基于视错觉的脑电信号诱发方法、分析方法、介质及设备

1.本发明涉及脑-机接口技术领域，特别是涉及基于视错觉的脑电信号诱发方法、分析方法、介质及设备。


背景技术：

2.脑-机接口技术是在人脑与计算机、手机等其他外部电子通信设备之间建立直接的交流和控制的技术。通过这项技术，人就可以解放双手直接用大脑的活动信号与计算机交互，实现对机器或者是电子设备的直接控制。脑-机接口技术是一种设计大脑科学、神经科学、信号检测、信号处理、模式识别等多学科交叉技术。
3.脑机接口现在主要可以分为两大类，侵入式脑机接口和非侵入式脑机接口。侵入式脑机接口将电极或者芯片植入大脑，精确的监测大脑的神经元活动。非侵入式的脑机接口无需手术植入，将电极置于头皮上直接采集头皮层的脑电信号，依靠eeg(头皮脑电)进行相关任务的分析。由于它的无创性，便携性和灵活性，目前非侵入式的脑机接口被广泛的应用于脑机接口系统。大脑根据不同的刺激方式会产生不同的诱发电位，包括有视觉诱发电位(veps)、事件相关电位(erps)、皮层慢电位(scps)、误差相关电位(errp)等。其中视觉诱发电位中的稳态视觉诱发电位(ssvep)被广泛用于脑机接口系统的研究中，ssvep是指当人眼在注视固定频率刺激的时候，人的大脑视觉皮层会产生一个连续稳定的与刺激有关(与刺激频率相同或倍频的信号)的响应。
4.目前传统的基于ssvep的脑机接口刺激范式的刺激频率在8至15赫兹之间，按照一定频率改变亮度对比度的刺激方式容易使用户产生视觉疲劳，长时间的注视还可能会诱发偏头痛和癫痫。而对于人机交互性较高的脑机接口系统，除了考虑系统的准确性和可靠性还需要考虑到用户的舒适性。为了提高ssvep的用户友好性，一种基于运动的视觉诱发电位(ssmvep)被提出，这类视觉刺激的运动模式包括翻转幻觉、棋盘脉动等，通过移动图案的运动圆环或者通过两种模式的反转，给用户一种振荡膨胀和收缩运动的错觉。相较于采用闪光式刺激的ssvep，采用温和运动模式刺激的ssmvep具有更高的舒适性。然而这种基于某种运动模式的刺激范式还是需要给每个目标分配不同的刺激频率，在长时间固定频率的刺激下依旧会产生视觉疲劳。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于视错觉的脑电信号诱发方法、分析方法、介质及设备，用于解决现有技术中的以上不足。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于视错觉的脑电信号诱发方法，包括：在受试者的视线范围内呈现视错觉图片作为刺激目标；其中，所述视错觉图片能让所述受试者产生运动错觉；让所述受试者注视所述视错觉图片一段时间，以刺激所述受试者的大脑皮层发生电位变化，从而产生脑电信号。
7.于本发明一实施例中，所述视错觉图片为静态图片，采用旋转斜线视错觉图片或
旋转蛇视错觉图片。
8.于本发明一实施例中，所述方法还包括：在第一阶段，显示目标提示点并保持一定时间，使所述受试者在这段时间内定位所述目标提示点；在第二阶段，在所述受试者的视线范围内呈现至少两幅视错觉图片，其中，所述至少两幅视错觉图片里的其中一幅的中心位置与所述目标提示点对应；让所述受试者注视所述目标提示点所对应的视错觉图片，以在该视觉图片的刺激下产生脑电信号。
9.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于视错觉的脑电信号分析方法，包括：获取受试者的脑电信号；计算所述脑电信号与各参考模板的相关系数；其中，各所述参考模板与各刺激目标一一对应；将相关系数最大的参考模板所对应的刺激目标确定为所述受试者的注视对象。
10.于本发明一实施例中，每一所述刺激目标所对应的参考模板，由以下过程预先生成：在训练阶段，获取所述受试者重复注视所述刺激目标所产生的若干脑电信号；其中，每一所述脑电信号包括若干个通道的数据；根据所述若干脑电信号的数据，计算每个所述通道的数据平均值，以形成对应于所述刺激目标的参考模板。
11.于本发明一实施例中，所述计算所述脑电信号与各参考模板的相关系数的步骤，具体包括：将所述脑电信号的每一通道的数据先分别乘以对应的权重系数，再计算与各所述参考模板之间的相关系数。
12.于本发明一实施例中，所述对应的权重系数，由以下过程预先生成：在训练阶段，分析所述若干脑电信号的数据与所述参考模板之间相关性；根据相关性最大的脑电信号与所述参考模板之间的关系得到各所述通道的权重系数。
13.于本发明一实施例中，所述方法还包括：在识别出所述受试者的注视目标之后，执行与所述注视目标对应的操作。
14.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载执行时，实现所述的基于视错觉的脑电信号诱发方法或分析方法。
15.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电子设备，包括：处理器及存储器；其中，所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器用于加载执行所述计算机程序，以使所述电子设备执行所述的基于视错觉的脑电信号诱发方法或分析方法。
16.如上所述，本发明的基于视错觉的脑电信号诱发方法、分析方法、介质及设备，结合了现有的研究成果，设计了一种基于视错觉的新型的脑-机接口刺激范式，并提供了与该刺激范式匹配的分析算法。本发明设计出的不依赖于稳定频率触发闪光刺激的新型刺激范式可以一定程度上减少目前基于ssvep的脑-机接口系统中由于受试者需要长时间注视闪烁刺激目标而导致的视觉疲劳，提高用户使用脑-机接口的舒适度。此外，具有高舒适度的静态图片刺激范式对于研究多静态无刺激目标分类的非侵入式的脑-机接口有很大的潜力，同时也为基于veps的脑-机接口提供了一个新的方向，即利用大脑对运动视错觉的反应采用无闪烁的刺激方式。
附图说明
17.图1显示为本发明一实施例中脑-机接口应用场景的示意图。
18.图2显示为本发明一实施例中基于视错觉的脑电信号诱发方法的流程示意图。
19.图3显示为本发明一实施例中基于视错觉的脑电信号分析方法的流程示意图。
20.图4显示为本发明一实施例中电子设备的结构示意图。
具体实施方式
21.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
22.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
23.如图1所示，图1显示了一种脑-机接口应用场景。在该场景中，受试者1佩戴电极帽，注视显示屏2中显示的刺激目标，该电极帽能检测到受试者1大脑皮层的电位变化，据以生成脑电信号发送至计算机3。与现有技术不同的是，本技术首次提出基于视错觉的新型的脑-机接口刺激范式，利用大脑对视错觉中的运动错觉产生的反应，用静态的视错觉图形来代替现有的闪烁刺激的刺激范式，以此来达到降低视觉疲劳的作用。由于不依赖于闪烁频率刺激且具有更好的舒适度，本发明的刺激范式具有很强的普适性。同时，本发明也提供了与之对应的脑电信号分析方法，通过分析用户注视的静态刺激产生的脑电信号就能够识别出用户的指令。
24.以下将结合附图详细介绍本发明提出的技术。
25.如图2所示，显示为本技术提出的基于视错觉的脑电信号诱发方法的流程图，包括如下步骤：
26.s21：在受试者的视线范围内呈现视错觉图片作为刺激目标；其中，所述视错觉图片能让所述受试者产生运动错觉。
27.需要说明的是，现有基于veps的脑-机接口系统的刺激范式在受试者视野范围内使用一定强度的闪烁或图形刺激来诱发视皮层枕区电位变化。传统的基于ssvep的脑-机接口系统的刺激范式有着大面积的闪烁刺激，之后为了改善用户体验提出的基于ssmvep脑-机接口系统的刺激范式虽然利用模式反转产生视错觉减轻了强烈的亮度对比变化带来的刺激感，但还是需要依赖稳定的频率刺激。本发明的刺激范式不依靠一定的频率的闪烁诱发电位，而是利用视错觉的神经原理设计了新静态刺激。刺激目标为可以产生运动错觉的视错觉图形，图形置于受试者的视野范围内。
28.运动错觉是一种对刺激的主观感知不同于其客观本质的视觉错觉，可以给观察者强烈的运动感觉并激发大脑视皮层的活动。运动错觉有很多种类型，如运动后效、诱导运动、视运动、自动运动、车轮错觉、周边漂移错觉等，其中，车轮错觉可以给观察者一种有规律的闪烁错觉，周边漂移错觉是在周边视觉中可以观察到的异常旋转运动错觉。神经成像技术已经证明大脑视皮层mt/v5区域在感知这种视错觉时可被激活。目前应用视错觉的脑
机接口系统较少，有提出一种利用风车模式产生的视错觉作为一种视觉刺激模式，此刺激可以给用户一种闪烁的错觉。风车模式的车轮闪烁频率与阿尔法波频率是相关的，利用不同辐条频率的风车模式的视错觉图片可以激发枕部脑区活动，这类视觉刺激模式比一般的ssvep造成的眼部疲劳更少。然而，这种视觉刺激模式只能通过改变风车模式的辐条频率来增加其刺激目标数量，并且已有实验结果表明辐条数量越少识别准确率越低。从保证刺激目标之间的可分性的角度考虑，实验中可采用的不同辐条频率的风车模式数量是有限的，因此这种单一的刺激模式具有一定的局限性。
29.本技术新型的刺激范式可参见图1所示，在一实施例中，该刺激范式使用两幅能够使用户产生运动错觉的视错觉图片作为刺激目标，同时呈现在受试者的视野范围内，受试者注视不同的刺激目标可被诱发产生不同的脑电信号。视错觉图片具体可选择rotating-tilted-lines错觉的静态图和rotating-snake错觉的静态图。
30.本技术利用视错觉中能产生运动错觉的静态图片作为刺激，与产生固定频率闪烁刺激的ssvep不同，刺激方式更加柔和，可以有效降低受试者由长时间注视闪烁刺激所产生的视觉疲劳。
31.s22：让所述受试者注视所述视错觉图片一段时间，以刺激所述受试者的大脑皮层发生电位变化，从而产生脑电信号。
32.具体的，受试者在使用基于本技术新型刺激范式下的脑-机接口设备需要经历两个阶段。
33.第一阶段：在显示屏中显示所有的刺激目标对应的操作，以及受试者需要注视的刺激目标的提示点，该提示点优选为刺激目标的中心位置，当然也可以规定刺激目标的其它位置，本技术对此不做限制。该阶段持续3s，在这个阶段中受试者在3s内可以定位到需要注视的视错觉图片的目标位置。
34.完成第一阶段后，计算机会自动切换到下一个阶段，在第二阶段中，各刺激目标会出现在屏幕中央，受试者需要注视在第一阶段中选定的刺激目标1～5s，在这个阶段完成后计算机会再次进入第一阶段，进而显示在第二阶段中受试者注视刺激目标所对应的操作。
35.需说明的是，上述时间间隔的数字仅用作举例，本技术不对时间间隔的取值做具体限定，本领域技术人员可自行选择。
36.除此之外，在受试者注视刺激目标的同时，采集设备采集脑电信号，传输至计算机进行分析。本技术对于脑电信号的采集设备不做限制，例如可以采用neuroscan synamps264-256导的脑电放大器，该设备可以同时连接4个64导的电极帽，同时实现4位受试者的脑电信号采集。在使用时，每个受试者需要佩戴1个64导(对应头皮的64个采集点)的电极帽，当受试者在注视显示屏上的刺激目标的时候，不同刺激目标对应的脑电信号就会被采集设备采集放大，然后经过分析后就可以让计算机执行注视目标所对应的操作。
37.如图3所示，显示为本技术提出的基于视错觉的脑电信号分析方法的流程图，该分析方法由图1所示的计算机3负责执行，包括以下步骤：
38.s31：获取受试者的脑电信号；
39.s32：计算所述脑电信号与各参考模板的相关系数；其中，各所述参考模板与各刺激目标一一对应；
40.s33：将相关系数最大的参考模板所对应的刺激目标确定为所述受试者的注视对
象。
41.需要说明的是，在训练阶段，获取受试者重复注视一刺激目标所产生的若干脑电信号，根据这些脑电信号的数据，计算脑电信号每个通道的数据平均值，以形成对应于所述刺激目标的参考模板。也即，在训练阶段，每一刺激目标都会通过训练得到一对应的参考模板。
42.具体来说，在训练阶段，受试者需要重复注视一个刺激目标m次，每次实验中会有3s的提示时间，在这3s中受试者先选择需要注视的目标，3s后两个或多个刺激目标会同时呈现1～5s，在这个期间受试者需要集中注意力注视之前选定的刺激目标。较佳的，采集设备将采集到的脑电信号先经过一个5～45hz的fir带通滤波器，这样可以有效抑制脑电信号的高频分量，经过带通滤波器的脑电信号这里记为这里采集到的脑电信号包括m次重复实验对应的n个通道的数据。随后，计算每个通道数据的m次重复实验的平均值，作为对应刺激目标的参考模板。将采集到的脑电数据分为测试数据和训练数据，利用训练数据采用典型相关分析itcca得到使训练数据和参考模板之间相关性最大化的n个权重系数ω，最后将训练得到的权重系数ω应用在测试数据的目标识别中从而获得最佳的识别效果。
43.需说明的是，上述的时间间隔、带通滤波器频率、训练重复次数的数字仅用作举例，本技术不做具体限定，本领域技术人员可自行选择。
44.需说明的是，本技术的刺激范式是根据大脑对视错觉图形的反应而设计的，由于存在个体差异，每个受试者能感受到的视错觉强度不同以及开始产生视错觉的反应时间不固定。典型相关分析(cca)检测算法广泛应用于传统ssvep的目标识别，cca计算每个刺激频率处的多通道脑电信号与参考信号之间的典型相关系数，选取相关性最大的参考信号的频率作为识别的ssevp频率，其中参考信号是与视觉刺激频率相对应的余弦和正弦信号。基于视错觉的脑-机接口系统的刺激范式不使用固定的频率刺激，因此脑电信号中没有对应稳定的频率，这些参考信号不能理想地反映隐藏在脑电信号中的vep自然特征。为了使参考信号携带更多相关的脑电信号信息，本技术采用基于参考模板的典型相关分析(itcca)，itcca通过将受试者脑电图数据的特征融合到参考模板中，对参考信号进行优化，将多通道信号的数据结合起来，从而提高了信噪比和目标识别精度，它更适用于无稳定频率视觉触发的脑电信号分析，这比应用传统的cca有更好的识别效果。
45.在分析阶段，不需再重复进行上述的训练阶段，直接分析受试者的新的脑电信号与各个参考模板的相关性即可，通过相关性分析可以得到多个相关系数，相关系数最大的参考模板所对应的刺激目标即为受试者所注视的对象。
46.实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。基于这样的理解，本发明还提供一种计算机程序产品，包括一个或多个计算机指令。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存储的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(如：软盘、硬盘、磁带)、光介质(如：dvd)、或者半导体介质(如：固态硬盘solid state disk(ssd))等。
47.参阅图4，本实施例提供一种电子设备，电子设备可以是台式机、平板电脑、便携式电脑、智能手机等设备。详细的，电子设备至少包括通过总线连接的：存储器、处理器，其中，存储器用于存储计算机程序，处理器用于执行存储器存储的计算机程序，以执行前述的基
于视错觉的脑电信号诱发方法，或者基于视错觉的脑电信号分析方法。
48.上述提到的系统总线可以是外设部件互连标准(peripheral pomponent interconnect，简称pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，简称eisa)总线等。该系统总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。通信接口用于实现数据库访问装置与其他设备(例如客户端、读写库和只读库)之间的通信。存储器可能包含随机存取存储器(random access memory，简称ram)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
49.上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processing，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field－programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
50.综上，本发明的基于视错觉的脑电信号诱发方法、分析方法、介质及设备，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
51.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。