專利名稱：一種Speller BCI系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及BCI技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種Speller BCI系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
第一次BCI (Brain-Computer Interface，腦-機(jī)接口 )國際會議給出的BCI的定義是“BCI是一種不依賴于大腦外圍神經(jīng)與肌肉正常輸出通道的通訊控制系統(tǒng)?！钡侥壳盀橹?，最常用的BCI系統(tǒng)大都是基于腦電信息的，技術(shù)原理是一致的。參見

圖1，含有操作控制意圖的腦電信息通過電極從頭皮或顱內(nèi)獲得，經(jīng)過信號處理提取反映使用者意圖的腦電信息特征，并將之轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的操作命令。BCI研究的主要應(yīng)用目標(biāo)是幫助肢體嚴(yán)重癱瘓的殘疾人操縱和使用周邊日常生活工具，以實(shí)現(xiàn)對外界的信息交流和設(shè)備控制。 大腦在實(shí)施真實(shí)動作或想象動作條件下均能夠顯著地改變其所誘發(fā)的ERP (Event Related Potential，事件相關(guān)電位)信號中某些特征頻段成份(例如alpha波、beta波和mu節(jié)律) 的功率譜強(qiáng)弱比率。這一現(xiàn)象被定義為ERD (Evented Related Desynchronization,事件相關(guān)去同步)以及ERS (Evented Related Synchronization，事件相關(guān)同步)。其中ERD對應(yīng)于功率譜比率的下降，ERS對應(yīng)于功率譜比率上升。P300是典型的內(nèi)源性事件相關(guān)電位，它是對一系列無關(guān)事件刺激中相對稀少的有關(guān)刺激做出的反應(yīng)。所謂P300電位是指距離刺激時刻的潛伏期為300ms左右，電位極性為正的ERP波峰信號。目前BCI系統(tǒng)中產(chǎn)生P300信號的思維作業(yè)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，較為典型的設(shè)計(jì)為oddball試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，即組成一個事件序列，該事件序列中含有一個或幾個靶刺激事件，其它為非靶刺激事件。P300信號的產(chǎn)生條件是靶刺激事件的出現(xiàn)頻率要遠(yuǎn)小于非靶刺激事件，這時靶刺激成為稀少刺激，靶刺激的出現(xiàn)概率越小，P300信號越顯著。這樣通過檢測P300信號的發(fā)生時刻即可定位出使用者在一系列的刺激事件序列中的選擇目標(biāo)，從而完成思維指令的傳輸。發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點(diǎn)和不足傳統(tǒng)P300-Speller BCI系統(tǒng)的刺激編碼模式不利于實(shí)現(xiàn)大指令集的信息傳輸，存在信息傳輸效率低、可選字符數(shù)目有限等問題，難以滿足實(shí)際應(yīng)用中的需要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決信息傳輸效率低、可選字符數(shù)目有限的問題，本發(fā)明提供了一種Speller BCI系統(tǒng)及其控制方法，詳見下文描述一種Speller BCI系統(tǒng)，所述Speller BCI系統(tǒng)包括腦電數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、特征提取模塊和模式識別模塊，在所述腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上顯示Speller刺激界面，采集使用者的腦電信號，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對所述腦電信號進(jìn)行預(yù)處理；通過所述特征提取模塊提取所述腦電信號中視覺誘發(fā)的P300信號和想象動作特征；所述模式識別模塊對所述視覺誘發(fā)的 P300信號和所述想象動作特征進(jìn)行分類識別，輸出待選字符。
所述Speller刺激界面具體為先進(jìn)行列的隨機(jī)無重復(fù)閃爍，再進(jìn)行行的隨機(jī)無
重復(fù)閃爍。一種Speller BCI系統(tǒng)的控制方法，所述方法包括以下步驟(1)使用者在腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上觀看Speller刺激界面，注視待選字符所在區(qū)域并同時想象左右手動作，完成大小寫字母的2選1或數(shù)字與符號的2選1輸出，采集使用者的腦電信號；(2)通過相干平均方式將所述腦電信號中的噪聲信號去除，提取視覺誘發(fā)的P300
信號；(3)通過短時傅里葉變換獲取腦電信號的二維時頻圖譜；(4)對所述腦電信號的二維時頻圖譜進(jìn)行Fisher可分性分析，獲取Fisher系數(shù)二維時頻圖譜，獲取特征頻段，提取想象動作特征；(5)對所述視覺誘發(fā)的P300信號和所述想象動作特征進(jìn)行模式識別，輸出待選字符；其中，步驟O)中的所述相干平均方式具體為xn(i, t) = pn(i, t)+en(i, t) η = IAN其中，η為刺激的序號，N為刺激的總數(shù)，i為導(dǎo)聯(lián)的序號，t為時間，xn(i, t)為采集到的腦電信號，Pn(i，t)為第η次刺激時理想的Ρ300信號，en(i, t)為總的噪聲信號；設(shè)背景噪聲為零均值，方差為σθ2的平穩(wěn)隨機(jī)信號，且不同刺激產(chǎn)生的噪聲信號都不相關(guān)，即
第m次和第η次刺激產(chǎn)生的噪聲信號不相關(guān)；E[em(i, t)en(i, t) ] = 0 m ^ η假設(shè)每次刺激所產(chǎn)生的Ρ300信號都表示成一個確定的信號ρ (i，t)，即P1 (i，t) = p2 (i, t) = A = pN (i, t) = p(i，t)；其中，步驟(3)中的所述通過短時傅里葉變換獲取腦電信號的二維時頻圖譜具體為使用一個有限寬度的觀察窗W(t)對腦電信號x(t)進(jìn)行觀察，得到加窗后的腦電信號，對所述加窗后的腦電信號進(jìn)行所述短時傅立葉變換，得到
權(quán)利要求
1.一種Speller BCI系統(tǒng)，其特征在于，所述Speller BCI系統(tǒng)包括腦電數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、特征提取模塊和模式識別模塊，在所述腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上顯示Speller刺激界面，采集使用者的腦電信號， 所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對所述腦電信號進(jìn)行預(yù)處理；通過所述特征提取模塊提取所述腦電信號中視覺誘發(fā)的P300信號和想象動作特征；所述模式識別模塊對所述視覺誘發(fā)的P300信號和所述想象動作特征進(jìn)行分類識別，輸出待選字符。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SpellerBCI系統(tǒng)，其特征在于，所述Speller刺激界面具體為先進(jìn)行列的隨機(jī)無重復(fù)閃爍，再進(jìn)行行的隨機(jī)無重復(fù)閃爍。
3.一種Speller BCI系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)使用者在腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上觀看Speller刺激界面，注視待選字符所在區(qū)域并同時想象左右手動作，完成大小寫字母的2選1或數(shù)字與符號的2選1輸出，采集使用者的腦電信號；(2)通過相干平均方式將所述腦電信號中的噪聲信號去除，提取視覺誘發(fā)的P300信號；(3)通過短時傅里葉變換獲取腦電信號的二維時頻圖譜；(4)對所述腦電信號的二維時頻圖譜進(jìn)行Fisher可分性分析，獲取Fisher系數(shù)二維時頻圖譜，獲取特征頻段，提取想象動作特征；(5)對所述視覺誘發(fā)的P300信號和所述想象動作特征進(jìn)行模式識別，輸出待選字符；其中，步驟O)中的所述相干平均方式具體為xn(i, t) = pn(i, t)+en(i, t) η = IAN其中，η為刺激的序號，N為刺激的總數(shù)，i為導(dǎo)聯(lián)的序號，t為時間，xn(i, t)為采集到的腦電信號，Pn(i，t)為第η次刺激時理想的Ρ300信號，en(i, t)為總的噪聲信號；設(shè)背景噪聲為零均值，方差為Crf的平穩(wěn)隨機(jī)信號，且不同刺激產(chǎn)生的噪聲信號都不相關(guān)，即第m次和第η次刺激產(chǎn)生的噪聲信號不相關(guān)；
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Speller BCI系統(tǒng)及其控制方法，涉及BCI技術(shù)領(lǐng)域，包括腦電數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、特征提取模塊和模式識別模塊，在腦電數(shù)據(jù)采集模塊的屏幕上顯示Speller刺激界面，采集腦電信號，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，通過特征提取模塊獲取視覺誘發(fā)的P300信號和想象動作特征；模式識別模塊對視覺誘發(fā)的P300信號和想象動作特征進(jìn)行分類識別，輸出待選字符。本發(fā)明為喪失了語言交流能力但思維正常的病人提供了與外界進(jìn)行信息交流的途徑，使待選字符數(shù)提高一倍，并且有效地提高了信息傳輸效率，是新型的復(fù)合型Speller BCI系統(tǒng)。
文檔編號G06F3/01GK102200833SQ20111012609
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者丁浩, 萬柏坤, 奕偉波, 明東, 李文, 綦宏志, 許敏鵬 申請人:天津大學(xué)