專(zhuān)利名稱：一種基于運(yùn)動(dòng)想象與p300腦電電位的功能鍵選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于殘疾人輔助裝置與電子娛樂(lè)領(lǐng)域，具體是指一種基于運(yùn)動(dòng)想象與P300 腦電電位的功能鍵選擇方法。
背景技術(shù)：
腦機(jī)接口被廣泛應(yīng)用于殘疾人輔助裝置與電子娛樂(lè)領(lǐng)域，其中應(yīng)用的一個(gè)重要方 面是光標(biāo)控制，光標(biāo)控制的目的是將腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電腦光標(biāo)的控制指令，進(jìn)而控制輪椅、 計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等。腦機(jī)接口通常包括三個(gè)組成部分1)信號(hào)采集與記錄；2)信號(hào)處理 從神經(jīng)信號(hào)中提取使用者的意識(shí)，并且通過(guò)轉(zhuǎn)換算法將輸入的使用者的神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為控 制外部設(shè)備的輸出指令；3)控制外部設(shè)備根據(jù)使用者的意識(shí)來(lái)驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，從而替代 用戶喪失的運(yùn)動(dòng)和交流能力。目前，應(yīng)用于殘疾人輔助裝置與電子娛樂(lè)領(lǐng)域比較廣泛的是一維光標(biāo)控制，申請(qǐng) 號(hào)為200510126359. 4的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種利用想象運(yùn)動(dòng)腦電波產(chǎn)生康復(fù)訓(xùn)練器械 控制命令的方法，在該發(fā)明中，使用者每次只能執(zhí)行單一想象任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的腦電信號(hào)， 再通過(guò)對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分析，提取使用者的意愿并產(chǎn)生一維控制信號(hào)來(lái)控制外部設(shè)備，如 光標(biāo)的移動(dòng)或輪椅的前進(jìn)或后退等。該發(fā)明的缺點(diǎn)是對(duì)于大多數(shù)控制任務(wù)，如網(wǎng)頁(yè)的瀏覽 或輪椅的控制等，單純通過(guò)想象不同肢體的運(yùn)動(dòng)任務(wù)來(lái)控制和選擇是非常困難的，且需要 冗長(zhǎng)的訓(xùn)練時(shí)間。另外，目前的研究多是尋求與想象肢體運(yùn)動(dòng)任務(wù)不同的感覺(jué)刺激任務(wù)來(lái)誘發(fā)神經(jīng) 信號(hào)，從而產(chǎn)生與其獨(dú)立的另一控制信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)光標(biāo)的二維控制。但是如在網(wǎng)頁(yè)的瀏覽應(yīng) 用上，只有光標(biāo)的二維移動(dòng)還不能順利的進(jìn)行瀏覽，還需要有鼠標(biāo)點(diǎn)擊，即對(duì)各種功能鍵進(jìn) 行選擇的功能，才能進(jìn)一步提高殘疾人士的生活質(zhì)量或電子娛樂(lè)的趣味性和實(shí)用性。因此， 功能鍵選擇的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。綜上所述，需要提供一種既可減少檢測(cè)時(shí)間又能保證準(zhǔn)確性的功能鍵選擇方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于運(yùn)動(dòng)想象與 P300腦電電位的功能鍵選擇方法，該方法既可減少檢測(cè)時(shí)間又能保證準(zhǔn)確性。本發(fā)明提供了一種基于運(yùn)動(dòng)想象與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，首先，使用 者在通過(guò)腦機(jī)接口設(shè)備使工作界面上的光標(biāo)到達(dá)目標(biāo)后，根據(jù)隨機(jī)出現(xiàn)的目標(biāo)屬性執(zhí)行相 應(yīng)的運(yùn)動(dòng)想象和P300視覺(jué)刺激任務(wù)，然后腦機(jī)接口設(shè)備將產(chǎn)生的腦電信號(hào)傳至計(jì)算機(jī)，計(jì) 算機(jī)對(duì)腦電信號(hào)中包含的P300信息和運(yùn)動(dòng)想象信息分別同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，最后 根據(jù)分析結(jié)果判斷是選擇還是拒絕該目標(biāo)。步驟具體如下(1)系統(tǒng)初始化使用者通過(guò)頭皮處的電極與計(jì)算機(jī)腦機(jī)接口設(shè)備相連，打開(kāi)工 作界面，工作界面上隨機(jī)出現(xiàn)目標(biāo)和光標(biāo)，出現(xiàn)的目標(biāo)有兩種屬性，一種代表使用者感興
4趣，另一種代表使用者不感興趣；使用者通過(guò)腦機(jī)接口控制工作界面中的光標(biāo)到達(dá)目標(biāo)位 置；(2)腦模式(Brain Pattern)的產(chǎn)生根據(jù)目標(biāo)屬性，如果代表使用者對(duì)目標(biāo)感 興趣，那么使用者即停止進(jìn)行任何有關(guān)運(yùn)動(dòng)想象活動(dòng)，并注視工作界面上P300閃爍鍵中的 “stop”鍵；如果代表使用者對(duì)目標(biāo)不感興趣，那么使用者則進(jìn)行左手或右手的運(yùn)動(dòng)想象活 動(dòng)，并不注視工作界面上任何P300閃爍鍵；(3)腦電信號(hào)傳遞使用者頭皮處的電極采集到腦電信號(hào)并將其傳送至計(jì)算機(jī)；(4)腦電信號(hào)處理計(jì)算機(jī)在接收到腦電信號(hào)后，對(duì)P300信息和運(yùn)動(dòng)想象信息分 別同時(shí)進(jìn)行處理，具體如下對(duì)于腦電信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)想象信息，首先進(jìn)行帶通濾波，提取共 同空域模式特征(common spatial pattern, CSP)，然后進(jìn)行重組，重組時(shí)要求共同空域模 式特征中的值按照從大到小的順序排列，如果前一個(gè)值小于后一個(gè)值，則對(duì)此特征進(jìn)行轉(zhuǎn) 置運(yùn)算；對(duì)于腦電信號(hào)中的P300信息，首先進(jìn)行帶通濾波，然后提取P300波形特征；最后 將這兩組特征串連成一個(gè)向量，組合成新的聯(lián)合特征；(5)功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用支持向量機(jī)分類(lèi)算法對(duì)所獲得的新的聯(lián)合特征進(jìn)行分析，如 果特征中不存在運(yùn)動(dòng)想象活動(dòng)且“Stop”鍵上有P300峰，則判斷此目標(biāo)為使用者所感興趣 的并對(duì)其進(jìn)行選擇；如果特征中存在運(yùn)動(dòng)想象活動(dòng)且“stop”鍵上沒(méi)有出現(xiàn)P300峰，則判斷 此目標(biāo)為使用者不感興趣的并拒絕此目標(biāo)。所述步驟(1)中的工作界面為二維光標(biāo)控制界面，在界面的四周有8個(gè)P300閃爍 鍵，其中上面有三個(gè)“up”鍵，指示向上運(yùn)動(dòng)，下面有三個(gè)“down”鍵，指示向下運(yùn)動(dòng)，左右各 有一個(gè)“stop”鍵，指示選擇目標(biāo)操作，且在每次任務(wù)開(kāi)始時(shí)，目標(biāo)與光標(biāo)隨機(jī)出現(xiàn)。所述步驟(1)中的目標(biāo)屬性為顏色。所述步驟(4)中，對(duì)腦電信號(hào)的運(yùn)動(dòng)想象信息進(jìn)行帶通濾波所用頻段為8-14HZ。所述步驟(4)中，對(duì)腦電信號(hào)的P300信息進(jìn)行帶通濾波所用頻段為0. 1-lOHz。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1、本發(fā)明將運(yùn)動(dòng)想象和P300這兩種獨(dú)立的信號(hào)進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用于腦機(jī)接口領(lǐng)域， 在運(yùn)動(dòng)想象和P300單獨(dú)使用時(shí)，運(yùn)動(dòng)想象休閑狀態(tài)的檢測(cè)成功率比較低，P300的檢測(cè)雖然 成功率比較高，但是其信噪比低，每次檢測(cè)都需要比較長(zhǎng)的時(shí)間。本發(fā)明針對(duì)其各自的優(yōu)缺 點(diǎn)，采用它們的特征組合具有明顯的優(yōu)勢(shì)一方面可以提高檢測(cè)成功率，同時(shí)另一方面可以 減少檢測(cè)時(shí)間，從而可快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)光標(biāo)的功能鍵選擇。2、本發(fā)明采用兩種獨(dú)立的信號(hào)進(jìn)行控制，使使用者易于操作。3、本發(fā)明在每次控制時(shí)間為4秒，非實(shí)時(shí)的狀態(tài)下可達(dá)到90%以上的分類(lèi)準(zhǔn)確 率，比單獨(dú)使用運(yùn)動(dòng)想象或者P300高出6% -10%，在實(shí)時(shí)狀態(tài)下因受試者的不同，每個(gè)目 標(biāo)選擇的時(shí)間變化在2-4秒間，準(zhǔn)確率可以達(dá)到80% -92%之間，可以滿足網(wǎng)頁(yè)瀏覽的要 求。


圖1是本發(fā)明中的工作界面圖；圖2是本發(fā)明方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。如圖1所示，為本發(fā)明的工作界面圖，在界面的四周有8個(gè)P300閃爍鍵，其中上面 有三個(gè)“up”鍵，指示向上運(yùn)動(dòng)，下面有三個(gè)“down”鍵，指示向下運(yùn)動(dòng)，左右各有一個(gè)“stop” 鍵，指示選擇目標(biāo)操作。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，方形目標(biāo)和圓形光標(biāo)隨機(jī)出現(xiàn)，然后需要使用者通 過(guò)注視P300閃爍鍵和進(jìn)行左右手運(yùn)動(dòng)想象來(lái)控制光標(biāo)向目標(biāo)移動(dòng)和實(shí)現(xiàn)功能鍵選擇。如圖2所示，本發(fā)明提供了一種基于運(yùn)動(dòng)想象與P300腦電電位的功能鍵選擇方 法，首先，使用者在通過(guò)腦機(jī)接口設(shè)備使工作界面上的光標(biāo)到達(dá)目標(biāo)后，根據(jù)隨機(jī)出現(xiàn)的目 標(biāo)屬性執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)想象和P300視覺(jué)刺激任務(wù)，然后腦機(jī)接口設(shè)備將產(chǎn)生的腦電信號(hào) 傳至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)腦電信號(hào)中包含的P300信息和運(yùn)動(dòng)想象信息分別同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理和分析，最后根據(jù)分析結(jié)果判斷是選擇還是拒絕該目標(biāo)。步驟具體如下(1)系統(tǒng)初始化使用者通過(guò)頭皮處的電極與計(jì)算機(jī)腦機(jī)接口設(shè)備相連，打開(kāi)工 作界面，工作界面上隨機(jī)出現(xiàn)目標(biāo)和光標(biāo)，出現(xiàn)的目標(biāo)有兩種屬性，一種代表使用者感興 趣，另一種代表使用者不感興趣；使用者通過(guò)腦機(jī)接口控制工作界面中的光標(biāo)到達(dá)目標(biāo)位 置；(2)腦模式的產(chǎn)生根據(jù)目標(biāo)屬性，如果代表使用者對(duì)目標(biāo)感興趣，那么使用者即 停止進(jìn)行任何有關(guān)運(yùn)動(dòng)想象活動(dòng)，并注視工作界面上P300閃爍鍵中的“stop”鍵；如果代表 使用者對(duì)目標(biāo)不感興趣，那么使用者則進(jìn)行左手或右手的運(yùn)動(dòng)想象活動(dòng)，并不注視工作界 面上任何P300閃爍鍵；(3)腦電信號(hào)傳遞使用者頭皮處的電極采集到腦電信號(hào)并將其傳送至計(jì)算機(jī)；(4)腦電信號(hào)處理計(jì)算機(jī)在接收到腦電信號(hào)后，對(duì)P300信息和運(yùn)動(dòng)想象信息分 別同時(shí)進(jìn)行處理，具體如下對(duì)于腦電信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)想象信息，首先進(jìn)行帶通濾波，提取共 同空域模式特征，然后進(jìn)行重組，重組時(shí)要求共同空域模式特征中的值按照從大到小的順 序排列，如果前一個(gè)值小于后一個(gè)值，則對(duì)此特征進(jìn)行轉(zhuǎn)置運(yùn)算；對(duì)于腦電信號(hào)中的P300 信息，首先進(jìn)行帶通濾波，然后提取P300波形特征；最后將這兩組特征串連成一個(gè)向量，組 合成新的聯(lián)合特征；(5)功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用支持向量機(jī)分類(lèi)算法對(duì)所獲得的新的聯(lián)合特征進(jìn)行分析，如 果特征中不存在運(yùn)動(dòng)想象活動(dòng)且“Stop”鍵上有P300峰，則判斷此目標(biāo)為使用者所感興趣 的并對(duì)其進(jìn)行選擇；如果特征中存在運(yùn)動(dòng)想象活動(dòng)且“stop”鍵上沒(méi)有出現(xiàn)P300峰，則判斷 此目標(biāo)為使用者不感興趣的并拒絕此目標(biāo)。所述步驟(1)中的目標(biāo)屬性為顏色，藍(lán)色表示使用者對(duì)目標(biāo)感興趣，綠色表示使 用者對(duì)目標(biāo)不感興趣。所述步驟(4)中，對(duì)腦電信號(hào)的運(yùn)動(dòng)想象信息進(jìn)行帶通濾波所用頻段為8-14HZ。所述步驟(4)中，對(duì)腦電信號(hào)的P300信息進(jìn)行帶通濾波所用頻段為0. 1-lOHz。所述步驟(4)中，對(duì)腦電信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)想象信息進(jìn)行特征提取具體是指以采用共 同空域模式提取的空間投影后的信號(hào)方差為特征，共同空域模式具體包括以下步驟A、分別計(jì)算兩類(lèi)平均的協(xié)方差矩陣
權(quán)利要求
一種基于運(yùn)動(dòng)想象與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特征在于，使用者在通過(guò)腦機(jī)接口設(shè)備使工作界面上的光標(biāo)到達(dá)目標(biāo)后，根據(jù)隨機(jī)出現(xiàn)的目標(biāo)屬性執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)想象和P300視覺(jué)刺激任務(wù)，然后腦機(jī)接口設(shè)備將產(chǎn)生的腦電信號(hào)傳至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)腦電信號(hào)中包含的P300信息和運(yùn)動(dòng)想象信息分別同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，最后根據(jù)分析結(jié)果判斷是選擇還是拒絕該目標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運(yùn)動(dòng)想象與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特征在 于步驟具體如下(1)系統(tǒng)初始化使用者通過(guò)頭皮處的電極與計(jì)算機(jī)腦機(jī)接口設(shè)備相連，打開(kāi)工作界 面，工作界面上隨機(jī)出現(xiàn)目標(biāo)和光標(biāo)，出現(xiàn)的目標(biāo)有兩種屬性，一種代表使用者感興趣，另 一種代表使用者不感興趣；使用者通過(guò)腦機(jī)接口控制工作界面中的光標(biāo)到達(dá)目標(biāo)位置；(2)腦模式的產(chǎn)生根據(jù)目標(biāo)屬性，如果代表使用者對(duì)目標(biāo)感興趣，那么使用者即停止 進(jìn)行任何有關(guān)運(yùn)動(dòng)想象活動(dòng)，并注視工作界面上P300閃爍鍵中的“stop”鍵；如果代表使用 者對(duì)目標(biāo)不感興趣，那么使用者則進(jìn)行左手或右手的運(yùn)動(dòng)想象活動(dòng)，并不注視工作界面上 任何P300閃爍鍵；(3)腦電信號(hào)傳遞使用者頭皮處的電極采集到腦電信號(hào)并將其傳送至計(jì)算機(jī)；(4)腦電信號(hào)處理計(jì)算機(jī)在接收到腦電信號(hào)后，對(duì)P300信息和運(yùn)動(dòng)想象信息分別同 時(shí)進(jìn)行處理，具體如下對(duì)于腦電信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)想象信息，首先進(jìn)行帶通濾波，提取共同空 域模式特征，然后進(jìn)行重組，重組時(shí)要求共同空域模式特征中的值按照從大到小的順序排 列，如果前一個(gè)值小于后一個(gè)值，則對(duì)此特征進(jìn)行轉(zhuǎn)置運(yùn)算；對(duì)于腦電信號(hào)中的P300信息， 首先進(jìn)行帶通濾波，然后提取P300波形特征；最后將這兩組特征串連成一個(gè)向量，組合成 新的聯(lián)合特征；(5)功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用支持向量機(jī)分類(lèi)算法對(duì)所獲得的新的聯(lián)合特征進(jìn)行分析，如果特 征中不存在運(yùn)動(dòng)想象活動(dòng)且“stop”鍵上有P300峰，則判斷此目標(biāo)為使用者所感興趣的并 對(duì)其進(jìn)行選擇；如果特征中存在運(yùn)動(dòng)想象活動(dòng)且“stop”鍵上沒(méi)有出現(xiàn)P300峰，則判斷此目 標(biāo)為使用者不感興趣的并拒絕此目標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于運(yùn)動(dòng)想象與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特征在 于，所述步驟(1)中的工作界面為二維光標(biāo)控制界面，在界面的四周有8個(gè)P300閃爍鍵，其 中上面有三個(gè)“up”鍵，指示向上運(yùn)動(dòng)，下面有三個(gè)“down”鍵，指示向下運(yùn)動(dòng)，左右各有一個(gè) “stop”鍵，指示選擇目標(biāo)操作，且在每次任務(wù)開(kāi)始時(shí)，目標(biāo)與光標(biāo)隨機(jī)出現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于運(yùn)動(dòng)想象與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特征在 于，所述步驟(1)中的目標(biāo)屬性為顏色。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于運(yùn)動(dòng)想象與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特征在 于，所述步驟(4)中，對(duì)腦電信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)想象信息進(jìn)行帶通濾波所用頻段為8-14HZ。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于運(yùn)動(dòng)想象與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特征在 于，所述步驟(4)中，對(duì)腦電信號(hào)中的P300信息進(jìn)行帶通濾波所用頻段為0. 1-lOHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于運(yùn)動(dòng)想象與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其特征在 于，所述步驟(4)中，對(duì)腦電信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)想象信息進(jìn)行特征提取具體是指以采用共同空 域模式提取的空間投影后的信號(hào)方差為特征，共同空域模式具體包括以下步驟(4-1)分別計(jì)算兩類(lèi)平均的協(xié)方差矩陣
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于運(yùn)動(dòng)想象與P300腦電電位的功能鍵選擇方法，其方法是使用者在通過(guò)腦機(jī)接口設(shè)備使工作界面上的光標(biāo)到達(dá)目標(biāo)后，根據(jù)隨機(jī)出現(xiàn)的目標(biāo)屬性執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)想象和P300視覺(jué)刺激任務(wù)，然后腦機(jī)接口設(shè)備將產(chǎn)生的腦電信號(hào)傳至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)腦電信號(hào)中包含的P300信息和運(yùn)動(dòng)想象信息分別同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，最后根據(jù)分析結(jié)果判斷是選擇還是拒絕該目標(biāo)。本發(fā)明將運(yùn)動(dòng)想象和P300這兩種獨(dú)立的信號(hào)進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用于腦機(jī)接口領(lǐng)域，具有檢測(cè)成功率高、檢測(cè)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于殘疾人輔助裝置與電子娛樂(lè)領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制。
文檔編號(hào)G06F3/01GK101976115SQ201010509550
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者余天佑, 李遠(yuǎn)清, 龍錦益 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)