基于幅值调制视觉诱发电位脑-机接口方法

摘要

基于幅值调制视觉诱发电位脑-机接口方法，先进行脑电信号采集系统连接，再优化选择受试者幅频响应最为敏感的频率作为载波频率，最大化响应信号的信噪比，然后提出调制波频率的选择范围，再设计AMVEP范式，产生幅值调制视觉诱发电位脑-机接口范式的刺激序列，最终实现AMVEP的单次或少次信号识别，本发明提出了基于幅值调制视觉诱发电位的范式AMVEP，并提出与之相适应的调制信号分析与特征提取方法，实现基于幅值调制视觉诱发电位的范式的AMVEP单次或少次信号识别，具有操作简单、电极数目少和目标数多的优点。

主权项

1.基于幅值调制视觉诱发电位脑-机接口方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在受试者头部(D)的枕区Oz位置安放测量电极(A)，在受试者头部(D)的单侧耳垂位置安放参考电极(B)，在受试者头部(D)的前额部Fpz位置安放地电极(C)，测量电极(A)的输出端接入脑电放大器(E)的第一输入端(E1)，参考电极(B)的输出端接入脑电放大器(E)的第二输入端(E2)，地电极(C)的输出端接入脑电放大器(E)的第三输入端(E3)，脑电放大器(E)的输出端和计算机(F)的输入端相连，计算机(F)的输出端和计算机屏幕(G)连接形成脑电信号采集系统；步骤2，将计算机屏幕(G)可表示的单频率刺激范式通过计算机屏幕(G)呈现在受试者面前，受试者头部(D)距离计算机屏幕(G)为50～100厘米，依据受试者在不同单频率刺激下的诱发电位响应幅值敏感度规律，优化选择敏感的刺激响应频率作为调制视觉诱发电位刺激范式的载波频率，优化选择原则为：根据受试者的不同，做出此受试者可选频率的幅频响应曲线图，从幅频响应曲线图中选择幅值最大值所对应的频率值作为载波频率，即选择受试者幅频响应最为敏感的频率作为载波频率，最大化响应信号的信噪比；步骤3，根据步骤2所选择的载波频率，以及影响调制波调制频率选择的因素，提出调制频率的选择范围，由于影响调制波的因素包括屏幕刷新率和频谱分辨率，所以载波频率对调制波调制频率必须符合采样定理，调制波调制频率选择的方法具体包括以下内容：幅值调制信号：y(t)＝C+C*sin(2*π*f_m*Δt_m-pi/2) (1)采样定理：$\frac{f_{\mathrm{ms}}}{f_m}\ge 2.56---\left(2\right)$幅值调制信号计算公式中参数的变换关系如下：f_ms→f₀，即：${\mathrm{\Delta t}}_m\to {\mathrm{\Delta t}}_0=\frac{1}{f_0}=\frac{n}{f_r}---\left(3\right)$${\mathrm{\Delta t}}_0={\mathrm{\Delta t}}_m*\lambda \Rightarrow \frac{1}{\lambda }=\frac{{\mathrm{\Delta t}}_m}{{\mathrm{\Delta t}}_0}=\frac{1}{f_{\mathrm{ms}}}/\frac{n}{f_r}=\frac{f_r}{f_{\mathrm{ms}}*n}---\left(4\right)$由以上公式(1)～(4)推导得知最终调制波频率为：$x=\frac{f_m}{\lambda }=\frac{f_m*f_r}{f_{\mathrm{ms}}*n}\Rightarrow \frac{f_{\mathrm{ms}}}{f_m}=\frac{f_r}{n*x}\ge 2.56\Rightarrow x\le \frac{f_r}{n*2.56}$其中：C：常数f_ms：幅值调制信号的采样频率f_m：幅值调制信号的频率f₀：载波频率：幅值调制信号的采样间隔x：调制波的频率n：表示一个周期所需要屏幕刷新的帧数f_r：屏幕刷新率由以上推到过程得知调制波频率的范围应该为：$0\le x\le \frac{f_r}{n*2.56}=\frac{f_0}{2.56};$步骤4，根据步骤2优化原则所选择的载波频率，以及步骤3所提出调制波频率的选择范围，设计AMVEP范式，产生幅值调制视觉诱发电位脑-机接口范式的刺激序列，通过计算机屏幕(G)呈现在受试者面前，产生AMVEP范式的刺激序列的计算公式如下：$y_{\mathrm{AMVEP}}\left(t\right)=C+C*\sin (2*\pi *\frac{n*x}{f_r}-\mathrm{pi}/2);$其中，C为常数，x为所设计调制波频率，且根据步骤3知：$x\le \frac{f_r}{n*2.56};$步骤5，先通过步骤2～3确定调制编码SSVEP范式，再通过步骤4将其呈现在受试者面前，最终通过步骤1所述的脑电信号采集系统获得受试者的AMVEP响应信号，提出与之相适应的调制信号分析与特征提取方法，实现AMVEP的单次或少次信号识别，具体包括以下步骤：◆对采集到的不同刺激序列的AMVEP响应脑电数据进行带通滤波；◆采用Hilbert解调方法对滤波后的数据进行幅值解调；◆采用FFT方法对幅值解调后的数据求其频谱极大值；◆根据频谱结果，得到频谱中的极大值对应的频率值，即为调制波频率值。