[發明專利]一種基于穩態視覺誘發電位腦機接口的字符輸入方法及系統

有效

• 申請號: 201410171291.0
• 申請日: 2014-04-25
• 公開（公告）號: CN103995582B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 魏慶國;盧宗武;李茂全
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06F3/0487
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司36115
• 代理人: 施秀瑾

技術領域

本發明涉及腦科學技術和計算機技術，更具體地說，本發明涉及腦機接口技術與字符輸入技術。

背景技術

人腦通過神經肌肉通道與外界通信或控制外部環境，而許多疾病可能破壞這些神經肌肉通道。例如，肌肉萎縮性側索硬化、腦干中風、脊髓損傷、腦癱、帕金森氏、多種硬化病以及其他許多疾病會損害控制肌肉的神經通道或損害肌肉本身。那些受到這些疾病嚴重影響的人可能會失去自主的肌肉控制，因而產生運動功能障礙，以至于不能與外界進行通信或控制外部設備。

腦機接口(Brain-Computer?Interface,BCI)監測用戶的腦活動，解讀用戶的意圖，并將用戶的意圖轉換為外部命令。作為一種新的、非肌肉的通信通道，BCI能夠使人直接通過大腦來表達思想或操縱設備，而不需要借助語言或肢體動作。對于嚴重的運動殘疾患者，BCI能夠將他們的意圖傳送到外部裝置，比如計算機、家用電器、護理設備以及神經假體等，從而改進他們的生活質量。

傳統的字符輸入方法，無論是基于鍵盤或鼠標，還是基于手寫或手勢，都需要健全的手指才能實現。對于那些遭受運動功能障礙以至于雙上肢殘疾的患者，這些方法都無能為力。為了解放雙手，實現不依賴于人手的字符輸入，人們發明了基于語音技術、視線跟蹤技術以及腦機接口技術的字符輸入方法。語音技術的局限是易受環境噪聲的影響，而視線跟蹤技術的缺點是視線點定位精度低。另外，視線跟蹤系統無法對用戶操作時有意和無意的目標選擇活動進行有效的區分，限制了這類系統的實際應用。

不同的腦電(Electroencephalography,EEG)信號分量，例如慢皮層電位、運動想象產生的mu/beta節律、事件相關P300電位、以及視覺誘發電位(Visual?Evoked?Potential,VEP)，都可以用作BCI的特征信號。其中，基于P300電位的BCI能夠提供足夠多的控制命令，實現一個控制命令輸入一個字符，因而大多數現有的腦拼寫器(Mental?Speller)使用P300電位作為BCI的特征信號。然而，基于P300電位的BCI存在兩個固有的缺點：一是當需輸入的字符數較多時，輸入一個字符所需要的時間較長，導致低的字符輸入速度；二是缺乏時間上和用戶之間的穩健性，導致低的字符輸入正確率。其中第一個缺點可通過其他技術進行彌補，而第二個缺點是難以克服的，使基于P300的BCI在實際應用中受到限制。在這些BCI實現方法中，基于VEP的BCI由于具有如下四個優點，因而獲得了越來越多的注意和重視：1)高的信息傳輸率；2)幾乎不需要用戶訓練；3)低的用戶變化率；4)易于使用。

VEP反映了大腦的視覺信息處理機制，是人眼對閃光刺激的一種響應。按照重復刺激的頻率不同，VEP可分為暫態VEP與穩態VEP。當視覺刺激的重復頻率較低時，兩次連續刺激引起的響應不會產生交迭，每次刺激產生的響應獨立于以前的刺激，這種響應稱為暫態VEP(Transient?VEP,TVEP)；當視覺刺激的重復頻率高于6Hz時，連續幾次刺激誘發的響應會迭加在一起，使大腦皮層神經元發放與刺激頻率同步，在枕區和頂區腦電活動的節律明顯增強，形成一種穩定的響應，稱為穩態VEP(Steady-State?VEP,SSVEP)。SSVEP具有與視覺刺激頻率相同的基波頻率及其諧波，其基波頻率可用特定的信號處理算法進行檢測。

SSVEP響應的幅度和相位重復視覺模式的頻率、強度和結構，這種視覺模式的重復既可以由計算機LCD顯示器產生，也可以由獨立于計算機的LED顯示器產生。由于受到屏幕刷新率和諧波頻率的制約，計算機LCD顯示器最多只能產生5個基于頻率編碼的刺激頻率(即控制命令)。為了增加可輸入字符的數目，基于LCD的字符輸入裝置要求一個自適應的策略創建一個圖形用戶接口(Graphic?User?Interface,GUI)，按照這個接口結合幾個命令輸入一個字符，導致低的字符輸入速度。

相比而言，一個獨立的LED視覺刺激器在結構上沒有限制，并能提供比LCD顯示器更強的視覺刺激。理論上，LED視覺刺激器能夠提供足夠的刺激目標，實現一個命令輸入一個字符；實際上，在一個面積受限的LED面板上，太多的刺激目標(即LED顯示器)導致相鄰刺激目標之間的間隔變小，引起刺激光源之間的相互干擾，嚴重影響刺激頻率的識別，從而降低字符輸入的正確率。因此，LED面板上刺激目標的多少應仔細考慮，刺激目標的數目應在輸入速度與精度上取得平衡。