基於穩態視覺誘發腦電波的計算機人機互動方法
2023-05-06 20:40:36 1
專利名稱：基於穩態視覺誘發腦電波的計算機人機互動方法
技術領域：
本技術發明屬於生物醫學工程中神經工程學技術領域。
背景技術：
有關人的腦神經和腦電科學的研究表明和證實，某種頻率(5-50次/秒)的光的閃爍或運動的視覺刺激，在腦電(EEG)中能誘發同頻率及其諧波成分的電信號。根據這一重要生理特徵，提取若干頻度視覺刺激的腦電信號，經過編碼組合，即可生成多種或複雜的控制電信號。
腦—機接口(Brain-Computer Interface，BCI)是神經工程、康復工程、生物醫學工程領域近年來的一個研究熱點。其出發點是提供一種腦與外界直接的交流通道，而不再依賴於傳統的通過肢體動作的交互方式。根據前述的原理，利用視覺誘發電位(Visual EvokedPotential，VEP)的腦電信號，是實現這一目的的一個途徑。
計算機強大的計算、控制和通訊功能是人所共知的。當前計算機的操作，主要是通過人手操作鍵盤、滑鼠和顯示屏的交互而實現的。基於腦—機接口技術的計算機交互控制方法，則用腦電信號取代肢體對實物鍵盤、滑鼠的操作，實現人腦—計算機的交互界面。這種人機互動方式既可以幫助殘疾人使用計算機，也可以用於正常人不便用手操作計算機的場合(如太空人在飛船或太空倉中)。
發明內容
本發明設計的是一種基於穩態視覺誘發腦電的計算機人機互動方法。
本發明的特徵在於，所述方法依次含有以下步驟步驟1把腦電電極安裝在被試者頭皮枕骨隆突的位置(見附圖2)，把參考電極安在耳部，接地電極接地；步驟2用計算機屏幕邊上的閃爍圖標作為不同頻率的閃爍光源，該光源發出的閃爍光刺激被試者，每種光源的閃爍頻率對應著計算機中的一條控制信號通道，或是滑鼠的一個動作命令，或是直接的控制信號，各種光源的閃爍頻率各不相同，其閃爍頻率在5～50赫茲間選取；步驟3當被試者專注於步驟2中的一種閃爍頻率的光源時，在頭皮上就能誘發出與該光源同頻率及其諧波成分的腦電波；
步驟4步驟1中的腦電電極採集到這種穩態視覺刺激所誘發的腦電電波後，把該腦電電波依次通過放大器、模/數轉換器，由USB或其它通用輸入埠送入所述計算機的控制信號輸入端，轉化成計算機滑鼠或者鍵盤的控制命令步驟41由輸入計算機的腦電信號檢測出主要頻率成分；步驟42根據檢測出的主要頻率成分與設定的腦電頻率與滑鼠或者鍵盤動作的對應關係表，查出滑鼠或者鍵盤的動作類別，輸出相應的滑鼠或者鍵盤動作。
實驗表明，本方法可以有效地實現用腦電波控制計算機滑鼠的移動和命令操作，最高信息傳輸率可以達到40比特/分鐘，平均可達25比特/分鐘。
本方法的特點是突破傳統的計算機人機互動方式，提取人的視覺誘發的腦電，將大腦電活動信息轉換成控制電信號，由此來實現對計算機的操作，或對電控設備，裝置等的控制和操作。該系統及裝置在諸多領域具有重大應用意義，既可以幫助殘疾人使用計算機，也可以用於正常人不便用手操作計算機的場合(如太空人在飛船或太空倉中)。
圖1本發明的程序流程框圖。
圖2腦電電極位置圖。
圖3顯示在計算機屏幕周邊的不同閃爍頻率的圖標。
圖4屏幕圖標與滑鼠動作的對應關係示例。
具體實施例方式
用本方法實現對計算機滑鼠的控制實例，可以通過以下步驟實現(1)在計算機屏幕周邊生成8個不同的圖標，其閃爍頻率分別為8-15赫茲。每一圖標對應一個控制信號通道，或是滑鼠的一個動作命令，或是直接的控制信號(參見附圖3，附圖4)；(2)將腦電電極安裝在受試者的頭皮上枕骨隆突的位置(附圖2中的O1、O2或者附近的位置)，由此採集受試者的腦電信號，經通用的腦電放大器數模轉換後，通過USB口送入計算機；(3)採用通用的快速傅立葉變換或其它頻譜分析方法，檢測出視覺誘發腦電中的主要頻率成分f；(4)根據檢測出的頻率f和腦電頻率與滑鼠動作的對應關係表(見附圖4)，計算機據此進行滑鼠的移動和命令操作。實現對計算機的控制和應用，如打字、繪圖和瀏覽網頁等；(5)附圖4中圖標8「退出鍵」的設置，可以讓受試者選擇退出本發明的電腦程式，回到正常計算機操作方式。在控制外部設備時可以用來選擇退出控制。
權利要求
1.基於穩態視覺誘發腦電波的計算機人機互動方法，其特徵在於，所述方法依次含有以下步驟步驟1 把腦電電極安裝在被試者頭皮枕骨隆突的位置，把參考電極安在耳部，接地電極接地；步驟2 用計算機屏幕邊上的閃爍圖標作為不同頻率的閃爍光源，該光源發出的閃爍光刺激被試者，每種光源的閃爍頻率對應著計算機中的一條控制信號通道，或是滑鼠的一個動作命令，或是直接的控制信號，各種光源的閃爍頻率各不相同，其閃爍頻率在5～50赫茲間選取；步驟3 當被試者專注於步驟2中的一種閃爍頻率的光源時，在頭皮上就能誘發出與該光源同頻率及其諧波成分的腦電波；步驟4 步驟1中的腦電電極採集到這種穩態視覺刺激所誘發的腦電電波後，把該腦電電波依次通過放大器、模/數轉換器，由USB或其它通用輸入埠送入所述計算機的控制信號輸入端，轉化成計算機滑鼠或者鍵盤的控制命令步驟41 由輸入計算機的腦電信號檢測出主要頻率成分；步驟42 根據檢測出的主要頻率成分與設定的腦電頻率與滑鼠或者鍵盤動作的對應關係表，查出滑鼠或者鍵盤的動作類別，輸出相應的滑鼠或者鍵盤動作。
2.根據權利要求1所述的基於穩態視覺誘發腦電波的計算機人機互動方法，其特徵在於所述不同頻度的閃爍光源是計算機屏幕周邊的不同頻率閃爍的圖標。
3.根據權利要求1所述的基於穩態視覺誘發腦電波的計算機人機互動方法，其特徵在於步驟4.所述的控制信號由所述計算機的輸出埠直接輸出，用於控制其他外周設備。
全文摘要
本發明屬於生物醫學工程中神經工程學技術領域，其特徵在於，該方法依次含有以下步驟把腦電極安裝在被試者的頭皮上；用不同頻度的閃爍光刺激被試者，使得在被試者頭皮上產生同頻率及其諧波成分的腦電波；所述腦電波經放大、轉換成數位訊號後送往計算機分析，檢測出主要頻率成分，根據腦電頻率與滑鼠動作或控制命令的對應關係表，發出與被試者專注的閃光相應的滑鼠動作或控制命令，從而實現人腦—計算機的交互界面。本發明既可以幫助殘疾人使用計算機，也可以用於正常人不便用手操作計算機的場合，如太空人在飛船或太空倉中操作計算機等。
文檔編號G06F3/00GK1776572SQ200510126358
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月8日 優先權日2005年12月8日
發明者張志廣, 高上凱, 高小榕, 洪波 申請人:清華大學