本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)信息智能處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于等亮度色彩強(qiáng)化的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法。

背景技術(shù)：

腦-機(jī)接口技術(shù)(BCI)常用方法有運(yùn)動(dòng)想象(Motor imagery,MI)、P300事件相關(guān)電位、瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位(tVEP)、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)等。相比而言，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位所需電極數(shù)目更少、使用者不需要長(zhǎng)期訓(xùn)練，辨識(shí)準(zhǔn)確率更高。但基于SSVEP的腦-機(jī)接口常采用光閃爍或圖形翻轉(zhuǎn)等刺激方式，易造成使用者視覺疲勞、降低大腦響應(yīng)，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。近年來(lái)有學(xué)者提出基于運(yùn)動(dòng)感知的腦-機(jī)接口范式，能避免長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)刺激對(duì)大腦響應(yīng)的影響。運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位(mVEP)分為瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種，2009年，清華大學(xué)的高上凱等人利用視覺系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的感知能力，采用視覺運(yùn)動(dòng)起始對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)N2電位實(shí)現(xiàn)腦-機(jī)接口應(yīng)用。該范式具有亮度恒定和非閃爍的特點(diǎn)，在基于視覺誘發(fā)電位的腦-機(jī)接口研究中具有明顯優(yōu)勢(shì)。其缺點(diǎn)在于，瞬態(tài)范式要求多刺激目標(biāo)按不同起始時(shí)刻作單一方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)具有方向特異性，易引發(fā)大腦運(yùn)動(dòng)后效應(yīng)(Motion after-effect,MAF)。西安交通大學(xué)謝俊等人基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位(SSMVEP)，設(shè)計(jì)了收縮-擴(kuò)張的牛頓環(huán)，作為腦-機(jī)接口范式，獲得了很好的辨識(shí)準(zhǔn)確率。但牛頓環(huán)中央?yún)^(qū)域圖案破壞了牛頓環(huán)在運(yùn)動(dòng)過程中保持亮度恒定這一性質(zhì)，降低了譜峰信噪比，不利于減輕使用者的視覺疲勞。

考慮到SSVEP以及SSMVEP的局限性，以及人眼對(duì)等亮度的感知機(jī)能，即兩種色彩在等亮度點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)融合，人眼對(duì)閃爍感知降到最低，本發(fā)明設(shè)計(jì)了等亮度彩色棋盤格刺激范式，目前還沒有看到將運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位和色彩刺激兩種技術(shù)相結(jié)合的相關(guān)文獻(xiàn)的公開。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于等亮度色彩強(qiáng)化的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法，將等亮度色彩元素加入到刺激范式中，旨在激活更多的腦區(qū)，提高信噪比，降低使用者視覺疲勞，提升腦-機(jī)接口的交互性能。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于等亮度色彩強(qiáng)化的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法，包括以下步驟：

1)等亮度彩色棋盤格刺激范式設(shè)計(jì)：

1.1)設(shè)計(jì)等亮度彩色棋盤格范式：

環(huán)形棋盤格將每一個(gè)圓環(huán)分割為大小、數(shù)目相等的格子，兩種不同的顏色間隔排列，每個(gè)圓環(huán)明亮區(qū)域和暗區(qū)域面積是相等的，且環(huán)形棋盤格中央部分亮度值始終設(shè)置為背景亮度值，中心處設(shè)置半徑為1像素的白點(diǎn)，保證使用者實(shí)驗(yàn)過程中視野與之重合，根據(jù)色彩空間理論，選用紅綠作為彩色刺激范式，且紅綠亮度值相同，總亮度值設(shè)為76cd/m²，環(huán)形棋盤格刺激范式生成公式為：

其中I為刺激范式圖案像素值；sign(x)為符號(hào)函數(shù)；r(x,y)和ang(x,y)為刺激范式圖案像素點(diǎn)(x,y)的半徑和角度；D為棋盤格寬度，表征空間分辨率，這里設(shè)為10像素，棋盤格從內(nèi)到外分割為8個(gè)圓環(huán)；φ(t)為棋盤格收縮-擴(kuò)張的相位值函數(shù)；L為棋盤格運(yùn)動(dòng)幅度，取為10像素；M為單個(gè)圓環(huán)分割的格子數(shù)，設(shè)為12像素；I₀為背景亮度，設(shè)為120像素；R_ineer和R_outer分別為棋盤格內(nèi)徑與外徑，設(shè)為3像素和80像素；

1.2)等亮度彩色棋盤格刺激范式運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)：

采用正弦方式實(shí)現(xiàn)棋盤格的收縮-擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，其中：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}*sin(2*\mathrm{\π}*f_c*t-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(2\right)$

f_c為運(yùn)動(dòng)頻率，即棋盤格收縮-擴(kuò)張一次所需時(shí)間的倒數(shù)；通過改變相位值函數(shù)φ(t)由0到π時(shí)，棋盤格收縮；相位值函數(shù)φ(t)由π到0時(shí)，棋盤格擴(kuò)張；在一個(gè)周期中，發(fā)生兩次運(yùn)動(dòng)方向的改變，運(yùn)動(dòng)放向改變的頻率定義為運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f，為運(yùn)動(dòng)頻率f_c的2倍，采用運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率作為視覺刺激的基頻；

視覺刺激通過計(jì)算機(jī)屏幕呈現(xiàn)給使用者，圖像是一幀一幀替換顯示的，圖像幀替換的頻率稱為屏幕刷新率f_r，在生成幀圖象時(shí)，式(2)中的時(shí)間t必須根據(jù)屏幕刷新率離散化，即t(n)＝n/f_r，其中n＝1,2,3...為幀序號(hào)，式(2)改寫為：

$\mathrm{\φ}\left(n\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}*\sin (2*\mathrm{\π}*n\frac{f_c}{f_r}-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(3\right)$

函數(shù)φ(n)變?yōu)殡x散的時(shí)間序列，為保證φ(n)為周期序列f_r/f_c必須為整數(shù)；令F_C＝f_r/f_c為一個(gè)收縮-擴(kuò)張周期所需要的幀數(shù)，式(3)改寫為：

$\mathrm{\φ}\left(n\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}*sin(\frac{2\mathrm{\π}n}{F_C}-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(4\right)$

此時(shí)，運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式為：

$f=\frac{2f_r}{F_C}---\left(5\right)$

根據(jù)式(5)計(jì)算準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f，根據(jù)式(4)計(jì)算離散化后的相位值函數(shù)φ(n)；

2)搭建腦-機(jī)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采集與處理數(shù)據(jù)：

電極帽通過電極與腦電放大器和主動(dòng)式電極系統(tǒng)連接，使用者頭戴電極帽端坐于屏幕前，計(jì)算機(jī)通過顯示屏擴(kuò)展使屏幕上呈現(xiàn)數(shù)個(gè)刺激頻率不同的等亮度彩色棋盤格刺激范式，使用者每次注視刺激單元中任意一個(gè)，通過腦電采集設(shè)備采集使用者注視刺激圖案時(shí)產(chǎn)生的腦電信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波與A/D轉(zhuǎn)換后，將處理后的腦電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，將采集到的腦電信號(hào)利用典型相關(guān)分析進(jìn)行特征提取及分類識(shí)別。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺誘發(fā)電位，將色彩、亮度、形狀、運(yùn)動(dòng)等視覺信息融合設(shè)計(jì)的等亮度彩色環(huán)形棋盤格，可以激活更多的腦區(qū)，誘發(fā)更強(qiáng)的SSMVEP。

2、等亮度紅綠棋盤格收縮-擴(kuò)張過程中，由于人眼視覺暫留，色彩會(huì)出現(xiàn)融合，等亮度點(diǎn)處人眼對(duì)運(yùn)動(dòng)感知下降，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),這樣大大降低了使用者的視覺疲勞，提高了EEG信噪比，具有低閃爍，低適應(yīng)性的特點(diǎn)。

3、等亮度色彩刺激的加入在低頻段(15Hz以下)對(duì)大腦響應(yīng)有顯著的增強(qiáng)效應(yīng)，對(duì)注視目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率也更高。不易引起使用者視覺疲勞及大腦響應(yīng)信號(hào)的降低，適宜于長(zhǎng)期使用的腦-機(jī)交互場(chǎng)合。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的等亮度彩色棋盤格范式圖案。

圖2為本發(fā)明的等亮度彩色棋盤格范式收縮-擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)過程。

圖3為本發(fā)明方法的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。

一種基于等亮度色彩強(qiáng)化的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位腦-機(jī)接口方法，包括以下步驟：

1)等亮度彩色棋盤格刺激范式設(shè)計(jì)：

1.1)設(shè)計(jì)等亮度彩色棋盤格范式：

參照?qǐng)D1，環(huán)形棋盤格將每一個(gè)圓環(huán)分割為大小、數(shù)目相等的格子，兩種不同的顏色間隔排列，每個(gè)圓環(huán)明亮區(qū)域和暗區(qū)域面積是相等的，且環(huán)形棋盤格中央部分亮度值始終設(shè)置為背景亮度值，這樣保證了棋盤格收縮-擴(kuò)張過程中平均亮度的恒定，中心處設(shè)置半徑為1像素的白點(diǎn)，保證使用者實(shí)驗(yàn)過程中視野與之重合，色彩空間理論有黑白、紅綠和藍(lán)黃三對(duì)拮抗色作為彩色刺激，可以保證色彩的準(zhǔn)確傳輸，其中黑白主要表征人眼對(duì)亮度的反應(yīng)，藍(lán)黃對(duì)魯棒性較差，不容易調(diào)節(jié)亮度比，紅綠呈現(xiàn)等亮度的圖像，這里選用紅綠作為彩色刺激范式，且紅綠亮度值相同，總亮度值設(shè)為76cd/m²，環(huán)形棋盤格刺激范式圖案生成公式為：

其中I為刺激范式圖案像素值；sign(x)為符號(hào)函數(shù)；r(x,y)和ang(x,y)為刺激范式圖案像素點(diǎn)(x,y)的半徑和角度；D為棋盤格寬度，表征空間分辨率，這里設(shè)為10像素，棋盤格從內(nèi)到外分割為8個(gè)圓環(huán)；φ(t)為棋盤格收縮-擴(kuò)張的相位值函數(shù)；L為棋盤格運(yùn)動(dòng)幅度，取為10像素；M為單個(gè)圓環(huán)分割的格子數(shù)，設(shè)為12像素；I₀為背景亮度，設(shè)為120像素；R_ineer和R_outer分別為棋盤格內(nèi)徑與外徑，設(shè)為3像素和80像素；

1.2)等亮度彩色棋盤格運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)：

采用正弦方式實(shí)現(xiàn)棋盤格的收縮-擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，其中：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}*sin(2*\mathrm{\π}*f_c*t-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(2\right)$

f_c為運(yùn)動(dòng)頻率，即棋盤格收縮-擴(kuò)張一次所需時(shí)間的倒數(shù)；通過改變相位值函數(shù)φ(t)由0到π時(shí)，棋盤格收縮，相位值函數(shù)φ(t)由π到0時(shí)，棋盤格擴(kuò)張，參照?qǐng)D2，在一個(gè)周期中，發(fā)生兩次運(yùn)動(dòng)方向的改變，運(yùn)動(dòng)放向改變的頻率定義為運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f，為運(yùn)動(dòng)頻率f_c的2倍；由于SSMVEP主要來(lái)源于方向改變激發(fā)的大腦活動(dòng)，能量主要集中在運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率上，因此，采用運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率作為視覺刺激的基頻；

視覺刺激是通過計(jì)算機(jī)屏幕呈現(xiàn)給使用者，圖像是一幀一幀替換顯示的，圖像幀替換的頻率稱為屏幕刷新率f_r，在生成幀圖象時(shí)，式(2)中的時(shí)間t必須根據(jù)屏幕刷新率離散化，即t(n)＝n/f_r，其中n＝1,2,3...為幀序號(hào)，式(2)改寫為：

$\mathrm{\φ}\left(n\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}*sin(2*\mathrm{\π}*n\frac{f_c}{f_r}-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(3\right)$

函數(shù)φ(n)成為離散的時(shí)間序列，為保證φ(n)為周期序列，f_r/f_c必須為整數(shù)；令F_C＝f_r/f_c為一個(gè)收縮-擴(kuò)張周期所需要的幀數(shù)，式(3)改寫為：

$\mathrm{\φ}\left(n\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}*sin(\frac{2\mathrm{\π}n}{F_C}-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(4\right)$

此時(shí)，運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式為：

$f=\frac{2f_r}{F_C}---\left(5\right)$

實(shí)際應(yīng)用中要選擇合適的F_C,可以根據(jù)式(5)計(jì)算準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)反轉(zhuǎn)頻率f，根據(jù)式(4)計(jì)算離散化后的相位值函數(shù)φ(n)，相比于傳統(tǒng)棋盤格的翻轉(zhuǎn)模式，收縮-擴(kuò)張模式更加符合人眼視覺系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的感知，大腦的響應(yīng)效果更好；

2)搭建腦-機(jī)接口，采集與處理數(shù)據(jù)：

電極帽通過電極與腦電放大器和主動(dòng)式電極系統(tǒng)連接，參照?qǐng)D3，使用者頭戴電極帽端坐于屏幕前，計(jì)算機(jī)通過顯示屏擴(kuò)展使屏幕上進(jìn)行數(shù)個(gè)刺激頻率不同的等亮度彩色棋盤格刺激范式的刺激呈現(xiàn)，使用者每次注視刺激單元中任意一個(gè)，通過腦電采集設(shè)備采集使用者注視刺激圖案時(shí)產(chǎn)生的腦電信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波與A/D轉(zhuǎn)換后，將處理后的腦電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，采集到的腦電信號(hào)利用用典型相關(guān)分析進(jìn)行特征提取及分類識(shí)別。