[发明专利]基于空间、时间和频率联合编码的脑-机接口通讯方法

说明书

技术领域

本发明属于脑-机接口通讯技术领域，具体讲，涉及基于空间、时间和频率联合编码的脑-机接口通讯方法。

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BCI的研究中，通讯协议的设计是其中一个重要的环节，它首先决定了BCI系统的最大带宽。目前的BCI通讯协议主要是基于单一的时间或者频率的编码方式，例如基于ERP的BCI方法利用的是基于时间的编码方式，而基于SSVEP的BCI利用的是基于频率的编码方式。因此，传统的BCI通讯协议方法单一，其可用的带宽较窄，不适合BCI系统的高速信息传输。另外，最新研究结果表明，对指令集进行空间编码是有效的。

基于空-时-频联合编码的通讯协议是无线传输领域中一种重要的方法。与传统的空-时和空-频协议相比，空-时-频协议能够达到更大的通讯带宽。然而，在BCI领域，其通讯协议一直处于相对落后的单一编码方式。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，能够极大的增加BCI系统的带宽。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，时间和频率联合编码的脑-机接口通讯方法，包括下列步骤：

受试者安静地坐于距屏幕约1m的靠椅上，注视计算机屏幕刺激界面的闪烁，脑电信号由脑电电极探测后经过脑电放大器放大、滤波后输入计算机，采集得到的脑电数据经过特征提取和模式识别后，转换为命令输出；

1.2编码策略

计算机屏幕刺激界面的闪烁，刺激面板由FPGA控制，分成左右两个部分，每个部分都存在若干子界面，每个子界面都是一个独立的BCI视觉刺激模块，且该模块服从P300-SSVEP-speller刺激模式；

1.2.1时间编码

刺激面板中所有子界面的oddball闪烁模式是一致的，即，所有子界面中字符的时间编码过程是一样的；

1.2.2频率编码

左、右侧面板中，各个子界面的SSVEP诱发频率是不一样的，但是，左右面板所包含的SSVEP诱发频率成分是能够相同的；

1.2.3空间编码

左、右侧面板字符发出的刺激光线经过垂直方向、水平方向的偏振片后，其透射光成为垂直方向、水平方向的线偏振光；

1.3解码策略

通过该视觉刺激方案诱发出来的大脑活动，能够在大脑头皮映射出具有空间、时间和频率特征的脑电信号，通过对脑电信号的空间、时间和频率的特征分析，就能够准确的输出控制命令；

1.3.1时间解码

用户所凝视的字符，其oddball闪烁刺激会引起大脑产生P300特征信号，通过机器学习等方法识别P300特征信号，从而实现脑电信号的时间解码；

1.3.2频率解码

通过识别SSVEP的频率成份，就可以判断用户注视的子界面类型，从而实现脑电信号的频率解码；

1.3.3空间解码

通过识别EOG的偏侧化效应和EEG特征的空间分布，BCI系统可以实现空间解码。

时间编码进一步具体为：

子界面I中的6个字符以随机遍历顺序连续发出视觉刺激，所以，字符A、B、C、D、E和F的时间编码是特定的、且各不相同的，同理，子界面II，III和IV中字符的时间编码亦是如此；对于任意子界面中的任意一个字符，都能在其他任意一个子界面中找到唯一一个与其时间编码一致的字符，例如，字符A、M、G和S的时间编码是一样的。