[发明专利]基于变频闪烁刺激的脑-机接口范式

说明书

技术领域

本发明涉及脑-机接口,具体讲，涉及基于变频闪烁刺激的脑-机接口范式。

背景技术

第一次脑-机接口（Brain-Computer Interface，BCI）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。”目前的研究成果中，它主要是通过采集和分析不同状态下人的脑电信号，然后使用一定的工程技术手段在人脑与计算机或其它电子设备之间建立起直接的交流和控制通道，从而实现一种全新的信息交换与控制技术，可以为残疾人特别是那些丧失了基本肢体运动功能但思维正常的病人提供一种与外界进行信息交流与控制的途径。即可以不需语言或肢体动作，直接通过控制脑电来表达意愿或操纵外界设备。为此，BCI技术也越来越受到重视。

在脑-机接口的研究中，稳态视觉诱发电位是最常用也是最为有效的模式之一。它无需对被试进行训练，实验简单方便易行。有很高的信噪比，在头皮上就可以记录到较强的SSVEP信号，且需要的电极极少，一到两个电极就可以采集到足够的信息，具有很强的可操作性。基于上述优点我们可以看出，对于SSVEP的深入研究有助于我们更加清楚地了解我们的大脑，实现真正的人机交互，具有很强的理论与应用价值。

SSVEP信号虽然优点很多，但传统的SSVEP也有其不可避免的缺点。由于SSVEP的形成特点及视觉暂留现象，能够从脑电中分析出来的SSVEP信号，其对应的闪烁频率范围被限制在了6-40Hz。由于高频段的闪烁刺激诱发的SSVEP脑电效果不如中频段，所以能够达到普适性的闪烁刺激频率范围又会小于6-40Hz。SSVEP的分析是通过对脑电进行功率谱分析得来的，功率谱存在其频率分辨率，所以各个闪烁刺激的频率最小间隔也有一定的限制，再加上SSVEP虽然普适性好，但依旧存在个体差异性，不同的人对于同一个闪烁刺激的SSVEP响应，其在功率谱上的谱峰会存在一定的偏差。通常情况下，诱发SSVEP脑电信号的闪烁刺激频率间隔需要1Hz，识别率较高的频率范围在8-24Hz。种种因素限制下，在实验中能够得到的稳定的诱发SSVEP脑电信号的闪烁刺激个数，还是十分有限的，即控制待选项有限。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，本发明的主旨是提出一种新的BCI视觉刺激范式，与传统基于视觉诱发的BCI系统相比，能够增加BCI系统的控制待选项数目。进一步研究可以得到完善的脑-机接口系统，有望获得可观的社会效益和经济效益，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于变频闪烁刺激的脑-机接口范式，包括如下步骤：采用变频信号进行视觉刺激诱发产生脑电信号，采集脑电信号数据，将其存储后再进行一定的预处理、特征提取，最后使用支持向量机进行分类计算其判断正确率和信息传输率；变频信号表达式为：

其中：a为频率变化的速率，为恒定值，f₀表示信号的起始频率，表示信号的初相位，t表示时间，变频信号的最小频率大于6Hz。

频率变化速率a介于-1.5Hz/s至-0.5Hz/s或者0.5Hz/s至1.5Hz/s，且起始频率f₀介于13Hz之23Hz。

预处理具体为：采样截止频率为12Hz和24Hz的3阶巴特沃斯带通滤波器，之后降采样至64Hz。特征提取具体为：使用可以同时提取时域与频域信息的时频分析方法，即短时傅里叶分析作为时频分析方法，具体为：首先使用一个有限宽度的观察窗W(t)对信号x(t)进行观察，然后对加窗后的信号进行傅立叶变换得到结果，