[發(fā)明專利]基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺(jué)誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410195978.8
• 申請(qǐng)日: 2014-05-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103970273B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐光華;謝俊;張慶;張鋒;韓丞丞;李葉平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F3/01
• 分類號(hào): G06F3/01
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所61215
• 代理人: 賀建斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程中神經(jīng)工程及腦-機(jī)接口技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺(jué)誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法。

背景技術(shù)

腦機(jī)接口是人腦-計(jì)算機(jī)接口的簡(jiǎn)稱，穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位信號(hào)作為一種重要的信息載體，具有抗干擾能力強(qiáng)、信息傳輸率高及所有使用者無(wú)需訓(xùn)練均可誘發(fā)較強(qiáng)響應(yīng)的特點(diǎn)，因而是腦機(jī)接口應(yīng)用中最具實(shí)用意義的信號(hào)類型。針對(duì)其誘發(fā)需較高光強(qiáng)度的光閃爍，易造成使用者不適，特別是在較低刺激頻率下光閃爍周期較長(zhǎng)及單周期內(nèi)亮度變化明顯，更易引起使用者視覺(jué)疲勞造成大腦響應(yīng)信號(hào)降低的特點(diǎn)，基于運(yùn)動(dòng)視覺(jué)誘發(fā)的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法，采用人對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的視覺(jué)感知能力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位下的腦機(jī)接口應(yīng)用，顯著提升了腦機(jī)接口的抗疲勞、抗干擾能力。但基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺(jué)誘發(fā)電位的腦機(jī)接口依然受到使用者個(gè)體差異和生理噪聲的影響，多依賴具體軟件算法的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升，性能拓展空間小，不利于腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展。

20世紀(jì)80年代提出的隨機(jī)共振理論表明噪聲能夠增強(qiáng)某些特定的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的可測(cè)性，即在隨機(jī)噪聲的作用下系統(tǒng)響應(yīng)能夠得到增強(qiáng)而非減弱。這種“噪聲增益”作用廣泛存在于非線性系統(tǒng)如神經(jīng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究中，研究表明神經(jīng)元發(fā)放的同步化能夠借助施加噪聲的強(qiáng)度優(yōu)化得以增強(qiáng)，以至在頭皮表面形成高信噪比的腦電信號(hào)，通過(guò)采用噪聲誘導(dǎo)人為實(shí)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)興奮性增強(qiáng)的方式為當(dāng)前腦機(jī)接口技術(shù)提供了創(chuàng)新發(fā)展思路。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺(jué)誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法，利用一定強(qiáng)度下的視覺(jué)高斯白噪聲點(diǎn)以二維視覺(jué)刺激形式呈現(xiàn)于使用者，通過(guò)腦神經(jīng)元固有的隨機(jī)共振機(jī)制實(shí)現(xiàn)視覺(jué)噪聲參與下穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺(jué)誘發(fā)電位響應(yīng)興奮性的增強(qiáng)，能更好地復(fù)原和增強(qiáng)頭皮腦電信號(hào)的強(qiáng)度，提升腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)用化水平。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

基于隨機(jī)共振增強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)視覺(jué)誘發(fā)電位腦機(jī)接口方法，包括以下步驟：

步驟1，在使用者頭部視覺(jué)枕區(qū)安放測(cè)量電極，在其單側(cè)耳垂位置處安放參考電極，在其頭部前額處安放地電極，電極測(cè)得的腦電信號(hào)經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后送往計(jì)算機(jī)；

步驟2，將2個(gè)以上的按不同刺激頻率進(jìn)行穩(wěn)態(tài)振蕩的運(yùn)動(dòng)刺激單元通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕同時(shí)呈現(xiàn)在使用者面前，使用者頭部距離計(jì)算機(jī)屏幕為50～100厘米，運(yùn)動(dòng)刺激單元采用白色單環(huán)，其寬度在運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中保持不變，為其擴(kuò)張至最大時(shí)的外圓半徑的一半，這使得環(huán)形收縮至最小時(shí)其寬度不會(huì)因收縮而壓縮，以服從高斯分布的二維噪聲點(diǎn)掩蔽運(yùn)動(dòng)刺激單元，噪聲點(diǎn)更新頻率同步于屏幕刷新率，噪聲點(diǎn)的灰度級(jí)在0-255之間，噪聲點(diǎn)的二維灰度均值為128，噪聲強(qiáng)度以高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差表征，通過(guò)選用不同噪聲強(qiáng)度驗(yàn)證不同視覺(jué)噪聲對(duì)大腦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響；

步驟3，形成2個(gè)以上運(yùn)動(dòng)刺激單元后，按以下步驟進(jìn)行：

步驟3-1，使用者注視2個(gè)以上運(yùn)動(dòng)刺激單元中的任意一個(gè)，使用者注視的運(yùn)動(dòng)刺激單元稱為目標(biāo)，而其他運(yùn)動(dòng)刺激單元稱為非目標(biāo)；

步驟3-2，計(jì)算機(jī)同步采集刺激開(kāi)始與結(jié)束標(biāo)志位，并通過(guò)測(cè)試電極采集腦電信號(hào)，使用GT²_circ檢驗(yàn)法判別出刺激目標(biāo)，具體包含以下操作：首先，對(duì)腦電信號(hào)作濾波和陷波處理；其次，對(duì)原始腦電信號(hào)作預(yù)白化處理，消除低頻腦電成份的影響；再次，獲得腦電數(shù)據(jù)中依照刺激起始標(biāo)志位按不同的運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)刺激整周期進(jìn)行截?cái)嗟臄?shù)據(jù)段，經(jīng)快速傅里葉變換得到包含多個(gè)諧波分量的傅里葉向量；最后，將傅里葉向量代入GT²_circ假設(shè)檢驗(yàn)中，得到相應(yīng)統(tǒng)計(jì)量，通過(guò)比較統(tǒng)計(jì)量相對(duì)于絕對(duì)零值的顯著程度，計(jì)算出不同刺激目標(biāo)下的顯著性概率；

步驟3-3，根據(jù)計(jì)算得到的每個(gè)刺激頻率對(duì)應(yīng)的顯著性概率，若其中最小值小于預(yù)設(shè)的顯著度水平，將最小值對(duì)應(yīng)的刺激頻率所屬的運(yùn)動(dòng)刺激單元判定為使用者所注視的目標(biāo)；

步驟4，計(jì)算機(jī)通過(guò)屏幕指示出使用者所注視的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者的視覺(jué)反饋；

步驟5，計(jì)算機(jī)完成目標(biāo)識(shí)別后，返回步驟3，重復(fù)步驟3和步驟4，進(jìn)行下一次目標(biāo)識(shí)別任務(wù)。