人脑来说难度较大。

发明内容

本发明针对现有技术中编码难度大、解调困难以及难以适应不同用户脑电特点的技术问题，提供了一种变时长编码的非侵入式脑机接口系统及编码方式。

本发明提供的基础方案为：变时长编码的非侵入式脑机接口编码方法，用于人脑向计算机发送便于计算机识别的二进制编码，人脑产生两个频率固定、刺激时间长度固定的第一阶段信号，两个第一阶段信号分别与二进制的编码对应，若干个第一阶段信号组成一个码元，改变码元最后一位的第一阶段信号的时长或者插入标志编码的方式来标定码元之间的间隔。

本发明的工作原理及优点在于：本申请所说的脑机接口，是特指单向脑机接口，是计算机单向接收大脑传来的信号。在本方案中码元之间的间隔需要用延长最后一位二进制信号的刺激时间来标定。与现有技术中码元之间的间隔需要用单独的信号来标定相比，本发明只需要人脑产生两个频率固定、刺激时间长度固定的第一阶段信号，现有技术需要人脑产生三个频率固定、刺激时间长度固定的信号。插入标志编码的方式是指，通过在码元之间插入一个时间与二进制编码刺激时间长度不同的刺激，这个刺激称之为标志编码。标志编码与改变码元最后一位的第一阶段信号的时长相比，标志编码所提供的刺激时间长度不同刺激可能不是码元的最后一位，可能是其他的刺激信号。用插入标志编码的方式来表示，其实际为在一个指令末尾插入与两位刺激时间长度不同的二进制信号（如“01”或者“10”）。（分别等效于串口通信中的换行符“ ”）在接受刺激的同时，人脑能够产生与刺激源频率、相位相近的信号。这样以达到区分码元间隔的目的。刺激单元可以是LED灯或者显示屏等发光体。

多形成一个频率固定、刺激时间长度固定的信号就增大了人脑的训练负担。设身处地的想一想，比如要求我们在努力想正方形时，产生的是一个频率固定的信号，刺激时间长度直接与我们想象的时间相同，这样就可以很好的理解其实大脑产生一个频率固定的信号的难度远大于控制刺激时间长度的问题。在编码时（即人脑产生信号时），人脑产生的编码的要求与现有技术相比，能够极大降低难度，达到降低编码难度的目的。

由于人脑产生的两个信号分别对应二进制的“Bit 0”和“Bit 1”，在码元间隔时，是最后一位延长，在机器识别时，只需要加入一个条件判断，即延长（或者缩短）记为码元之间的间隔，这样可极大的提高机器的识别效率，降低解调难度。并且在进行信号提取时，本发明需要对两路信号提取即可得到最后的信号（码元和码元之间的间隔），而现有技术需要对三路信号进行提取，才能得到最后的信号，即本发明降低了比对分析抽样的难度。而且三路信号容易出现信号混叠的情况，在该情况下，由于信号间隔较近，极易出现误码。在适应不同用户方面，由于延长（缩短）最后一位，对于用户而言相比重新产生另一个信号而言，降低了难度，在本发明中，用户仅需要产生两个信号即可，不需要像现有技术那样，需要重新产生一个信号。即产生两个可区别的信号，与产生三个可区别的信号相比，能够让用户更快的适应。即每个用户均存在个体差异，在实际应用中，能够产生三个可区别的信号的用户数量较少，且需要长期的训练，但是能够产生两个可区别的信号的用户的数量远远大于能够产生三个信号的用户数量，即降低了对用户的要求，达到提高适应不同用户脑电特点的效果。

本发明变时长编码的非侵入式脑机接口编码方法具有如下优势：1.人脑在发出脑电信号时，仅需要产生两个可区别的信号，降低了编码难度。2.机器在识别时，仅需要加入一个条件判断，即可快速的识别脑电信号中的信息，达到降低解调难度的目的。

进一步，通过延长码元最后一位的第一阶段信号的时长来标定码元之间的间隔。延长码元最后一位与缩短码元最后一位相比，延长能够降低用户产生脑电的难度。

进一步，人脑产生两个频率固定、刺激时间长度固定的第一阶段信号，是通过刺激单元对人脑进行训练而让人脑产生的。经过一定时间的适应性训练之后，人脑产生的信号能够更易被机器识别。

进一步，刺激单元是按如下方式对人脑进行训练的，刺激单元对人脑按照二进制编码的方式进行刺激，刺激单元采用二进制编码唯一一个标识：“Bit 0”和“Bit 1”，“Bit0”和“Bit 1”均有对应的固定频率、对应的固定的刺激时间长度，刺激单元通过延长二进制编码最后一位的“Bit 0”或“Bit 1”对应的刺激时间标定一个指令的结束，不需要任何训练，人脑能够自己发出“Bit 0”和“Bit 1”以及延长后的“Bit 0”和“Bit 1”的信号。

变时长编码的非侵入式脑机接口系统，包括：

刺激单元，刺激单元用于对人脑按二进制编码的方式进行刺激，刺激单元采用二进制编码唯一一个标识：“Bit 0”和“Bit 1”，“Bit 0”和“Bit 1”均有对应的固定频率、对应的固定的刺激时间长度，刺激单元通过延长二进制编码最后一位的“Bit 0”或“Bit 1”对应的刺激时间标定一个指令的结束；

信号采集单元，信号采集单元用于获取人脑的信号；

解码单元，解码单元用于获取采集到的人脑的信号，解码单元找出其中编码被延长的“Bit 0”或“Bit 1”并依此对信号进行分段，解码单元根据分段的结果提取二进制码流。

本系统具有如下优点，1.人脑在发出脑电信号时，仅需要产生两个可区别的信号，降低了编码难度。2.机器在识别时，仅需要加入一个条件判断，即可快速的识别脑电信号中的信息，达到降低解调困难的目的。

进一步，还包括信号处理单元，信号采集单元将获取到的人脑信号传递到信号处理单元，信号处理单元对接收到的人脑信号进行去除基线漂移处理和带通滤波处理。这样处理之后能提高信号的识别率，降低误码率。

进一步，还包括反馈模块，反馈模块用于调节“Bit 0”和“Bit 1”的固有频率与脑电信号的匹配度。反馈模块与本系统配合，根据用户的个人特点，调节与“Bit 0”和“Bit 1”相匹配的脑电信号，以适应用户的脑电特点。

附图说明

图1为现有技术的脑机接口编码方法解码出来的结果图；

图2为本方案的脑机接口编码方案解码出来的结果图；

图3现有的编码方式的频谱图；

图4本发明的频谱图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

实施例：

变时长编码的非侵入式脑机接口编码方法，用于人脑向计算机发送便于计算机识别的二进制编码，人脑产生两个频率固定、刺激时间长度固定的第一阶段信号，两个第一阶段信号分别与二进制的编码对应，若干个第一阶段信号组成一个码元，延长码元最后一位的第一阶段信号的时长来标定码元之间的间隔。

其中，人脑产生两个频率固定、刺激时间长度固定的第一阶段信号，是刺激单元是按如下方式对人脑进行训练的，刺激单元对人脑按照二进制编码的方式进行刺激，刺激单元采用二进制编码唯一一个标识：“Bit 0”和“Bit 1”，“Bit 0”和“Bit 1”均有对应的固定频率、对应的固定的刺激时间长度，刺激单元通过延长二进制编码最后一位的“Bit 0”或“Bit 1”对应的刺激时间标定一个指令的结束，经过训练后，人脑能够自己发出“Bit 0”和“Bit 1”以及延长后的“Bit 0”和“Bit 1”的信号。在本实施例中，刺激单元可以是LED灯或者是任何形式的光刺激。光刺激也可以是同种颜色光以不同的闪烁频率实现，或者闪烁不同颜色的光来区分二进制编码中的不同标识。在本实施例中，选用的同种颜色光以两种不同的闪烁频率来区分（或者说代表）二进制编码中的不同标识的。

变时长编码的非侵入式脑机接口系统，包括：

刺激单元，刺激单元用于对人脑按二进制编码的方式进行刺激，刺激单元采用二进制编码唯一一个标识：“Bit 0”和“Bit 1”，“Bit 0”和“Bit 1”均有对应的固定频率、对应的固定的刺激时间长度，刺激单元通过延长二进制编码最后一位的“Bit 0”或“Bit 1”对应的刺激时间标定一个指令的结束。即刺激单元采用的是LED灯，LED灯连接一个单片机，单片机控制LED灯有两种闪烁频率（均有固定的刺激时间长度）分别代表不同的二进制编码。

信号采集单元，信号采集单元用于获取人脑的信号；

解码单元，解码单元用于获取采集到的人脑的信号，解码单元找出其中编码被延长的“Bit 0”或“Bit 1”并依此对信号进行分段，解码单元根据分段的结果提取二进制码流；

信号处理单元，信号采集单元将获取到的人脑信号传递到信号处理单元，信号处理单元对接收到的人脑信号进行去除基线漂移处理和带通滤波处理；

反馈模块，反馈模块用于调节“Bit 0”和“Bit 1”的固有频率与脑电信号的匹配度。

本实施例中，刺激单元采用的是能够发出两种颜色光的显示器，给人脑不同的刺激信号。

信号采集单元，主要由电极、脑电放大器、低通和带阻滤波器、调节电路、信号采集以及量化模块，现有技术中有较多的设备，本实施例采用ADS1299作为脑电信号采集装置。

信号处理单元，直接可以采用单片机实现，反馈模块可以通过调节按键实现。

并且还可以将FIR滤波器应用到本实施例中，降低芯片的运算量。

与现有技术在解码时使用滤波器不同，本方案中可使用基于FFT（快速傅里叶变换）overlap（叠加法）的FIR（英文全名: “FFT-Based Overlap-add Method”简单来说它可以快速计算信号与滤波器系统函数的卷积）滤波器。在现有技术使用的传统滤波器中，每获取到一个新数据后需要对全部数据再进行一次滤波操作，这样浪费了处理能力同时也使得现有技术对处理器的运算能力有所要求。然而本发明，对于新来的数据就只需要对其运算后附加在已有数据之后。节约了处理能力，使得BFSK可以在一些低功耗处理器上实现。

具体而言，对于一般的卷积来说，其计算复杂度为： QUOTE，而FFT-Based Overlap-add Method的计算复杂度为： QUOTE 其中 QUOTE 为信号周期长度，N为FFT的区间长度。

为了更好的说明本发明的效果，我们将一段编码按照现有的方式（码元之间的间隔通过用“Bit 2”标识，即3个信号）对人脑进行刺激（或者说人脑开始想象，发出包含这段编码的信号），然后用现有的编码方式和系统进行解调，解调的结果如图1所示，我们可以明确的看出在1.2秒和8.4秒都出现了信号混叠的情况，在该情况下，由于信号间隔较近，幅值相当算法极易发生误判。而本方案提供的方法则可以完全避免这种情况。

按照本发明提供的方法和系统进行解调，解调结果如图2所示。

我们还提取了现有的编码方式的频谱图（图3）和本方案的频谱图（图4）来进一步对比说明，从图3和图4的对比可以明确的发现，图3中存在3个波峰，即有是三个信号，信号之间的区分度（波峰之间的波谷）明显不如图4的明显。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。