[發明專利]基于混沌檢測原理的穩態視覺誘發電位識別系統及方法

在審

• 申請號: 202110276412.8
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113017653A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 徐光華;張凱;杜成航;閻麗
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;廣東省科學院健康醫學研究所
• 主分類號: A61B5/378
• 分類號: A61B5/378;A61B5/372
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種基于混沌檢測原理的穩態視覺誘發電位識別系統及方法，包括信號采集模塊：在使用者頭部安放測量電極、參考電極、地電極，使用腦電采集設備完成對腦電信號的測量；信號預處理模塊：對采集到的信號進行預處理，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；混沌系統設計模塊：建立混沌系統動力學系統，利用采集到的模板信號訓練混沌系統動力學系統的初始參數；特征識別模塊：將混沌系統調整到臨界狀態，通過加入預處理的待測SSVEP信號，判斷混沌系統狀態變化，實現對待測SSVEP信號的特征識別；本發明在識別過程中有效免疫無關噪聲，實現對BCI盲被試信號的有效識別。

技術領域

本發明涉及生物醫學工程中神經工程及腦機接口技術領域，具體涉及一種基于混沌檢測原理的穩態視覺誘發電位識別系統及方法。

背景技術

腦機接口(BCI)技術避免了人類與外部環境進行交互時對神經-肌肉通道的依賴，其通過對腦電信號進行解碼，并轉換為相關指令，以實現人腦與外部環境之間的直接交流；其中，穩態視覺誘發腦機接口是一種通過注視特定頻率的視覺刺激來誘發大腦響應的方法，其因具有確定周期性和控制穩定等特點，被廣泛的應用。

然而，穩態視覺誘發電位腦電信號(Steady-State Visual Evoked Potential，SSVEP)是一種幅值微弱且伴隨著強非線性的信號，有用信號常常與多尺度噪聲信號耦合在一起，過度抑制噪聲會造成有用信號的衰減，忽略噪聲影響又無法辨識特征信號，如何有效地抑制噪聲實現最佳的辨識仍是當前領域亟待解決的問題之一；其次，眾多實驗研究表明，即使經過特定的長時間的訓練，一部分用戶仍不能控制特定的BCI系統，即BCI盲；在穩態視覺誘發電位檢測過程中，常常依賴對功率譜中特定頻率峰值的捕捉，而BCI盲的微弱的尖峰極易被背景噪聲淹沒，導致SSVEP腦機接口將無法正確的發揮作用。如何解決BCI盲這類被試的特征識別仍需要進一步研究。

當前研究中，對于穩態視覺誘發電位信號解碼和識別的方法，大多基于空間濾波和模板匹配原理，在一定范圍內，可以取得良好的效果，而對于強噪聲背景和BCI盲被試的腦電信號解碼，傳統方法并不能有效的完成特征的提取與識別。

近年來，基于混沌理論的弱信號檢測技術(Chaos)在生物電信號檢測等領域得到了廣泛的應用，但是還沒有基于混沌理論的穩態視覺誘發電位識別系統及方法公開。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供了一種基于混沌檢測原理的穩態視覺誘發電位識別系統及方法，在腦電信號特征識別過程中有效免疫無關噪聲，并可以實現對BCI盲被試信號的有效識別。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種基于混沌檢測原理的穩態視覺誘發電位信號識別系統，包括以下模塊：

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

信號預處理模塊：對信號采集模塊采集到的信號進行預處理，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；

混沌系統設計模塊：利用Duffing方程，建立混沌系統動力學系統，利用采集到的模板信號訓練混沌系統動力學系統的初始參數；

特征識別模塊：將混沌系統調整到臨界狀態，通過加入信號預處理模塊處理過的待測SSVEP信號，判斷混沌系統狀態變化，實現對待測SSVEP信號的特征識別。

所述的混沌系統設計模塊首先以Duffing方程建立初始混沌動力學系統，其方程表達式如下：