[发明专利]基于稳态视觉诱发电位的异步脑开关方法

说明书

技术领域

本发明属于人机交互技术领域，具体是涉及基于稳态视觉诱发电位的异步脑开关方法，可用于帮助残障人士操作计算机等外部设备，也可用于新型的脑机交互的电子娱乐设备。

背景技术

在现代社会中，一些疾病（如中风、癫痫等）或车祸意外都可能会导致患者四肢瘫痪以致丧失了肌肉运动能力，这严重影响了此类患者的生活质量，但是这类患者还有意识，头脑还可以思考。因此，研究如何对患者的意图进行解码，进而实现对家电、轮椅等设备的控制，以提高此类患者的生活自理能力，不止是对其个人，甚至对其家人和社会都是非常重要的。

脑机接口是一种不需要外周肌肉与神经参与的通讯系统，它直接读取大脑神经活动，并通过提取脑电信号中的特征，进行大脑指令的解码与识别，从而实现对外部设备的控制。根据神经生理学机理的不同，系统可分为基于运动想象的BCI系统，基于事件相关电位的BCI系统，基于视觉诱发电位（Visual evoked potentials,VEP）的BCI系统等。而根据系统运作方式的不同,系统可以分为同步脑机接口、异步脑机接口两类。

在同步脑机接口中，控制命令的输出时间是由计算机系统决定的，使用者需要与系统配合，并按一定的时间间隔根据系统的提示执行控制操作。而在异步脑机接口中，使用者可以通过大脑的活动在任何时刻发出控制指令，控制外部设备（我们称这个为控制状态）。当使用者没有控制的意图时，无论是在思考、休息或者和别人交谈等情况，系统都维持当前的输出不变（我们称这个为空闲状态）。相比较而言，异步脑机接口提供了一种更加灵活、自然的人机交互方式，因为用户可以按照自己的意愿和控制需要，只在有控制意图的时候才发出控制命令，其他时间则可以让系统处于空闲状态。因此，异步脑机接口的关键在于能够判断和区别用户是处于控制状态，还是处于空闲状态，即异步脑机接口需要具备空闲状态的检测能力。

在现有的异步脑机接口系统中，比较成功的是基于运动想象的方法，Zhang等人构造了两个不同的线性分类器LDA,先后识别空闲状态和各类运动想象；George等人采用离线训练,基于最大化两类运动想象正确判别率,最小化空闲状态错误判别率的思想,利用接收机检测特性曲线寻找最优上下阈值。然而基于运动想象的方法需要大量的训练时间，使用者难以在短时间内控制这种脑机接口，因此很难满足实际的在线控制系统。

目前，只有申请号为200520136506.1、200910076209.5、200910068834.5的中国专利公开了基于稳态视觉诱发电位的脑机接口。而这些发明都是属于同步脑机接口，即不具备空闲状态的检测能力。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供基于稳态视觉诱发电位的异步脑开关方法。本发明综合利用稳态视觉诱发电位的神经生理现象，提出一种伪键的机制，提高异步脑机接口系统的空闲状态检测能力，并将此方法应用于脑开关的控制中，解决了现有异步脑开关技术方案需要大量的训练时间，难以满足实际在线控制系统的技术问题。

实现本发明目的所采用的技术方案为：基于稳态视觉诱发电位的异步脑开关方法，包括以下步骤：

S1、通过戴在头上的电极帽上的电极采集脑电信号，分别获得开关键和伪键的稳态视觉诱发SSVEP电位；

S2、分别提取所述开关键和伪键的稳态视觉诱发SSVEP电位频域特征：对所述稳态视觉诱发SSVEP电位进行带通滤波；对带通滤波后的稳态视觉诱发SSVEP电位进行傅里叶变换，然后分别计算经过带通滤波及傅里叶变换后的开关键及三个伪键所对应的稳态视觉诱发SSVEP电位的功率密度谱，其中功率密度谱表征SSVEP电位能量；

S3、根据步骤S2的计算结果，判断开关键产生的SSVEP电位能量是否大于伪键的SSVEP电位能量，若是则转入步骤S4，若否则转入步骤S6；

S4、计算开关键闪烁频率的窄带范围的平均能量和宽带范围的平均能量的比率α，并判断比率α是否大于预设的阈值，若是则转入步骤S5，若否则转入步骤S6；

S5、表示检测到开关键闪烁频率，系统处于控制状态中，表示要改变当前脑开关的状态；根据当前脑开关的状态，发出指令使脑开关的状态跳变；

S6、表示未检测到开关键闪烁频率，系统处于空闲状态中，表示要保持当前脑开关的状态。

优选地，步骤S1通过电极帽上的Pz、P3、P4、Oz、O1及O2六个电极采集脑电信号。

步骤S1采集到的脑电信号进行包括去除基线漂移、50Hz工频干扰的预处理，对预处理后的信号再放大。