[发明专利]一种Speller BCI系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及BCI技术领域，特别涉及一种Speller BCI系统及其控制方法。

背景技术

第一次BCI(Brain-Computer Interface，脑-机接口)国际会议给出的BCI的定义是“BCI是一种不依赖于大脑外围神经与肌肉正常输出通道的通讯控制系统。”到目前为止，最常用的BCI系统大都是基于脑电信息的，技术原理是一致的。参见图1，含有操作控制意图的脑电信息通过电极从头皮或颅内获得，经过信号处理提取反映使用者意图的脑电信息特征，并将之转化为控制外部设备的操作命令。BCI研究的主要应用目标是帮助肢体严重瘫痪的残疾人操纵和使用周边日常生活工具，以实现对外界的信息交流和设备控制。大脑在实施真实动作或想象动作条件下均能够显著地改变其所诱发的ERP(Event Related Potential，事件相关电位)信号中某些特征频段成份(例如alpha波、beta波和mu节律)的功率谱强弱比率。这一现象被定义为ERD(Evented Related Desynchronization，事件相关去同步)以及ERS(Evented Related Synchronization，事件相关同步)。其中ERD对应于功率谱比率的下降，ERS对应于功率谱比率上升。

P300是典型的内源性事件相关电位，它是对一系列无关事件刺激中相对稀少的有关刺激做出的反应。所谓P300电位是指距离刺激时刻的潜伏期为300ms左右，电位极性为正的ERP波峰信号。目前BCI系统中产生P300信号的思维作业设计较为复杂，较为典型的设计为oddball试验模式，即组成一个事件序列，该事件序列中含有一个或几个靶刺激事件，其它为非靶刺激事件。P300信号的产生条件是靶刺激事件的出现频率要远小于非靶刺激事件，这时靶刺激成为稀少刺激，靶刺激的出现概率越小，P300信号越显著。这样通过检测P300信号的发生时刻即可定位出使用者在一系列的刺激事件序列中的选择目标，从而完成思维指令的传输。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

传统P300-Speller BCI系统的刺激编码模式不利于实现大指令集的信息传输，存在信息传输效率低、可选字符数目有限等问题，难以满足实际应用中的需 要。

发明内容

为了解决信息传输效率低、可选字符数目有限的问题，本发明提供了一种Speller BCI系统及其控制方法，详见下文描述：

一种Speller BCI系统，所述Speller BCI系统包括：脑电数据采集模块、数据预处理模块、特征提取模块和模式识别模块，

在所述脑电数据采集模块的屏幕上显示Speller刺激界面，采集使用者的脑电信号，所述数据预处理模块对所述脑电信号进行预处理；通过所述特征提取模块提取所述脑电信号中视觉诱发的P300信号和想象动作特征；所述模式识别模块对所述视觉诱发的P300信号和所述想象动作特征进行分类识别，输出待选字符。

所述Speller刺激界面具体为：先进行列的随机无重复闪烁，再进行行的随机无重复闪烁。

一种Speller BCI系统的控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)使用者在脑电数据采集模块的屏幕上观看Speller刺激界面，注视待选字符所在区域并同时想象左右手动作，完成大小写字母的2选1或数字与符号的2选1输出，采集使用者的脑电信号；

(2)通过相干平均方式将所述脑电信号中的噪声信号去除，提取视觉诱发的P300信号；

(3)通过短时傅里叶变换获取脑电信号的二维时频图谱；

(4)对所述脑电信号的二维时频图谱进行Fisher可分性分析，获取Fisher系数二维时频图谱，获取特征频段，提取想象动作特征；

(5)对所述视觉诱发的P300信号和所述想象动作特征进行模式识别，输出待选字符；

其中，步骤(2)中的所述相干平均方式具体为：

x_n(i，t)＝p_n(i，t)+e_n(i，t) n＝1ΛN

其中，n为刺激的序号，N为刺激的总数，i为导联的序号，t为时间，x_n(i，t)为采集到的脑电信号，p_n(i，t)为第n次刺激时理想的P300信号，e_n(i，t)为总的噪声信号；设背景噪声为零均值，方差为 的平稳随机信号，且不同刺激产生的 噪声信号都不相关，即第m次和第n次刺激产生的噪声信号不相关；