專利名稱：基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電波的計算機人機交互方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程中神經(jīng)工程學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
有關(guān)人的腦神經(jīng)和腦電科學(xué)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(fā)同頻率及其諧波成分的電信號。根據(jù)這一重要生理特征，提取若干頻度視覺刺激的腦電信號，經(jīng)過編碼組合，即可生成多種或復(fù)雜的控制電信號。
腦—機接口(Brain-Computer Interface，BCI)是神經(jīng)工程、康復(fù)工程、生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域近年來的一個研究熱點。其出發(fā)點是提供一種腦與外界直接的交流通道，而不再依賴于傳統(tǒng)的通過肢體動作的交互方式。根據(jù)前述的原理，利用視覺誘發(fā)電位(Visual EvokedPotential，VEP)的腦電信號，是實現(xiàn)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(dāng)前計算機的操作，主要是通過人手操作鍵盤、鼠標(biāo)和顯示屏的交互而實現(xiàn)的。基于腦—機接口技術(shù)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、鼠標(biāo)的操作，實現(xiàn)人腦—計算機的交互界面。這種人機交互方式既可以幫助殘疾人使用計算機，也可以用于正常人不便用手操作計算機的場合(如宇航員在飛船或太空倉中)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)計的是一種基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電的計算機人機交互方法。
本發(fā)明的特征在于，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(biāo)作為不同頻率的閃爍光源，該光源發(fā)出的閃爍光刺激被試者，每種光源的閃爍頻率對應(yīng)著計算機中的一條控制信號通道，或是鼠標(biāo)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??；步驟3當(dāng)被試者專注于步驟2中的一種閃爍頻率的光源時，在頭皮上就能誘發(fā)出與該光源同頻率及其諧波成分的腦電波；
步驟4步驟1中的腦電電極采集到這種穩(wěn)態(tài)視覺刺激所誘發(fā)的腦電電波后，把該腦電電波依次通過放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，由USB或其它通用輸入端口送入所述計算機的控制信號輸入端，轉(zhuǎn)化成計算機鼠標(biāo)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(jù)檢測出的主要頻率成分與設(shè)定的腦電頻率與鼠標(biāo)或者鍵盤動作的對應(yīng)關(guān)系表，查出鼠標(biāo)或者鍵盤的動作類別，輸出相應(yīng)的鼠標(biāo)或者鍵盤動作。
實驗表明，本方法可以有效地實現(xiàn)用腦電波控制計算機鼠標(biāo)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(tǒng)的計算機人機交互方式，提取人的視覺誘發(fā)的腦電，將大腦電活動信息轉(zhuǎn)換成控制電信號，由此來實現(xiàn)對計算機的操作，或?qū)﹄娍卦O(shè)備，裝置等的控制和操作。該系統(tǒng)及裝置在諸多領(lǐng)域具有重大應(yīng)用意義，既可以幫助殘疾人使用計算機，也可以用于正常人不便用手操作計算機的場合(如宇航員在飛船或太空倉中)。


圖1本發(fā)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(biāo)。
圖4屏幕圖標(biāo)與鼠標(biāo)動作的對應(yīng)關(guān)系示例。
具體實施例方式
用本方法實現(xiàn)對計算機鼠標(biāo)的控制實例，可以通過以下步驟實現(xiàn)(1)在計算機屏幕周邊生成8個不同的圖標(biāo)，其閃爍頻率分別為8-15赫茲。每一圖標(biāo)對應(yīng)一個控制信號通道，或是鼠標(biāo)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)，由此采集受試者的腦電信號，經(jīng)通用的腦電放大器數(shù)模轉(zhuǎn)換后，通過USB口送入計算機；(3)采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(fā)腦電中的主要頻率成分f；(4)根據(jù)檢測出的頻率f和腦電頻率與鼠標(biāo)動作的對應(yīng)關(guān)系表(見附圖4)，計算機據(jù)此進行鼠標(biāo)的移動和命令操作。實現(xiàn)對計算機的控制和應(yīng)用，如打字、繪圖和瀏覽網(wǎng)頁等；(5)附圖4中圖標(biāo)8“退出鍵”的設(shè)置，可以讓受試者選擇退出本發(fā)明的計算機程序，回到正常計算機操作方式。在控制外部設(shè)備時可以用來選擇退出控制。
權(quán)利要求
1.基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電波的計算機人機交互方法，其特征在于，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(biāo)作為不同頻率的閃爍光源，該光源發(fā)出的閃爍光刺激被試者，每種光源的閃爍頻率對應(yīng)著計算機中的一條控制信號通道，或是鼠標(biāo)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??；步驟3 當(dāng)被試者專注于步驟2中的一種閃爍頻率的光源時，在頭皮上就能誘發(fā)出與該光源同頻率及其諧波成分的腦電波；步驟4 步驟1中的腦電電極采集到這種穩(wěn)態(tài)視覺刺激所誘發(fā)的腦電電波后，把該腦電電波依次通過放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，由USB或其它通用輸入端口送入所述計算機的控制信號輸入端，轉(zhuǎn)化成計算機鼠標(biāo)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(jù)檢測出的主要頻率成分與設(shè)定的腦電頻率與鼠標(biāo)或者鍵盤動作的對應(yīng)關(guān)系表，查出鼠標(biāo)或者鍵盤的動作類別，輸出相應(yīng)的鼠標(biāo)或者鍵盤動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電波的計算機人機交互方法，其特征在于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(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電波的計算機人機交互方法，其特征在于步驟4.所述的控制信號由所述計算機的輸出端口直接輸出，用于控制其他外周設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程中神經(jīng)工程學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，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(chǎn)生同頻率及其諧波成分的腦電波；所述腦電波經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送往計算機分析，檢測出主要頻率成分，根據(jù)腦電頻率與鼠標(biāo)動作或控制命令的對應(yīng)關(guān)系表，發(fā)出與被試者專注的閃光相應(yīng)的鼠標(biāo)動作或控制命令，從而實現(xiàn)人腦—計算機的交互界面。本發(fā)明既可以幫助殘疾人使用計算機，也可以用于正常人不便用手操作計算機的場合，如宇航員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(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者張志廣, 高上凱, 高小榕, 洪波 申請人:清華大學(xué)