[发明专利]一种视觉P300-Speller脑-机接口方法

说明书

技术领域

本发明涉及通讯领域，特别涉及一种视觉P300-Speller脑-机接口方法。

背景技术

BCI是一种不依赖于正常的由外围神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统，它实现了利用工程技术手段“让思想变成行动”的对外信息交流和控制新途径，是一种涉及医学、神经学、信号检测、信号处理和模式识别等多个领域的交叉技术。BCI系统不仅可以帮助运动功能失常但思维正常的患者通过大脑的思维运动来实现与外界的信息交流，而且在虚拟现实、游戏娱乐以及工业、交通等领域也具有重要的潜在价值。近年来，BCI的发展非常迅速，全球有大量的组织和机构从事该方面的研究。P300信号是事件相关电位(Event-Related Potential，ERP)的一种，当受试者受到两种或两种以上刺激时，出现在目标刺激开始后300ms左右的正峰即为P300信号，如图1所示。目标刺激出现的概率越小所引起的P300信号越显著。P300信号是一种内源性的ERP成分，它的产生不受刺激的物理特性影响。

传统的视觉P300-Speller BCI系统是由Farwell和Donchin在1988年设计实现的。如图2所示，该P300-Speller刺激界面是6×6的字符矩阵，整个字符矩阵由36个字符组成。使用者注视想要选择的目标字符，闪烁时按照整行、整列的形式进行闪烁，行列的闪烁顺序是按照事先设定的一个伪随机序列排列的，每行列闪烁的时间间隔为数百毫秒。根据神经电生理学的研究结果，只有包含目标字符的闪烁刺激才会诱发出P300信号。P300信号具有较明显的波形特征，可以通过特征提取和模式识别的方法来进行检测。由于P300信号出现在目标刺激后的300ms，因此在检测出P300信号后可以根据行列闪烁顺序推算出目标刺激所在的行列，目标行列的交点既是目标字符的位置。

按照上述流程，可见将整个字符矩阵遍历一次需要12次闪烁。这种P300-Speller可供选择的字符数量过低(仅有36个)，如果增加字符的数量，整个字符矩阵遍历一次需要闪烁的次数明显增加，选择一个字符的时间将会变长，因此该刺激模式不利于实现大指令集的信息传输，存在信息传输速率过低的问题，难以满足实际应用中的需要。如果以上述6×6方式的P300-Speller来控制一个计算机键盘的输入，那么除字符与数字以外，标点符号键和功能键等均无法使用，这对于实际的输入操作来说是非常不便的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种视觉P300-Speller脑-机接口方法，该方法解决了传统的行列闪烁刺激模式的P300-Speller不利于大指令集选择，导致信息传输速率过低的问题，详见下文描述：

一种视觉P300-Speller脑-机接口方法，所述方法包括以下步骤：

(1)获取刺激界面，所述刺激界面中包括N＞＞36的字符，所述字符按照预设间隔进行排布，其中，N为字符的个数，N的取值为大于36的正整数；

(2)对所述刺激界面中的所述字符进行空间编码，依照栅格面编码控制所述刺激界面中的所述字符进行闪烁；

(3)对脑电信号进行数字化记录，对记录到的所述脑电信号进行带通滤波，将每一次闪烁刺激之后的EEG数据片段从连续的EEG数据中提取出来；

(4)对所述每一次闪烁刺激之后的EEG数据片段进行预处理，去除眼电信号，获取P300脑电信号；

(5)将所述P300脑电信号的时域特征作为识别特征，获取特征向量；

(6)对所述特征向量进行模式识别，输出目标字符。

步骤(2)中的所述对所述刺激界面中的所述字符进行空间编码，依照栅格面编码控制所述刺激界面中的所述字符进行闪烁具体为：

将N个字符随机分配到一个m×n×p的立方体网格中，m≥n≥p，且满足m×n×p≥N，(m-1)×n×p≤N，每个小格子代表一个字符；闪烁时按照所述栅格面进行闪烁，一次点亮一个栅格面中的所有字符。

步骤(4)中的所述预处理具体为：

0.5-40Hz的带通滤波和利用独立分量分析去除所述眼电信号。

所述利用独立分量分析去除所述眼电信号具体为：

采用信息极大化方法对采集的所述脑电信号进行所述独立分量分析，得到若干个独立成分，采用眼电相关性判别法在所述若干个独立成分中寻找到相应的眼电成分，将所述眼电成分进行置零化处理然后进行数据重构，去除所述眼电信号。

步骤(6)中的所述对所述特征向量进行模式识别，输出目标字符具体为：

通过Fisher判别分析对所述特征向量进行模式识别，输出所述目标字符。