基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的字符輸入系統(tǒng)研究

高　建，趙　麗，孫　永

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

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基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的字符輸入系統(tǒng)研究

高建，趙麗，孫永

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的實(shí)時(shí)腦-機(jī)接口系統(tǒng)，用于控制字符輸入。系統(tǒng)以單片機(jī)和LED燈組成的視覺刺激器為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的刺激源，利用中科新拓NT9200系列腦電放大器對(duì)采集的腦電信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)放大，并采用濾波器進(jìn)行濾波，之后通過USB數(shù)據(jù)線上傳給計(jì)算機(jī)；在LabVIEW平臺(tái)上對(duì)不同頻率刺激下產(chǎn)生的腦電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，產(chǎn)生腦-機(jī)接口控制命令，實(shí)現(xiàn)字符輸入。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該系統(tǒng)具有良好的可行性和可靠性，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：腦-機(jī)接口；穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位；字符輸入系統(tǒng)

作為近年來迅速發(fā)展的一種人機(jī)接口，腦-機(jī)接口（brain-computer interface，BCI）是一種在人腦和計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間進(jìn)行通信和交流的控制系統(tǒng)，在殘疾人康復(fù)領(lǐng)域具有重要的研究意義[1]。幫助肢體殘疾嚴(yán)重的患者和交流障礙患者實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境的交流是研究發(fā)展BCI技術(shù)的主要目的之一，一些老人和殘障人士因?yàn)楦鞣N原因無法用語言和肢體與外界交流，BCI可以為這些人群提供一種新的途徑，滿足其與外界交流的需求。

穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（steady state visual evoked potential，SSVEP）是指視覺和認(rèn)知能力正常的人眼受到視覺刺激后，大腦皮質(zhì)枕區(qū)位置產(chǎn)生的特定電位信號(hào)[2]。SSVEP具有高信息傳輸率、較短訓(xùn)練時(shí)間和特征易于提取等優(yōu)點(diǎn)，因此常作為輸入信號(hào)用在人機(jī)交互系統(tǒng)中[3]。利用這一特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的字符輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)采用單片機(jī)設(shè)計(jì)了7個(gè)閃爍的LED燈作為視覺刺激器，利用功率譜估計(jì)對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取并將腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制命令，在LabVIEW平臺(tái)上搭建系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了無需肢體動(dòng)作只依靠腦電控制與外界通過字符輸入來交流的功能，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1　基于SSVEP的字符輸入系統(tǒng)基本構(gòu)成

基于SSVEP的字符輸入系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成：視覺刺激器、信號(hào)采集模塊、腦電信號(hào)處理和字符輸入軟件。視覺刺激器是由單片機(jī)控制不同頻率閃爍的7個(gè)LED燈組成，閃爍頻率在13.5～16.5 Hz之間。信號(hào)采集主要由中科新拓NT9200腦電放大器和Ag-AgCl電極組成，利用USB將采集到的被試腦電信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。腦電信號(hào)處理部分在計(jì)算機(jī)上完成，主要分為信號(hào)預(yù)處理、特征提取和模式分類3個(gè)部分。字符輸入軟件搭建在LabVIEW平臺(tái)上，系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)流程框圖

系統(tǒng)初始化后，字符輸入界面上顯示26個(gè)英文字母、4個(gè)標(biāo)點(diǎn)符號(hào)和10個(gè)數(shù)字分布在7×7的字符矩陣中；系統(tǒng)設(shè)定先確定橫坐標(biāo)，然后確定縱坐標(biāo)。被試根據(jù)所需要輸入字符的橫坐標(biāo)注視所對(duì)應(yīng)的刺激器LED燈，系統(tǒng)接受控制指令后，字符所在行整行亮起；被試再根據(jù)字符的縱坐標(biāo)注視對(duì)應(yīng)的LED燈，系統(tǒng)接受指令后，字符輸入成功，系統(tǒng)記錄輸入的字符和所消耗的時(shí)間。字符輸入控制界面如圖2所示。

圖2　字符輸入控制界面

1.1視覺刺激器

在基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦-機(jī)接口中，視覺刺激器既是提供視覺刺激的外部裝置，也是腦-機(jī)接口系統(tǒng)中的人機(jī)界面[4]。目前常用的視覺刺激器有2種設(shè)計(jì)方式：一種是采用軟件控制顯示器中圖像的閃爍；另一種是在硬件電路里使用單片機(jī)控制發(fā)光裝置的閃爍。系統(tǒng)使用的視覺刺激器是由AVR單片機(jī)控制7個(gè)LED燈組成。這種視覺刺激器通過單片機(jī)控制定時(shí)器，使7個(gè)LED燈以不同頻率閃爍，并可通過調(diào)整閃爍的頻率獲得較好的刺激效果。本系統(tǒng)的7個(gè)閃爍LED頻率分別為13.5 Hz、14.0 Hz、14.5 Hz、15.0 Hz、 15.5 Hz、16.0 Hz和16.5 Hz，分別對(duì)應(yīng)字符輸入界面的坐標(biāo)1、2、3、4、5、6和7。

1.2腦電信號(hào)采集

腦電信號(hào)的采集在基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦-機(jī)接口中具有重要作用[5]。本系統(tǒng)腦電信號(hào)是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)10-20系統(tǒng)電極標(biāo)準(zhǔn)放置法采集的O1通道的腦電信號(hào)，并以A1和A2通道的耳電極作為參考電極。

由于采集的是人體頭皮表面十分微弱的腦電信號(hào)，所以系統(tǒng)需要將采集到的原始腦電信號(hào)用腦電放大器進(jìn)行逐級(jí)放大[6]，同時(shí)采用濾波器將人體表面存在的噪音信號(hào)（如人體肌電、體表靜電、肌電等）進(jìn)行濾波。系統(tǒng)采用中科新拓NT9200腦電放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該放大器具有高精度、高可靠性和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，符合本系統(tǒng)要求；腦電信號(hào)采集使用的電極是導(dǎo)電性能較好的Ag-AgCl電極。腦電放大器對(duì)采集到的原始腦電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波等預(yù)處理后，將腦電信號(hào)通過USB數(shù)據(jù)線傳給計(jì)算機(jī)并保存在EEGData9文本中。

2　信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)

腦電信號(hào)是一種生物信號(hào)，不能直接作為控制信號(hào)作用于系統(tǒng)，因此需要將其進(jìn)行處理并將其轉(zhuǎn)化為控制命令[7]。腦電信號(hào)的處理過程包括腦電信號(hào)的預(yù)處理、特征提取和特征分類等。腦電信號(hào)通過腦電放大器的逐級(jí)放大以及濾波器的濾波后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)作為計(jì)算機(jī)的輸入控制信號(hào)，在LabVIEW軟件上進(jìn)行特征提取和模式識(shí)別分類，之后轉(zhuǎn)化為控制指令控制字符輸入。

2.1腦電信號(hào)的預(yù)處理

由于系統(tǒng)腦電信號(hào)采集的電極位于頭皮表面，測(cè)量到的腦電信號(hào)幅度較弱并存在大量噪音信號(hào)，采集的腦電信號(hào)容易被各種干擾掩蓋，因此需要進(jìn)行濾波[8]。本系統(tǒng)采用Butterworth數(shù)字帶通濾波器，帶通頻率為13～17 Hz，阻帶頻率為10 Hz和20 Hz，通帶衰弱為0.5 dB，阻帶衰減為50 dB。

2.2特征提取和分類識(shí)別

功率譜估計(jì)是用已檢測(cè)到的一定數(shù)量的樣本數(shù)據(jù)估計(jì)1個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的功率譜，反映隨機(jī)信號(hào)各頻率成份功率能量的分布情況，揭示信號(hào)中隱含的周期性及靠得很近的譜峰等有用信息[9-10]。因此，需要估計(jì)隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度函數(shù)才能描述它在頻域內(nèi)的幅值變化。

設(shè)隨機(jī)信號(hào)為x（t），它的自相關(guān)函數(shù)為Rx（t），則x（t）的傅里葉變換為：

式中：Sx（f）為隨機(jī)信號(hào)x（t）的自功率譜密度，可以從自功率譜密度中看出噪聲信號(hào)頻率的成分。本系統(tǒng)是以O(shè)1通道在一定頻段內(nèi)的能量作為判別依據(jù)，系統(tǒng)設(shè)置采樣率為200 Hz，分析數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2 s/次。功率譜估計(jì)的算法是將信號(hào)x（n）看作N個(gè)數(shù)據(jù)的有限序列，對(duì)x（n）做快速傅里葉變換x（k），然后取其幅值的平方并除以N作為序列x（n）的真實(shí)功率譜估計(jì)，具體公式為：

15 Hz的SSVEP腦電信號(hào)經(jīng)過FFT后的頻率圖如圖3所示。從圖3中可以看出，原始信號(hào)經(jīng)過特征提取后識(shí)別效果良好。

圖3　15 Hz的SSVEP腦電信號(hào)FFT后的頻率圖

模式分類的方法是通過腦電信號(hào)的功率譜提取最大功率對(duì)應(yīng)的頻率值，然后采用模版匹配法將特征提取的結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制命令，通過查詢提前設(shè)置好的轉(zhuǎn)化表將特征提取后的腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的控制命令。例如：通過算法處理后將13.5 Hz的信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制命令1，14 Hz轉(zhuǎn)化為2，依次推理16.5 Hz為7。

2.3LabVIEW中的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW包含大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲(chǔ)等，可以實(shí)現(xiàn)將算法嵌入腦-機(jī)接口系統(tǒng)中。本系統(tǒng)的濾波、特征提取和模式分類等相關(guān)算法的執(zhí)行過程都在LabVIEW平臺(tái)上執(zhí)行和實(shí)現(xiàn)。

3　基于SSVEP字符輸入系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括中科新拓NT9200系列腦電放大器、用于腦電信號(hào)采集的Ag-AgCl電極和基于LabVIEW平臺(tái)的字符輸入軟件。基于VC平臺(tái)開發(fā)的數(shù)據(jù)接收程序用來記錄所輸入的字符、判斷字符輸入是否正確和記錄所消耗的時(shí)間。程序界面如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)共選取6名年齡在22～27歲之間的被試，4名男性、2名女性，被試身體健康，視力正常。由于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的穩(wěn)定性很好，被試在實(shí)驗(yàn)前不需要進(jìn)行專門訓(xùn)練。為減少外界因素干擾被試的實(shí)驗(yàn)過程，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在燈光柔和且較為安靜的環(huán)境下進(jìn)行。

圖4　VC程序界面

3.2實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)設(shè)施準(zhǔn)備就緒后，被試了解實(shí)驗(yàn)機(jī)制，熟悉實(shí)驗(yàn)流程后就可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。實(shí)驗(yàn)流程如下：①被試坐在視覺刺激器正前方，眼睛與視覺刺激的距離為50 cm左右，高度以雙眼平視刺激器為宜。②在被試腦部枕區(qū)確定腦電信號(hào)采集位置O1處，并在此位置用75%的醫(yī)用酒精擦拭，達(dá)到減少頭皮電極的阻抗；為被試在O1處安放電極并在雙耳乳突A1、A2處接上參考電極。③調(diào)節(jié)室內(nèi)燈光亮度，避免燈光太亮影響刺激器的刺激效果，被試開始實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)開始后，基于VC平臺(tái)開發(fā)的軟件隨機(jī)出現(xiàn)60個(gè)字符，被試按照提供的字符，在軟件界面的字符矩陣上確定字符的位置。被試先注視橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的閃光燈，若橫坐標(biāo)確定，字符所在行整行字符變?yōu)榫G色，然后再注視縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的字符。系統(tǒng)記錄字符輸入消耗的時(shí)間。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行6次，每人實(shí)驗(yàn)1次，每次實(shí)驗(yàn)被試輸入40個(gè)符字，并記錄完成輸入所需要的時(shí)間和最終輸入正確的字?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　字符輸入系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的字符輸入系統(tǒng)控制字符輸入的正確率達(dá)到97.9%，單條指令發(fā)送的平均時(shí)間在5 s以內(nèi)，單個(gè)有效字符輸入速度為8.3 s/字，證明該系統(tǒng)是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)脫離肢體和語言動(dòng)作，僅靠腦電信號(hào)就可以進(jìn)行交流的目的。同時(shí)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也為下一步研發(fā)更加完善的字符輸入系統(tǒng)進(jìn)行了嘗試。

4　結(jié)束語

本系統(tǒng)通過對(duì)采集的腦電原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取、模式分類等一系列的信號(hào)處理后，實(shí)現(xiàn)了無需肢體動(dòng)作只依靠腦電控制通過字符輸入來與外界交流。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文只需采集O1通道的腦電信號(hào)即可滿足實(shí)驗(yàn)需求，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，使用的算法易于識(shí)別。系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可行，為腦-機(jī)接口的發(fā)展提供了技術(shù)支持。但對(duì)于識(shí)別速度和正確率仍需要進(jìn)一步的改善，相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，會(huì)有更多更好的腦-機(jī)接口系統(tǒng)出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］李宏偉，趙麗.腦機(jī)接口視覺刺激器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床與液壓，2010，28（14）：45-47.

［2］趙麗，孫永.基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的手機(jī)撥號(hào)系統(tǒng)研究[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2013，32（2）：45-47.

［3］高上凱.淺談腦-機(jī)接口的發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2007，26（16）：801-804.

［4］李宏偉，趙麗，邊琰，等.腦機(jī)接口視覺刺激器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床與液壓，2010，38（14）：45-47.

［5］張峰，徐光華，謝俊，等.穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的研究與展望[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31（8）：156-165.

［6］余耀，趙鶴鳴.非平穩(wěn)噪聲環(huán)境下的噪聲功率譜估計(jì)方法[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2012，27（44）：486-489.

［7］趙麗，郭旭宏.基于運(yùn)動(dòng)想象的腦電信號(hào)功率譜估計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2012，35（6）：81-87.

［8］趙麗，孫永，郭旭宏，等.基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的手機(jī)撥號(hào)系統(tǒng)研究[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2013，32（2）：253-256.

［9］陳亞勇.MATLAB信號(hào)處理詳解[M].北京：人民郵電出版社，2001.

［10］王春興.基于Matlab實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代功率譜估計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（16）：65-67.

Study on steady state visual evoked potential character input system

GAO Jian，ZHAO Li，SUN Yong
（Tianjin Key Laboratory of Information Sensing and Intelligent Control，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：Brain-computer interface（BCI）is a control system that utilizes electroencephalogram（EEG）to let people communicate with computers or other devices.The main point of this paper is a real-time BCT system based on the SSVEP which is used to control the character input.The system，with a visual stimulator consisting of a micro-controller and LED light as its stimulus source of SSVEP and using NT9200 series EEG amplifier to magnify and filter the collected EEG step by step to transmit it to computer through USB cable，processes the EEG generated under the stimulus of different frequencies on the LabVIEW platform to create BCI controlling orders to input characters.The system is quite feasible and reliable and has a relatively higher application value.

Key words：brain-computer interface（BCI）；steady state visual evoked potential（SSVEP）；character input system

作者簡(jiǎn)介：高建（1988—），男，碩士研究生；趙麗（1962—），女，教授，博士，研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61178081）.

收稿日期：2015-10-23

中圖分類號(hào)：R318

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095－0926（2016）01－0006－04