[发明专利]一种基于集成支持向量机的P300拼写器的训练集扩展方法在审

专利信息
申请号: 201710319613.5 申请日: 2017-05-09
公开(公告)号: CN107168533A 公开(公告)日: 2017-09-15
发明(设计)人: 李奇;高宁;武岩;杨菁菁;史凯阳;李修军;韩成;陈纯毅 申请(专利权)人: 长春理工大学
主分类号: G06F3/01 分类号: G06F3/01;G06K9/62
代理公司: 吉林长春新纪元专利代理有限责任公司22100 代理人: 王薇
地址: 130022 吉林省长春市*** 国省代码: 吉林;22
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 集成 支持 向量 p300 拼写 训练 扩展 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种集成支持向量机的训练集扩展方法,具体为一种基于集成支持向量机的P300拼写器的训练集扩展方法。

背景技术

脑机接口(Brain Computer Interface,BCI)是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立不依赖与常规的大脑信息输出通路(外周神经和肌肉组织)的全新对外信息交流和控制的通信系统。脑机接口是一种新颖的人机接口系统,其研究具有重要意义:第一,可以为大脑功能健全但身体其他部分运动功能有障碍的人(如肌萎缩侧索硬化症患者)提供一种新的与外界交流的方式,随着脑机接口技术的发展,将会促进康复医学领域向更高的层次发展。第二,随着当前世界各国老龄化趋势的加剧,脑机接口技术将为老年人提供生活上的便利。第三,脑机接口技术的产生,为在高危环境下(如外太空等)工作的人们提供了一种新的控制设备的方式,提高了安全保障。另外,脑机接口技术的发展将会推动大脑认知模式以及大脑传递信息时脑区的活跃程度的研究,对进一步研究人类大脑提供了新的方法。

基于P300的拼写器脑机接口系统是目前应用最广泛的脑机接口系统之一。由于其对硬件的要求比较低,诱发的范式比较简单,电位的时域特征明显,并且被试在使用前无需进行大量的训练等优势获得了良好的效果,具有广阔的应用前景。由于脑电信号非常微弱,且非常容易受到外界环境的干扰,通常我们要将靶刺激叠加平均多次才能得到稳定的P300电位。经实验验证,在传统的P300拼写器脑机接口系统中,叠加15轮之后,字符识别的正确率仅有75%左右。字符传输率和字符识别率过低成为该脑机接口系统广泛应用于日常生活中的障碍。

Kaufman等人在2011年发现人在观察一个熟悉人脸时在F3、F4电极位置记录到了一个明显的特征波形,被称为N400;金晶等人将这个发现运用到了基于P300的脑机接口刺激诱发范式上,将传统的P300脑机接口系统改为了基于名人熟悉人脸的P300拼写器脑机接口系统,即将字符的高亮变为了转换成熟悉人脸。经实验验证,该P300拼写器脑机接口系统的分类识别正确率在某些被试中高达91%,取得了较好的效果。

支持向量机作为脑机接口系统的分类算法已经被研究者广泛使用,它在解决非线性和高维模式识别问题中表现出许多特有的优势,并在很大程度上克服了“维数灾难”和“过学习”等问题。作为一种监督式学习算法,支持向量机需要大量样本进行训练才能保证系统的分类效果,这需要使用者在使用前花费很长时间来获取训练集样本。然而,长时间的脑电数据样本的获取将使使用者的情绪和身体状况等诸多因素发生变化,降低了脑电数据质量,影响了数据的可靠性,从而导致系统的分类性能下降。因此,通过扩展在较短时间内获得的训练集样本,满足支持向量机训练的要求是提高系统分类性能的有效手段之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于集成支持向量机的P300拼写器脑机接口系统的训练集扩展方法,是针对集成支持向量机需要使用大量的训练集样本进行训练以确保分类性能的缺陷,提出了通过叠加平均不同两组脑电信号的方法扩展训练集的样本数量的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现:一种基于集成支持向量机的P300拼写器脑机接口系统训练集扩展方法,其特征在于具体包括以下步骤:

步骤一:使用基于名人熟悉人脸的P300拼写器脑机接口系统进行EEG脑电数据采集获取训练集样本;

步骤二:对训练集样本进行预处理,包括眼电伪迹去除、波形分段、基线校正、带通滤波;

步骤三:通过叠加平均不同两组EEG脑电数据的方法进行训练集样本数量的扩展;

1)假设P300拼写器脑机接口系统界面由M×N的字符矩阵构成(MN行),设每列或行的一次闪烁为一个trial,所有列和行闪烁一次为一个sequence,即一个sequence包含M+N个trial;对应一个目标字符的输入,进行了QQ≥2)轮的sequence,被称为一个run;

2)假设和分别表示由第i个和第j个sequence的第m列闪烁诱发产生的两组EEG脑电数据,相同电极通道的EEG脑电数据进行叠加平均为:

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同理,假设和分别表示由第i个和第j个sequence的第n行闪烁诱发产生的两组EEG脑电数据,相同电极通道的EEG脑电数据进行叠加平均为:

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