专利名称：基于稳态视觉诱发脑电波的计算机人机交互方法
技术领域：
本技术发明属于生物医学工程中神经工程学技术领域。
背景技术：
有关人的脑神经和脑电科学的研究表明和证实，某种频率(5-50次/秒)的光的闪烁或运动的视觉刺激，在脑电(EEG)中能诱发同频率及其谐波成分的电信号。根据这一重要生理特征，提取若干频度视觉刺激的脑电信号，经过编码组合，即可生成多种或复杂的控制电信号。
脑—机接口(Brain-Computer Interface，BCI)是神经工程、康复工程、生物医学工程领域近年来的一个研究热点。其出发点是提供一种脑与外界直接的交流通道，而不再依赖于传统的通过肢体动作的交互方式。根据前述的原理，利用视觉诱发电位(Visual EvokedPotential，VEP)的脑电信号，是实现这一目的的一个途径。
计算机强大的计算、控制和通讯功能是人所共知的。当前计算机的操作，主要是通过人手操作键盘、鼠标和显示屏的交互而实现的。基于脑—机接口技术的计算机交互控制方法，则用脑电信号取代肢体对实物键盘、鼠标的操作，实现人脑—计算机的交互界面。这种人机交互方式既可以帮助残疾人使用计算机，也可以用于正常人不便用手操作计算机的场合(如宇航员在飞船或太空仓中)。
发明内容
本发明设计的是一种基于稳态视觉诱发脑电的计算机人机交互方法。
本发明的特征在于，所述方法依次含有以下步骤步骤1把脑电电极安装在被试者头皮枕骨隆突的位置(见附图2)，把参考电极安在耳部，接地电极接地；步骤2用计算机屏幕边上的闪烁图标作为不同频率的闪烁光源，该光源发出的闪烁光刺激被试者，每种光源的闪烁频率对应着计算机中的一条控制信号通道，或是鼠标的一个动作命令，或是直接的控制信号，各种光源的闪烁频率各不相同，其闪烁频率在5～50赫兹间选取；步骤3当被试者专注于步骤2中的一种闪烁频率的光源时，在头皮上就能诱发出与该光源同频率及其谐波成分的脑电波；
步骤4步骤1中的脑电电极采集到这种稳态视觉刺激所诱发的脑电电波后，把该脑电电波依次通过放大器、模/数转换器，由USB或其它通用输入端口送入所述计算机的控制信号输入端，转化成计算机鼠标或者键盘的控制命令步骤41由输入计算机的脑电信号检测出主要频率成分；步骤42根据检测出的主要频率成分与设定的脑电频率与鼠标或者键盘动作的对应关系表，查出鼠标或者键盘的动作类别，输出相应的鼠标或者键盘动作。
实验表明，本方法可以有效地实现用脑电波控制计算机鼠标的移动和命令操作，最高信息传输率可以达到40比特/分钟，平均可达25比特/分钟。
本方法的特点是突破传统的计算机人机交互方式，提取人的视觉诱发的脑电，将大脑电活动信息转换成控制电信号，由此来实现对计算机的操作，或对电控设备，装置等的控制和操作。该系统及装置在诸多领域具有重大应用意义，既可以帮助残疾人使用计算机，也可以用于正常人不便用手操作计算机的场合(如宇航员在飞船或太空仓中)。
图1本发明的程序流程框图。
图2脑电电极位置图。
图3显示在计算机屏幕周边的不同闪烁频率的图标。
图4屏幕图标与鼠标动作的对应关系示例。
具体实施例方式
用本方法实现对计算机鼠标的控制实例，可以通过以下步骤实现(1)在计算机屏幕周边生成8个不同的图标，其闪烁频率分别为8-15赫兹。每一图标对应一个控制信号通道，或是鼠标的一个动作命令，或是直接的控制信号(参见附图3，附图4)；(2)将脑电电极安装在受试者的头皮上枕骨隆突的位置(附图2中的O1、O2或者附近的位置)，由此采集受试者的脑电信号，经通用的脑电放大器数模转换后，通过USB口送入计算机；(3)采用通用的快速傅立叶变换或其它频谱分析方法，检测出视觉诱发脑电中的主要频率成分f；(4)根据检测出的频率f和脑电频率与鼠标动作的对应关系表(见附图4)，计算机据此进行鼠标的移动和命令操作。实现对计算机的控制和应用，如打字、绘图和浏览网页等；(5)附图4中图标8“退出键”的设置，可以让受试者选择退出本发明的计算机程序，回到正常计算机操作方式。在控制外部设备时可以用来选择退出控制。
权利要求
1.基于稳态视觉诱发脑电波的计算机人机交互方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步骤步骤1 把脑电电极安装在被试者头皮枕骨隆突的位置，把参考电极安在耳部，接地电极接地；步骤2 用计算机屏幕边上的闪烁图标作为不同频率的闪烁光源，该光源发出的闪烁光刺激被试者，每种光源的闪烁频率对应着计算机中的一条控制信号通道，或是鼠标的一个动作命令，或是直接的控制信号，各种光源的闪烁频率各不相同，其闪烁频率在5～50赫兹间选取；步骤3 当被试者专注于步骤2中的一种闪烁频率的光源时，在头皮上就能诱发出与该光源同频率及其谐波成分的脑电波；步骤4 步骤1中的脑电电极采集到这种稳态视觉刺激所诱发的脑电电波后，把该脑电电波依次通过放大器、模/数转换器，由USB或其它通用输入端口送入所述计算机的控制信号输入端，转化成计算机鼠标或者键盘的控制命令步骤41 由输入计算机的脑电信号检测出主要频率成分；步骤42 根据检测出的主要频率成分与设定的脑电频率与鼠标或者键盘动作的对应关系表，查出鼠标或者键盘的动作类别，输出相应的鼠标或者键盘动作。
2.根据权利要求1所述的基于稳态视觉诱发脑电波的计算机人机交互方法，其特征在于所述不同频度的闪烁光源是计算机屏幕周边的不同频率闪烁的图标。
3.根据权利要求1所述的基于稳态视觉诱发脑电波的计算机人机交互方法，其特征在于步骤4.所述的控制信号由所述计算机的输出端口直接输出，用于控制其他外周设备。
全文摘要
本发明属于生物医学工程中神经工程学技术领域，其特征在于，该方法依次含有以下步骤把脑电极安装在被试者的头皮上；用不同频度的闪烁光刺激被试者，使得在被试者头皮上产生同频率及其谐波成分的脑电波；所述脑电波经放大、转换成数字信号后送往计算机分析，检测出主要频率成分，根据脑电频率与鼠标动作或控制命令的对应关系表，发出与被试者专注的闪光相应的鼠标动作或控制命令，从而实现人脑—计算机的交互界面。本发明既可以帮助残疾人使用计算机，也可以用于正常人不便用手操作计算机的场合，如宇航员在飞船或太空仓中操作计算机等。
文档编号G06F3/00GK1776572SQ200510126358
公开日2006年5月24日 申请日期2005年12月8日 优先权日2005年12月8日
发明者张志广, 高上凯, 高小榕, 洪波 申请人:清华大学