[发明专利]基于现场可编程门阵列局部噪声优化的视觉脑机接口方法

说明书

基于现场可编程门阵列局部噪声优化的视觉脑机接口方法，在头部枕区放置采集电极获取视觉脑电信号；生成带局部噪声的棋盘刺激单元，将其保存到现场可编程门阵列内部存储器；通过现场可编程门阵列控制方式，进行带局部噪声的棋盘刺激单元的显示；使用者选择性注视任一带局部噪声的棋盘刺激单元，同时采集使用者的视觉枕区脑电信号进行典型相关分析，获得所有频率对应典型相关系数中最大值对应的视觉刺激单元，并判定为识别的目标；本发明可以提高棋盘视觉刺激单元显示的稳定性，降低稳态视觉诱发电位脑机接口系统对硬件的要求，从而降低脑机接口系统的实现成本，并且可以提高稳态视觉诱发电位脑机接口的识别正确率和稳定性。

技术领域

本发明涉及生物医学工程中脑机接口技术及电子信息工程的数字IC设计技术领域，具体涉及一种基于现场可编程门阵列局部噪声优化的视觉脑机接口方法。

背景技术

脑机接口通过脑电信号的采集和分析，在大脑和外部设备之间建立可靠的通信通道。目前，脑机接口系统大多以实验室条件为基础，设备往往笨重昂贵。为了提高系统的实用性，必须设计出便携、低成本的脑机接口设备。

作为一种常见的脑机接口类型，基于稳态视觉诱发电位的脑机接口因具有稳定性强、抗干扰能力强和信息传输率高等优点，得到了广泛的应用。在稳态视觉诱发电位产生过程中，需要通过稳定频率的光闪烁进行刺激诱发，常见的诱发方式有两种，其一可以通过发光二极管光闪烁的方式实现视觉刺激，通过单片机等控制发光二极管亮灭获得光闪烁信号，主要优点是可以实现任意刺激频率的闪烁光生成，但是长时间的光闪烁容易造成视觉疲劳，不易于脑机接口设备的长期使用；其二可以通过计算机控制特定频率的视觉刺激单元进行运动翻转，该方法可以很容易对视觉刺激单元的各项参数进行更改，如：亮度、颜色、刺激单元大小和个数等，可以在一定程度上减轻视觉疲劳的影响。但是，在显示过程中，需要严格控制每帧刷新的图像和刷新率，计算机在进行多任务调度时，易导致显示的视觉刺激单元频率不准确。再者受到刷新率的限制，常规显示范式的刺激频率有限。

中国专利“一种基于FPGA的稳态视觉诱发电位脑机接口系统设计方法”(申请号为201910669448.5)通过现场可编程门阵列的方式实现了红黑矩形视觉刺激单元的稳定显示，但是仅通过两种颜色矩阵的翻转的视觉刺激形式，容易造成视觉疲劳。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供基于现场可编程门阵列局部噪声优化的视觉脑机接口方法，通过现场可编程门阵列取代计算机对视觉刺激单元的显示控制，可以提高视觉刺激频率的稳定性，在一定程度上降低稳态视觉诱发电位脑机接口系统的实现成本；运用大脑随机共振原理，在视觉刺激单元添加局部噪声，增强大脑响应，提高稳态视觉诱发电位的识别准确率。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于现场可编程门阵列局部噪声优化的视觉脑机接口方法，包括以下步骤：

步骤1，在使用者头部视觉枕区安放n个脑电信号测量电极，在前额位置安放地电极，在任一耳垂位置安放参考电极，测得的脑电信号经过采集设备进行放大、模数转换操作后发送到计算机，实现大脑皮层视觉区脑电信号的采集；

步骤2，将m个带有局部噪声、按照不同频率翻转的视觉刺激单元呈现在视觉刺激单元显示器的相应位置上，m大于等于2，视觉刺激单元为由现场可编程门阵列控制板控制显示的带有局部噪声的棋盘范式，使用者注视视觉刺激单元时，其头部距离计算机屏幕50～80cm；

步骤3，产生m个翻转频率不同的视觉刺激单元以后，计算机发送开始指令控制现场可编程门阵列控制板开始呈现视觉刺激单元，同时开始脑电信号采集，一定时间后，计算机发送结束指令控制停止视觉刺激单元的显示，结束脑电信号的采集并采用典型相关分析获得每个视觉刺激单元频率对应的最大典型相关系数；

步骤4，将所有频率对应的最大典型相关系数中最大值对应的视觉刺激单元判定为识别的目标，并反馈到计算机屏幕；返回步骤3进行下一轮任务。