一种无需硬件连接的脑电事件同步方法技术

本发明专利技术公开了一种无需硬件连接的脑电事件同步方法。本发明专利技术利用大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位具有个体内与个体间的稳定性，通过计算刺激事件时间序列与脑电时间序列互相关函数得到极大值，从而确定视觉诱发电位的时间序列在整段脑电时间序列中的起始位置，然后通过固定的视觉诱发电位的时间延迟得到刺激事件序列的首次刺激事件起始时刻，从而确定后续所有脑电时间序列的刺激事件起始时刻，从而实现脑电记录与刺激事件的同步。本发明专利技术利用脑电数据自身的特性作为时间标记工具，减小信号传输造成的不利影响。本发明专利技术不需连接额外的硬件装置，适用于无线脑电和移动条件下的诱发脑电测量；使用不受环境和设备型号限制，节省设备成本，避免硬件误差。

【技术实现步骤摘要】
一种无需硬件连接的脑电事件同步方法
本专利技术涉及脑电事件同步技术，具体涉及一种无需硬件连接的脑电事件同步方法。
技术介绍
大脑作为人体的神经中枢，负责了个体语言、运动、视觉、感知等重要功能，不同外界信息刺激会在一定时间内诱发不同功能区域或功能网络的脑电活动，分析、利用这种刺激事件与脑电活动之间的特异性关系，成为了神经科学研究的关键内容。在临床诊疗、脑科学研究以及脑机接口等领域，对脑电活动中诱发电位进行测量并精确定时是后续研究的基础，但是单独的诱发电位非常微弱，不易测量，所以通常需要将视听等刺激事件的起始时刻与脑电数据同步记录，再以刺激事件起始时刻为标志对多次试验数据叠加平均，才能得到较强的平均诱发电位。因此，在进行脑电信号中诱发电位的测量分析中，刺激事件同步至关重要。实现脑电信号中诱发电位的刺激事件同步，最核心的逻辑是：每次进行视听刺激时，同时在脑电数据中增加事件标记，通过这些标记完成事件同步。为了达到精确同步，这些事件标记必须具有稳定、精确、易于提取等特征。现有的脑电事件同步有两种方式，一种是外接刺激事件标记装置，即在进行诱发脑电实验时，脑电记录器除了接收所采集的脑电数据外同时接收刺激事件标记装置发送的事件标记，并在时间维度上将二者信息融合，发送至数据处理模块；另一种是利用被试自身生理信号，如肌电、眼电等，也就是在进行脑电记录的同时记录其它与刺激事件有明确相关性的生理信号，然后将二者在时间维度融合，最终利用这些生理信号达到脑电事件同步。外接刺激事件标记装置是一种基于硬件连接的脑电事件同步，外接刺激事件标记装置通常与电脑并/串口或者传感器连接，将电脑刺激事件程序发送的指令或者传感器采集到的刺激事件信号(包括声、光、动作等)转换为数字信号，通过特定通讯协议发送至脑电采集装置，与当前采集的脑电数据融合，完成刺激事件在脑电信息上的标记，从而实现每次实验的脑电事件同步。这种方法属于传统经典的同步手段，具有较好的稳定性，而且依靠先进的硬件技术和适当的通讯协议可以达到毫秒级的同步精度，目前在科研、临床及工程中应用众多。比如，胥红来等人已申请的专利“一种脑电装置的精确无线同步方法”(CN106332268(A))便是此类技术。如图1所示：设计黑白翻转棋盘格(3)(checkerboardpattern)刺激程序，包括on/off两种模式，分别对应翻转/静止状态，每秒翻转2次，持续15秒；被试位于显示器(1)前，注视显示器中央位置，采集电极(2)按照国际10-20标准放置准则放置；通过显示器(1)向被试显示黑白翻转棋盘格刺激，外接的刺激事件同步标记装置(7)同步发送刺激事件起始时刻标记；通过被试大脑枕区位置的头皮电极(4)，采集被试头皮脑电；脑电放大器(5)同时记录刺激事件起始标记信号与采集的脑电数据，最终传送到数据处理计算机(6)中；数据处理计算机中根据已有的事件标记对脑电数据中的诱发脑电进行处理、分析。这种外接刺激事件标记装置的同步方式，整套脑电事件实验系统需要增加此硬件装置，增加了系统的复杂度和成本；由于通讯协议及数据接口限制，特定厂家型号的装置往往具有特定适用对象，不能做到一对多的完全兼容；使用同步器的标记信号作为脑电事件同步依据，需假设每次同步器的反应时间一致，而且脑电采集器采集到脑电数据的时间与真实大脑响应之间的延迟时间稳定，可是这种假设往往是很难实现的。利用被试自身生理信号是一种利用被试自身生理信号进行刺激事件同步的方法。在某些脑电的诱发电位实验中，被试不但会产生脑电响应，还会产生相应的肌肉变化(比如含有运动任务)，同时将被试的肌电(眼动)信号与脑电信号传送至数据处理模块，通过阈值设定提取有效的肌电(眼动)响应，如果确定了肌电(眼动)时间，就可以将这个时刻作为刺激事件的起始时刻，从而达到刺激事件标记，实现每次实验的刺激事件同步。这种方法直接利用被试内部生理信号，不依赖于外部设备，避免了外部设备的反应延迟和硬件适用限制等问题，比如，李诸洋等人的文章中介绍眼动与脑电同步记录技术的部分应用(李诸洋，刘璐.眼动与脑电同步记录技术在心理语言学研究中的新进展[J].心理科学,2017,40(4):850-855)。这种利用被试自身生理信号的同步方式需被试同时产生神经和肌肉活动，适用的实验范式有明显局限性；肌电(眼动)需要额外导联单独记录；虽然也是被试的内部生理信号，可以规避外部硬件反应延迟问题，但其采集方式、部位、提取方法等易对结果造成影响，而且同样无法规避大脑每次刺激响应的不稳定性问题。
技术实现思路
针对目前基于外接硬件设备的脑电事件同步方法，需连接硬件设备、组成复杂、成本高等缺陷，以及基于肌电(眼动)等生理信号的脑电事件同步方法，适用实验范式局限、需额外记录等缺陷，本专利技术提出了一种无需硬件连接的脑电事件同步方法。本专利技术的无需硬件连接的脑电事件同步方法，包括以下步骤：1)得到原始的刺激事件的时间序列X(t)和原始的脑电信号y(t)，t为时间；2)对原始的脑电信号y(t)进行滤波、去基线漂移和降噪处理，得到脑电的时间序列Y(t)：3)对脑电的时间序列Y(t)进行降采样处理，得到低采样率的脑电时间序列Y(0)，......，Y(Tf)，其中，T为采样时间，f为采样频率；4)按照采样时间和采样频率，对原始的刺激事件的时间序列X(t)进行离散赋值，得到离散化的刺激事件时间序列，X(0)，...，X(T′f)，T′为刺激的总时间，T′＜T，并且离散化的刺激事件时间序列的时间周期与原始的刺激事件的时间周期相同；5)对已知的离散化的刺激事件的时间序列和降采样后的脑电时间序列计算互相关函数R(τ)，数字信号处理领域的互相关函数计算公式为：其中，τ为时间延迟，n＝0，...，N-1，N为离散化的刺激事件的时间序列和降采样后的脑电时间序列的总长度，通过计算R(τ)能够得到X(n)与Y(n+τ)在不同的时间延迟下的相似性，如果原变量超出原序列的长度进行补零处理；6)分布在大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位对黑白翻转模式响应显著，并且同时具有个体内与个体间的稳定性，因此视觉诱发电位的时间序列与刺激事件的时间序列具有相同的时间周期，并且互相关函数的极大值能够体现视觉诱发电位的时间序列与刺激事件时间序列的相同的时间周期性，也就是视觉诱发电位的时间序列与刺激事件时间序列的最大相关程度，因此，只要在互相关函数的结果中确定极大值的位置，即找到与刺激事件时间序列具有最大相关性的响应序列，也就是视觉诱发电位的时间序列，从而就确定了刺激事件时间序列中的首次刺激所产生的视觉诱发电位在整段脑电时间序列中的位置t′erp；7)每个个体的大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位距离刺激事件的起始时刻的延迟时间Δt比较稳定，所以在整段脑电数据中确定视觉诱发电位的位置后，即能够反向推算出刺激事件起始的相对位置，设定视觉诱发电位的延迟时间Δt‘为固定时间，则根据刺激事件时间序列中首次刺激所产生的视觉诱发电位在整段脑电时间序列中的位置t′erp，确定首次刺激事件的起始时刻t′本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无需硬件连接的脑电事件同步方法，其特征在于，所述脑电事件同步方法包括以下步骤：/n1)得到原始的刺激事件的时间序列X(t)和原始的脑电信号y(t)，t为时间；/n2)对原始的脑电信号y(t)进行滤波、去基线漂移和降噪处理，得到脑电的时间序列Y(t)；/n3)对脑电的时间序列Y(t)进行降采样处理，得到低采样率的脑电时间序列Y(0)，……，Y(Tf)，其中，T为采样时间，f为采样频率；/n4)按照采样时间和采样频率，对原始的刺激事件的时间序列X(t)进行离散赋值，得到离散化的刺激事件时间序列，X(0)，...，X(T′f)，T′为刺激的总时间，T′＜T，并且离散化的刺激事件时间序列的时间周期与原始的刺激事件的时间周期相同；/n5)对已知的离散化的刺激事件的时间序列和降采样后的脑电时间序列计算互相关函数R(τ)，数字信号处理领域的互相关函数计算公式为：/n

【技术特征摘要】
1.一种无需硬件连接的脑电事件同步方法，其特征在于，所述脑电事件同步方法包括以下步骤：
1)得到原始的刺激事件的时间序列X(t)和原始的脑电信号y(t)，t为时间；
2)对原始的脑电信号y(t)进行滤波、去基线漂移和降噪处理，得到脑电的时间序列Y(t)；
3)对脑电的时间序列Y(t)进行降采样处理，得到低采样率的脑电时间序列Y(0)，……，Y(Tf)，其中，T为采样时间，f为采样频率；
4)按照采样时间和采样频率，对原始的刺激事件的时间序列X(t)进行离散赋值，得到离散化的刺激事件时间序列，X(0)，...，X(T′f)，T′为刺激的总时间，T′＜T，并且离散化的刺激事件时间序列的时间周期与原始的刺激事件的时间周期相同；
5)对已知的离散化的刺激事件的时间序列和降采样后的脑电时间序列计算互相关函数R(τ)，数字信号处理领域的互相关函数计算公式为：



其中，τ为时间延迟，n＝0，...，N-1，N为离散化的刺激事件的时间序列和降采样后的脑电时间序列的总长度，通过计算R(τ)能够得到X(n)与Y(n+τ)在不同的时间延迟下的相似性，如果原变量超出原序列的长度进行补零处理；
6)分布在大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位对黑白翻转模式响应显著，并且同时具有个体内与个体间的稳定性，因此视觉诱发电位的时间序列与刺激事件的时间序列具有相同的时间周期，并且互相关函数的极大值能够体现视觉诱发电位的时间序列与刺激事件时间序列的相同的时间周期性，也就是视觉诱发电位的时间序列与刺激事件时间序列的最大相关程度，因此，只要在互相关函数的结果中确定极大值的位置，即找到与刺激事件时间序列具有最大相关性的响应序列，也就是视觉诱发电位的时间序列，从而就确定了刺激事件时间序列中的首次刺激所产生的视觉诱发电位在整段脑电时间序列中的位置t′erp；
7)每个个体的大脑初级视觉皮层的视觉诱发电位距离刺激事件的起始时刻的延迟时间Δt比较稳定，所以在整段脑电数据中确定视觉诱发电位的位置后，即能够反向推算出刺激事件起始的相对位置，设定视觉诱发电位的延迟时间Δt‘为固定时间，则根据刺激事件时间序列中首次刺激所产生的视觉诱发电位...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪波，王朝，刘定坤，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11