基于p300高性能bci打字机探究和实现

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1、基于P300高性能BCI打字机探究和实现　　摘要：随着科技的发展，人们对于计算机能力的提高日益强大，从而推动了人机交互技术的不断发展。类似于传统的人机交互方式（键盘，鼠标，遥控器等），脑机接口（BrainComputerInterface，BCI）技术同样也可以被当作成一种人机交互方式。在字符输入中，以往的诱发界面常用6×6矩阵（26个字母加10个阿拉伯数字），并按照一定顺序排列并以横、列方式进行闪烁，然后利用P300来分析所输入的字符。本文按照字母出现频率不同以一定方式组合成不同的诱发界面，通过对比找出高性能的BCI打字机。为以后BCI系统诱发界面应用中提供一些必

2、要的参考依据。关键字：脑机接口；P300；诱发界面中图分类号：TP335文献标识码：A1引言6随着科学技术的不断发展，人们对电脑的技术的依赖性不断加强以及对大脑功能的认识不断深入了解，由此出现了一个新型领域——脑机接口。当人们进行某种行为的时候，大脑中会产生相应的生理信号，并在头皮那里以不同电位的形式显示出来，这样可以通过一定的方法可以反映出人们的生理意图。它代替人体的神经系统和肌肉组织向外部传送大脑的信息和指令，从而有效的完成对外界的交流和控制任务，这就是脑机接口（BCI）。脑电图（EEG）是通过脑电图描记仪将人体脑部自身产生的微弱生物电放大记录而得到的曲线图。根

3、据系统所依赖的EEG成分的不同，BCI可分为多个类型，主要有稳态视觉诱发电位（SSVEP）、事件相关诱发电位（ERP）、运动想象（MI）等，其中常用于字符输入的主要是基于SSVEP和ERP。P300是一种事件相关电位，其峰值大约出现在事件发生后300ms，相关事件发生的概率越小，所引起的P300越显著，P300主要用于ERP中。当前诱发界面的P300—BCI大多数都是按正常字母的排列，又是以一定的横列闪烁方式，由于只有六行六列，事件发生的概率为1/6，所以P300的效果不是很明显，字符输入的效率就没那么高，并且用户在线实验久了，很容易产生视觉疲劳。在本研究中，研究者

4、设计并实现了基于P300的高性能虚拟键盘输入BCI系统，针对字母出现频率的不同，按照字母出现频率不同以一定方式进行组合成不同的诱发界面，闪烁方式对每个字符都是随机的，事件发生的概率为1/40，使事件出现的概率大大降低从而P300才会更加显著。2系统的实现2.1脑机接口系统的组成脑机接口系统主要由信号采集、信号处理、模式识别与分类、外部控制装置和反馈装置等部分组成。（如图1）62.2脑机接口系统的工作原理人脑P300电位的诱发可以通过心理学实验中经典的Oddball范式来实现：P300随小概率靶事件出现，事件概率越小，P300电位就越显著。如果能使用户选择的对象成为小

5、概率事件，则当此对象出现时，其EEG中就会出现P300电位。再通过检测P300发生时刻，就能判断用户的选择。在随机闪烁时，由于每个选项框闪烁的概率相等，当用户将其中的一块当做自己预想选择时，每个字符在一个round中随机闪烁一次，高性能界面有40个字符，并且每个字符是随机闪烁的，其概率为1/40，诱发出的P300电位将很明显。在随后的实验也验证了对字符输入的准确率有一定的提高。2.3高性能打字机的原理以往的诱发界面每输入一个round时需要多次用到P300，而该高性能打字机每输入一个round时只需用到一次P300；以往的诱发界面每个字符的输入都是需要同样多次的ro

6、und，而该高性能打字机当系统一旦确认受试者输入的字符之后，马上显示出来，并进行下一个字符输入，并不需要每个字符输入都需要进行相同次数的round。6字符输入界面一共有四十个字符，每个字符的排列方式是根据人眼看界面时第一眼看的通常是界面中心的这个常理，为了使实验效果更加显著，研究者把字符以一定的形式进行排列，闪烁时间的间隔是30ms。每个round之间的时间间隔是2000ms的空白，紧接着有3000ms的时间来在高性能界面上寻找输入的字符，这样可以让受试者在实验时不会因视觉疲劳而对实验产生一些不利的影响。在训练时，有足够的时间找到提示输入的字符，使字符的输入速率也大

7、大提高，随后的实验验证了该诱发界面的可行性。2.4P300命令的识别2.5工作过程在字符输入过程中，每一个界面选择阶段结束以后，用户界面向EEG处理程序发送闪烁完成的信息，然后进入等待状态。处理程序收到此信息后读取缓存区的EEG数据，进行分析判别后将对应的P300命令发送给界面。3高性能BCI诱发界面的设计笔者通过从收集的数据比较中得出结论，英文单词中出现频率较高的9个英文字母分别是：A、E、C、D、B、F、G、H、I，出现频率较低的7个字母分别是：Q6、R、V、W、V、X、Z。通过对如图2所示的传统六边形矩阵虚拟键盘诱发界面和入图3所示的传统6×6矩阵虚拟键盘