[發(fā)明專利]基于混沌檢測原理的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位識別系統(tǒng)及方法

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• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113017653A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐光華;張凱;杜成航;閻麗
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué);廣東省科學(xué)院健康醫(yī)學(xué)研究所
• 主分類號: A61B5/378
• 分類號: A61B5/378;A61B5/372
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種基于混沌檢測原理的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信號識別系統(tǒng)，其特征在于，包括以下模塊：

信號采集模塊：在使用者頭部視覺枕區(qū)不同位置分別安放8個(gè)測量電極，8個(gè)測量電極為POz、PO3、PO4、PO5、PO6、Oz、O1和O2，在其單側(cè)耳垂位置安放參考電極R，在其前額Fpz位置安放地電極G，使用腦電采集設(shè)備完成對腦電信號的測量；

信號預(yù)處理模塊：對信號采集模塊采集到的信號進(jìn)行預(yù)處理，利用切比雪夫帶通濾波器提取低頻段的信號，再通過共平均參考，將多通道腦電信號降維處理；

混沌系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊：利用Duffing方程，建立混沌系統(tǒng)動力學(xué)系統(tǒng)，利用采集到的模板信號訓(xùn)練混沌系統(tǒng)動力學(xué)系統(tǒng)的初始參數(shù)；

特征識別模塊：將混沌動力學(xué)系統(tǒng)調(diào)整到臨界狀態(tài)，通過加入信號預(yù)處理模塊處理過的待測SSVEP信號，判斷混沌動力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)對待測SSVEP信號的特征識別。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于混沌檢測原理的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信號識別系統(tǒng)，其特征在于：所述的混沌動力學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊首先以Duffing方程建立初始混沌動力學(xué)系統(tǒng)，其方程表達(dá)式如下：

其中，k——阻尼系數(shù)；ax+bx³——非線性恢復(fù)力；a——彈簧的線性剛性系數(shù)；b——彈簧的非線性剛性系數(shù)；γcos(ωt)——內(nèi)置周期驅(qū)動力；γ——驅(qū)動力的幅值；

然后，通過外加腦電模板信號作為s(t)，再利用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對初始混沌動力學(xué)系統(tǒng)方程進(jìn)行配置，方程表達(dá)式為：

利用配置混沌動力學(xué)系統(tǒng)相軌跡和分岔圖，判斷配置混沌動力學(xué)系統(tǒng)從混沌態(tài)到周期態(tài)突變的相點(diǎn)，確定γ參數(shù)的大小，從而完成混沌系統(tǒng)的建立。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于混沌檢測原理的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信號識別系統(tǒng)，其特征在于：所述的特征識別模塊先將混沌系統(tǒng)設(shè)置到混沌態(tài)到大尺度周期態(tài)突變的臨界狀態(tài)，索引待測信號對應(yīng)的單個(gè)棋盤格運(yùn)動刺激單元刺激頻率，將內(nèi)置驅(qū)動力的頻率ω設(shè)置為與目標(biāo)頻率相同；

引入預(yù)處理后的SSVEP信號，通過觀察混沌系統(tǒng)的相軌跡圖，判斷混沌系統(tǒng)是否發(fā)生狀態(tài)變化；若從混沌態(tài)突變?yōu)榇蟪叨戎芷趹B(tài)，則待測信號存在目標(biāo)頻率特征；若無，則定步長調(diào)整內(nèi)置驅(qū)動力信號的相位，直到一個(gè)循環(huán)結(jié)束，循環(huán)內(nèi)只要出現(xiàn)狀態(tài)突變，則判斷待測信號存在目標(biāo)頻率特征，若無，則目標(biāo)頻率特征未被誘發(fā)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于混沌檢測原理的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信號識別系統(tǒng)，其特征在于：所述的特征識別模塊單次識別結(jié)束后，重復(fù)識別過程，實(shí)現(xiàn)對多試次的SSVEP信號進(jìn)行識別，記錄識別結(jié)果。

5.一種基于混沌檢測原理的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位識別方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，信號采集模塊進(jìn)行腦電信號的采集：

1.1)在使用者頭部視覺枕區(qū)不同位置分別安放8個(gè)測量電極，8個(gè)測量電極為POz、PO3、PO4、PO5、PO6、Oz、O1和O2，在其單側(cè)耳垂位置安放參考電極R，在其前額Fpz位置安放地電極G；

1.2)打開視覺刺激裝置，刺激界面是顯示器屏幕上顯示的單個(gè)棋盤格運(yùn)動刺激單元，刺激單元通過正弦或余弦調(diào)制方式進(jìn)行收縮和擴(kuò)張，形成視覺刺激；視覺刺激頻率范圍為3Hz～20Hz，頻率間隔為0.5Hz，顯示器屏幕上每次出現(xiàn)一個(gè)刺激目標(biāo)，每個(gè)刺激目標(biāo)的運(yùn)動頻率在上述范圍內(nèi)隨機(jī)選取，但不重復(fù)出現(xiàn)；

1.3)打開腦電采集設(shè)備，將采集開始時(shí)間設(shè)置為視覺刺激出現(xiàn)前0.3s，視覺刺激持續(xù)3s，停止采集的時(shí)間設(shè)置為視覺刺激結(jié)束后0.7s；

步驟2，信號預(yù)處理模塊進(jìn)行腦電信號預(yù)處理：

利用切比雪夫I型濾波器，將腦電信號濾波到2～30Hz；再通過共平均參考，將多通道腦電信號降維處理，采用差分思想，將各個(gè)通道腦電信號數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加平均作為虛擬參考電極，并將其它電極測得的信號與虛擬參考電極信號相減來消除噪聲干擾，其表達(dá)式如下：

式中：——電極i與參考電極之間的電位差，V_i——中心電極，n——導(dǎo)聯(lián)數(shù)目，V_j——參考電極，選取Oz作為中心電極進(jìn)行處理；

步驟3，混沌系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊建立混沌系統(tǒng)：

3.1)以Duffing方程建立初始混沌動力學(xué)系統(tǒng)，其方程表達(dá)式為：

其中，k——阻尼系數(shù)；ax+bx³——非線性恢復(fù)力；a——彈簧的線性剛性系數(shù)；b——彈簧的非線性剛性系數(shù)；γcos(ωt)——內(nèi)置周期驅(qū)動力；γ——驅(qū)動力的幅值；

3.2)通過外加腦電模板信號作為s(t)，再利用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對初始混沌動力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行配置，其方程表達(dá)式為：

3.3)利用配置混沌動力學(xué)系統(tǒng)相軌跡和分岔圖，判斷配置混沌動力學(xué)系統(tǒng)從混沌態(tài)到周期態(tài)突變的相點(diǎn)，確定γ參數(shù)的大小，從而完成混沌系統(tǒng)的建立；

步驟4，特征識別模塊進(jìn)行SSVEP特征識別：

4.1)通過調(diào)整參數(shù)γ，將混沌系統(tǒng)設(shè)置為混沌態(tài)向大尺度周期態(tài)突變的臨界狀態(tài)，索引待測信號對應(yīng)的單個(gè)棋盤格運(yùn)動刺激單元刺激頻率，將內(nèi)置驅(qū)動力的頻率ω設(shè)置為與目標(biāo)頻率相同；

4.2)引入步驟2預(yù)處理后的SSVEP信號，通過觀察混沌系統(tǒng)的相軌跡圖，判斷混沌系統(tǒng)是否發(fā)生狀態(tài)變化；若從混沌態(tài)突變?yōu)榇蟪叨戎芷趹B(tài)，則待測信號存在目標(biāo)頻率特征；若無，則定步長調(diào)整內(nèi)置驅(qū)動力信號的相位，直到一個(gè)循環(huán)結(jié)束，循環(huán)內(nèi)只要出現(xiàn)狀態(tài)突變，則判斷待測信號存在目標(biāo)頻率特征，若無，則目標(biāo)頻率特征未被誘發(fā)；

4.3)單次識別結(jié)束后，重復(fù)步驟4.2)，實(shí)現(xiàn)對多試次的SSVEP信號進(jìn)行識別，記錄識別結(jié)果。