一種基于p300腦電模式的無閾值腦開關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及腦機(jī)接口領(lǐng)域，特別涉及一種基于P300腦電模式的無閾值腦開關(guān)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 腦機(jī)接口（brain computer interface,BCI)是一種不依賴外周神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉 組織，而在大腦與外界設(shè)備之間建立的直接的交流和控制通道，是一種新的人機(jī)接口技術(shù)， 該技術(shù)在殘疾人(如肌萎縮性側(cè)索硬化ALS，腦干中風(fēng)，脊髓損傷SCI等）的生活輔助和康復(fù) 治療方面具有重要作用，目前在國內(nèi)外引起了廣泛的關(guān)注。用于腦機(jī)接口的腦電模式主要 有運(yùn)動(dòng)想象、P300、SSVEP，可以用其中的一種模式構(gòu)成單模態(tài)腦機(jī)接口，或者結(jié)合其中的多 種模式組成多模態(tài)腦機(jī)接口。采用P 3 0 0腦電模式的腦機(jī)接口可以工作在同步 (synchronous)或者異步(asynchronous)狀態(tài)，同步腦機(jī)接口需要給定用戶進(jìn)行精神活動(dòng) 的開始時(shí)間，而異步腦機(jī)接口則允許用戶根據(jù)需要隨時(shí)開始精神活動(dòng)，顯然異步腦機(jī)接口 的實(shí)用性更強(qiáng)，但由于異步腦機(jī)接口需要不斷的檢測用戶處于控制狀態(tài)還是空閑狀態(tài)，所 以實(shí)現(xiàn)的難度較同步腦機(jī)接口大很多。
[0003] 腦開關(guān)是一種典型的異步腦機(jī)接口，它可用于控制另一同步腦機(jī)接口的開/關(guān)，或 者直接控制外部設(shè)備的開/關(guān)，如電視、電燈、空調(diào)等。一個(gè)性能優(yōu)良的腦開關(guān)要求當(dāng)用戶處 于空閑狀態(tài)時(shí)盡可能少出現(xiàn)誤報(bào)，當(dāng)用戶處于控制狀態(tài)時(shí)盡可能快速的響應(yīng)。目前國內(nèi)外 已經(jīng)有一些基于運(yùn)動(dòng)想象，基于SSVEP，或者基于多種腦電模式的多模態(tài)腦機(jī)接口來實(shí)現(xiàn)腦 開關(guān)的功能。但這些現(xiàn)有的方法都需要依賴一個(gè)或多個(gè)閾值進(jìn)行決策，即當(dāng)計(jì)算出的某個(gè) 值超過設(shè)定的閾值時(shí)判定為控制狀態(tài)，否則為空閑狀態(tài)。這種做法具有以下三個(gè)缺點(diǎn)：第 一，閾值本身很難確定，因?yàn)樾枰壑械目紤]真陽性率和假陽性率;第二，通常用R0C曲線選 擇閾值，所以需要相對(duì)大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，比較耗時(shí);第三，選定的閾值不能長時(shí)間的使用，因 為腦電信號(hào)本身具有多變性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于P300腦電模式的無 閾值的異步腦開關(guān)方法，同時(shí)保證其具有跟現(xiàn)有方法相當(dāng)或者比現(xiàn)有方法更優(yōu)的性能。即 本發(fā)明涉及的腦開關(guān)方法不需要設(shè)定任何閾值，同時(shí)保證空閑狀態(tài)的低假陽性率和控制狀 態(tài)的高真陽性率。
[0005] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006 ] -種基于P300腦電模式的無閾值腦開關(guān)檢測方法，包括下列步驟：
[0007] S1、腦電采集硬件系統(tǒng)初始化及腦電刺激界面啟動(dòng)；
[0008] S2、通過所述腦電采集硬件系統(tǒng)分別采集使用者處于控制狀態(tài)和空閑狀態(tài)下腦電 訓(xùn)練數(shù)據(jù)；
[0009] S3、離線訓(xùn)練，分別對(duì)采集的處于控制狀態(tài)和空閑狀態(tài)下時(shí)間序列腦電訓(xùn)練數(shù)據(jù) 進(jìn)行分割，得到特征向量及其對(duì)應(yīng)的類別標(biāo)簽，并基于提取的特征向量和類別標(biāo)簽訓(xùn)練 SVM1分類器和SVM2分類器；
[0010] S4、在線實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)采集當(dāng)前使用者的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)，提取特征向量，分別通 過第一次分類決策和第二次分類決策，將使用者的腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備"開/關(guān)" 的控制命令。
[0011] 進(jìn)一步地，所述腦電刺激界面包含4個(gè)閃爍鍵，其中一個(gè)鍵為開關(guān)鍵，另外三個(gè)鍵 為偽鍵，所述閃爍鍵分別位于所述腦電刺激界面的右下角、左上角、右上角和左下角，并以 隨機(jī)的方式閃爍用于誘發(fā)使用者的具有P300腦電模式的腦電信號(hào)。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟S3離散訓(xùn)練具體包括：
[0013] S31、預(yù)處理，將腦電訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波和標(biāo)準(zhǔn)化；
[0014] S32、特征提取，分別對(duì)處于控制狀態(tài)和空閑狀態(tài)下的腦電訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提 取，所述特征包括特征向量以及類別標(biāo)簽，其中所述特征向量提取過程為:從選定的"01"， "0z"，"02"，"P3"，"Pz"，"P4"，"CP3"，"CPz"，"CP4"，"C3"，"Cz"，"C4"，"FC3"，"FCz" 和 "FC4" 15個(gè)通道中為每次按鍵閃爍提取一段初始特征信號(hào)，經(jīng)六分之一倍的下采樣后將15個(gè)通道 的數(shù)據(jù)串聯(lián)成一個(gè)P300腦電模式的特征向量/?，其中i、k、r分別代表第i個(gè)按鍵、第k個(gè) round 和第 r 個(gè) trial，ie{l，."，4}，ke{l，."，10}，re{l，."，20};
[0015] S33、分類器訓(xùn)練，利用所述P300腦電模式的特征向量^及其類別標(biāo)簽訓(xùn)練所述 SVM1分類器，然后用SVM1分類器對(duì)每個(gè)trial每次round的Ρ300腦電模式的特征向量進(jìn)行測 試，得到對(duì)應(yīng)的分值Si，將Si進(jìn)行最大最小歸一化得到運(yùn)，將每個(gè)round的四個(gè)§1以1，2，3，4 的順序組成特征向量琿，用于訓(xùn)練所述SVM2分類器。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟S4在線實(shí)時(shí)處理具體包括：
[0017] S40、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)提取臨時(shí)性保存的最近3個(gè)round的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)；
[0018] S41、預(yù)處理，將腦電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波和標(biāo)準(zhǔn)化；
[0019] S42、特征提取，對(duì)腦電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征向量提取，提取過程為:從選定的"01"， "0z"，"02"，"P3"，"Pz"，"P4"，"CP3"，"CPz"，"CP4"，"C3"，"Cz"，"C4"，"FC3"，"FCz" 和 "FC4" 15個(gè)通道中為每次按鍵閃爍提取最近3個(gè)round的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)的特征信號(hào)，經(jīng)六分之一倍 的下采樣后將15個(gè)通道的數(shù)據(jù)串聯(lián)成一個(gè)P300腦電模式的特征向量，將每個(gè)按鍵最近三次 閃爍對(duì)應(yīng)的P300腦電模式的特征向量進(jìn)行疊加平均作為當(dāng)前閃爍鍵的P300特征向量；
[0020] S43、第一層分類決策，調(diào)用所述步驟S3離線訓(xùn)練得到的SVM1分類器，對(duì)四個(gè)在線 P300特征向量進(jìn)行測試，得到4個(gè)分值，如果對(duì)應(yīng)于開關(guān)鍵的分值是正的并且是最大的，則 轉(zhuǎn)向步驟S44，否則，當(dāng)前狀態(tài)決策為空閑狀態(tài)；
[0021] S44、第二層分類決策，將所述步驟S43得到的4個(gè)分值構(gòu)成分值特征向量，并調(diào)用 所述步驟S3離線訓(xùn)練得到的SVM2分類器進(jìn)行測試，得到一個(gè)新的分值。如果該分值是正的， 則當(dāng)前狀態(tài)決策為控制狀態(tài)，否則為空閑狀態(tài)，如果使用者被連續(xù)檢測到3次控制狀態(tài)，則 輸出一個(gè)"開/關(guān)"的控制命令。
[0022] 進(jìn)一步地，所述步驟S3離線訓(xùn)練中的最大最小歸一化方法為：
[0023]
[0024 ] 其中S i和示分別為歸一化之前和之后的SVM分值。
[0025] 進(jìn)一步地，所述腦電刺激界面上的4個(gè)閃爍鍵的按鍵閃爍以round為單位，一個(gè) round是指4個(gè)按鍵以隨機(jī)的先后順序各閃亮一次，每次閃亮持續(xù)時(shí)間為100ms，每個(gè)按鍵閃 亮的間隙1 〇〇ms，故每個(gè)round持續(xù)時(shí)間800ms。
[0026] 進(jìn)一步地，所述處于控制狀態(tài)和空閑狀態(tài)下腦電訓(xùn)練數(shù)據(jù)的長度均為20個(gè) trial，其中，trial表示訓(xùn)練數(shù)據(jù)長度的單位，一個(gè)trial包含10個(gè)round的按鍵閃爍。
[0027]進(jìn)一步地，所述帶通濾波所用頻帶為0.5-30HZ，所述標(biāo)準(zhǔn)化后的信號(hào)幅值為[-1， 1]〇
[0028]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：
[0029] 1)本發(fā)明公開的異步腦開關(guān)方法較現(xiàn)有方法最大的優(yōu)勢在于無需設(shè)置閾值，現(xiàn)有 方法不管是基于運(yùn)動(dòng)想象，基于SSVEP，或者基于多模態(tài)的均需要人為設(shè)定一個(gè)或多個(gè)閾值 用于決策，而閾值具有選擇比較困難，選擇時(shí)間比較長，不能長時(shí)間使用等缺點(diǎn)。
[0030] 2)本發(fā)明的方法利用兩層SVM分類器，先對(duì)開/關(guān)鍵進(jìn)行有無P300的檢驗(yàn)，再對(duì)由4 個(gè)分值構(gòu)成的新的特征進(jìn)行是否為控制態(tài)的檢驗(yàn)，最后直接通過兩個(gè)SVM的分值進(jìn)行決策， 無需