基于點通濾波的頻率相位混合解碼腦機接口方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于點通濾波的頻率相位混合解碼腦機接口方法及其裝置，涉及數字信號處理領域，所述方法包括：用系數g(n)對SSVEP信號進行濾波得到y(n)；對點通濾波輸出信號y(n)做FFT，得到最終的譜分析結果Y(k)；從峰值譜Y(m1)與Y(m2)上分別讀出相位值與并分別進一步算出校正后的相位值和以f1、f2作為頻率解碼輸出，作為相位解碼輸出。裝置包括：將采集到的信號x(t)經過模數轉化器采樣得到樣本序列x(n)，以并行數字輸入的形式進入DSP器件，經過DSP器件的內部處理，得到信號的參數估計；再借助輸出驅動及其顯示模塊顯示受試者發出的命令，最后外部設備響應對應的命令。
【專利說明】基于點通濾波的頻率相位混合解碼腦機接口方法及其裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及數字信號處理領域，尤其涉及一種基于點通濾波的頻率相位混合解碼腦機接口方法及其裝置，具體涉及腦機接口裝置中采用任意頻率的穩態視覺誘發電位作激勵源時，通過中心頻點可控的點通濾波器準確濾出信號并進行目標識別。
【背景技術】
[0002]為了實現與外部環境的交流和控制[1]，提高生活質量,腦機接口(Brain-ComputerInterface，簡記為BCI) [2]應運而生。腦機接口不依賴于大腦的正常輸出通路，而是在人腦和計算機或者其他電子設備之間建立一種直接的信息交流控制通道[3]。通過提取腦電信號的特征，并將識別出的大腦指令或者信息傳遞給被控制的外部設備，最終可完成大腦對外部設備的直接控制。
[0003]研究表明，當外界對大腦視覺皮層進行大于6Hz閃爍激勵時，通過提取枕區腦電信號(EEG)就會獲得穩態視覺誘發電位M。由于穩態視覺誘發電位(steady-state visualevoked potential (SSVEP) -based SSVEP)具有非侵犯性、系統配置簡單、訓練時間短及其高信息轉化率等優勢，近年來基于SSVEP的腦機接口發展迅速。
[0004]顯然，SSVEP信號蘊含著豐富的病理、生理及心理信息，是醫學診斷、大腦意識和認知等科研活動的重要工具。但實際在大腦頭皮處用電極采集的腦電信號非常微弱(只有微伏級)，還主要受到兩種干擾:一種是多種偽跡成分(如工頻干擾、眼電和肌電偽跡等)，該干擾非常不利于純凈腦電信號的提取及分析[5’6];另一種為當受試者注視某激勵塊注意力不集中時，因顯示器屏幕同時呈現多個不同頻率或相位的激勵塊，這些干擾激勵塊對視覺神經產生較大的干擾。因此，為實現高精度地目標識別，必須引入預處理措施濾除以上各種干擾。
[0005]然而早期的大多SSVEP-BCI系統忽視了對干擾的預處理操作。例如文獻[7，8]直接使用典型相關分析(Cononical Correlation Analysisi, CCA)對不同SSEVP激勵頻率進行目標識別，然而CCA需要額外的參考信號才可實現；再如文獻[9]直接采用FFT方法對SSVEP信號作頻率及相位解碼，雖然FFT可以一定程度上將噪聲和有用激勵信號在頻率軸上區分開來，但FFT固有的譜泄漏效應會降低區分度，導致后續的信號解碼不夠精準。
[0006]目前也有學者對去除腦電信號中的噪聲干擾進行了研究，如采用帶阻濾波器[1°]、梳狀濾波器[11]、帶通濾波器[12]、小波降噪[13’14]等方法。文獻[10]意圖采用帶阻濾波器來消除50Hz工頻干擾，但在采用FIR數字濾波器實現時，因技術所限，其濾波器僅能實現帶阻的傳輸特性(阻帶設為45至55Hz)，而無法實現精細到50Hz單頻點的陷波，這不可避免地會對50Hz周圍的有用腦電成分造成損傷；文獻[11]提出將梳狀濾波器應用到腦機接口信號預處理環節，但梳狀濾波器同樣存在通帶過寬的缺點，且只能去除有限個特定頻點的干擾，無法實現去除任意頻率成分的干擾；在文獻[12]中，作者采用4階巴特沃斯帶通IIR濾波器去除噪聲干擾，該濾波器的傳輸通帶為29Hz?35Hz，故可去除該通帶外的干擾，而保留中心頻率為32Hz的激勵頻率成分，但很明顯，該濾波器通帶仍過寬，另外由于IIR濾波器存在非線性相位的固有缺陷，故容易造成附加相位失真，難以保證相位提取精度。對于文獻[13，14]的基于小波分解的降噪方法，因小波域降噪需要在多級分解來實現，步驟比較繁瑣，且每級分解所觀測的仍只是某個頻帶，而不是某個頻點，而SSVEP是采用單頻點激勵，故基于小波降噪的SSEVP目標識別仍存在提升空間。
[0007]因此，為提高腦機接口系統的性能及特征識別的準確率，其濾波預處理過程十分重要，基于對現有預處理的缺陷分析，為保證純凈、快速、不失真地提取SSVEP的編碼信息，以準確識別出控制命令，濾波預處理措施應盡量滿足如下幾點:(I)濾波器帶寬越窄，濾出的信號則越干凈，后續的解碼精度則越高；(2)對于包含相位信息編碼的SSVEP-BCIs，預處理必須保證濾波器本身具有線性相位性，否則，測得的相位值則不準確，嚴重影響到后續解碼精度；(3)干擾預消除措施應盡量步驟簡單。
【發明內容】
[0008]本發明提 供了一種基于點通濾波的頻率相位混合解碼腦機接口方法及其裝置，本發明去除了因各種噪聲和激勵存在頻偏所產生的干擾，滿足了高準確度識別SSVEP命令的需求，詳見下文描述:
[0009]一種基于點通濾波的頻率相位混合解碼腦機接口方法，所述方法包括以下步驟:
[0010](I)對輸入的SSVEP信號做N點FFT，得到初步譜分析結果X(k)，k = 0，I,…，N-1，并搜索最高的兩處FFT譜線，分別記錄每簇譜線的譜峰位置k = Hl1與k = m2 ;
[0011](2)從預先設定的激勵頻率表f1; f2至fn中分別選出與Hi1 Δ f，m2 Δ f最接近的2個頻率，假設為與f2，確定參數λ i與λ 2，Λ f為頻率分辨率；
[0012](3)利用HI1與入1值、!!12與入2值以及卷積窗值we(n)，配置長度為2N-1的點通FIR濾波器的系數g (η)；
[0013](4)用系數g(n)對SSVEP信號進行濾波得到y (η)；
[0014](5)對點通濾波輸出信號y(n)做FFT，得到最終的譜分析結果Y (k)，k = 0，1，...,N-1 ；
[0015](6)從峰值譜Y(Hi1)與Y(m2)上分別讀出相位值的與巧’并分別進一步算出校正后的相位值色和壚
[0016](7)以作為頻率解碼輸出，(色一多2)—朽'作為相位解碼輸出，其中％為預先設定。
[0017]所述參數入1與入2為:
【權利要求】
1.一種基于點通濾波的頻率相位混合解碼腦機接口方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)對輸入的SSVEP信號做N點FFT，得到初步譜分析結果X(k)，k= O，1，…，N-1,并搜索最高的兩處FFT譜線，分別記錄每簇譜線的譜峰位置k = Hl1與k = m2 ; (2)從預先設定的激勵頻率表f1;f2至fn中分別選出與Hi1 Λ f，m2 Λ f最接近的2個頻率，假設為與f2，確定參數λ i與λ 2，Λ f為頻率分辨率； (3)利用Hi1與入1值、!!12與λ2值以及卷積窗值w。(n)，配置長度為2Ν-1的點通FIR濾波器的系數g (η)； (4)用系數g(n)對SSVEP信號進行濾波得到y(η)； (5)對點通濾波輸出信號y(η)做？?1'，得到最終的譜分析結果￥(10，1^= 0，1，"％^1 ； (6)從峰值譜Y(Hi1)與Y(m2)上分別讀出相位值I與《V并分別進一步算出校正后的相位值務和色； (7)以f\、f2作為頻率解碼輸出，(A-色)作為相位解碼輸出，其中％為預先設定。
2.根據權利要求1所述的一種基于點通濾波的頻率相位混合解碼腦機接口方法，其特征在于，所述參數入1與入2為:
3.根據權利要求1所述的一種基于點通濾波的頻率相位混合解碼腦機接口方法，其特征在于，所述系數g (η)為
4.根據權利要求1所述的一種基于點通濾波的頻率相位混合解碼腦機接口方法，其特征在于，所述校正后的相位值和色為
φ' = ^1-1) / N 與 ijh; φ2—λ2%{Ν—\) /N D
5.一種基于點通濾波的頻率相位混合解碼腦機接口裝置，包括:模數轉化器，DSP器件和輸出驅動及其顯示模塊，其特征在于， 將采集到的信號x(t)經過所述模數轉化器采樣得到樣本序列X (η)，以并行數字輸入的形式進入所述DSP器件，經過所述DSP器件的內部處理，得到信號的參數估計；再借助所述輸出驅動及其顯示模塊顯示受試者發出的命令，最后外部設備響應對應的命令。
【文檔編號】H03H17/02GK104007823SQ201410255543
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】黃翔東, 孟天偉, 呂衛 申請人:天津大學