專利名稱：腦波人機(jī)界面的視覺驅(qū)動方法、控制方法及控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人機(jī)界面的視覺驅(qū)動方法、控制方法及控制系統(tǒng)，特別是涉及 一種閃光順序穩(wěn)定而能讓使用者方便觀看且能快速辨識的腦波人機(jī)界面的視覺驅(qū)動方 法、控制方法及控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(ALS)、腦中風(fēng)、頭部損傷、多發(fā)性硬化癥和肌肉營 養(yǎng)不良等病患，由于無法表達(dá)自我的意愿、與人溝通、傳達(dá)喜怒哀樂、自主行動及自我 照護(hù)，并具有與外界溝通的障礙；因此，各國的研發(fā)人員都試圖發(fā)展不需要依賴肌肉和 神經(jīng)的溝通技術(shù)，其中一種可行的方法是使用腦電信號(EEG)以作為使用者傳達(dá)意念的 控制信號，這樣的技術(shù)被稱為腦波人機(jī)界面(Brain Computer Interface ；簡稱BCI)，而一 個好的腦波人機(jī)界面必須先包含下列要件良好的觸發(fā)條件以誘發(fā)穩(wěn)定的腦波信號、良 好的信號處理程序以萃取正確的腦波信號，以及適當(dāng)?shù)妮敵隹刂蒲b置。目前應(yīng)用視覺誘發(fā)電位(Visual Evoked Potential, VEP)的腦波人機(jī)界面的技術(shù)包 括一、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(Steady-state Visual Evoked Potential，SSVEP)主要利
用目標(biāo)物的不同閃爍頻率而誘發(fā)出來的電位進(jìn)行控制，相關(guān)研究有大陸清華大學(xué)電機(jī)系 的陳明、高小榕等人利用穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位作為輸出以控制屏幕的光標(biāo)。二、閃爍視覺誘發(fā)電位(Flash Visual Evoked potential，F(xiàn)VEP)閃爍視覺誘發(fā)電
位系統(tǒng)與穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位系統(tǒng)不同之處在于利用隨機(jī)編碼方式產(chǎn)生閃光序列，由于具 有較多的閃光刺激，因此可增加選項數(shù)量。但是，現(xiàn)有腦波人機(jī)界面技術(shù)會衍生下述缺失—、現(xiàn)有穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位系統(tǒng)缺點(diǎn)是使用不同頻率誘發(fā)使用者的穩(wěn)態(tài)視覺誘 發(fā)電位，頻率落差大造成視野畫面凌亂、不同選項之間信號處理和驗證時間差異很大、 提供的選項數(shù)目受限、高頻率解析度需要較長的時間驗證，及使用傅立葉轉(zhuǎn)換技術(shù)，運(yùn) 算量大，系統(tǒng)需求高。二、閃爍視覺誘發(fā)電位系統(tǒng)的缺點(diǎn)是視野畫面的閃光順序凌亂、易受其它生理 信號的干擾、較不穩(wěn)定及慢速的辨識時間。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有腦波人機(jī)界面技術(shù)的視野畫面的閃光順序凌亂的問題，本發(fā)明提 供一種閃光順序穩(wěn)定而能讓使用者方便觀看且能快速辨識的腦波人機(jī)界面的視覺驅(qū)動方法。本發(fā)明腦波人機(jī)界面的視覺驅(qū)動方法解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是顯 示多個閃爍光源供使用者觀看，且各閃爍光源的閃光時序是利用時間延遲來達(dá)成不同相 位編碼，以達(dá)到使用者最舒適的顯示目的。
為了克服現(xiàn)有技術(shù)運(yùn)算量大且辨識速度慢的問題，本發(fā)明提供一種有利于快速 辨識的腦波人機(jī)界面的控制方法及控制系統(tǒng)。本發(fā)明腦波人機(jī)界面的控制方法解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是a.顯示 多個閃爍光源供使用者觀看，且各閃爍光源的閃光時序是利用時間延遲來達(dá)成不同相位 編碼；b.量測使用者的視覺誘發(fā)腦波信號；c.計算腦波信號的頻率成分與相位；d.辨識 受誘發(fā)腦波信號主要頻率與相位與閃爍光源的相關(guān)性；及e.輸出對應(yīng)于該腦波信號的控 制信號。本發(fā)明腦波人機(jī)界面的控制系統(tǒng)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是控制系 統(tǒng)具有一閃光裝置、一量測裝置、一計算裝置、一辨識裝置及一控制裝置；閃光裝置顯 示多個閃爍光源供使用者觀看，且各閃爍光源的閃光時序是利用時間延遲來達(dá)成不同相 位編碼；量測裝置量測使用者的視覺誘發(fā)腦波信號；計算裝置計算腦波信號的頻率成分 與相位；辨識裝置依據(jù)計算裝置得到的腦波信號之頻率成分與相位與一預(yù)先建立的樣板 資料庫比對以辨識受誘發(fā)腦波信號與閃爍光源的主要頻率與相位的相關(guān)性；控制裝置輸 出相關(guān)于各閃爍光源相對應(yīng)的操作控制指令。本發(fā)明腦波人機(jī)界面的控制方法及控制系統(tǒng)的有益效果是一、閃光裝置以相位編碼方式進(jìn)行視覺刺激并配合使用可調(diào)整的亮、暗周期閃 光，增加系統(tǒng)使用時的舒適度。二、計算裝置在時間域上處理頻率域的問題，運(yùn)算量小、速度快且辨識率高。


圖1是一系統(tǒng)方塊圖，說明本發(fā)明優(yōu)選實施例的腦波人機(jī)界面的控制系統(tǒng)用于 控制周邊裝置；圖2是一示意圖，說明可程式化晶片所產(chǎn)生的序列是采用兩種頻率搭配四種相 位而成的八個閃光信號；圖3是一示意圖，說明每一個數(shù)字選項的閃光的亮暗周期可以隨使用者進(jìn)行調(diào) 整；圖4是一示意圖，說明每一個數(shù)字選項的閃光的亮暗周期可以隨使用者進(jìn)行調(diào) 整；圖5是一流程圖，說明本發(fā)明腦波人機(jī)界面的控制方法；圖6是一流程圖，說明計算腦波信號的頻率成分與相位及辨識受誘發(fā)腦波信號 與閃爍光源的主要頻率與相位的相關(guān)性的詳細(xì)步驟。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明 參閱圖1，本發(fā)明優(yōu)選實施例的腦波人機(jī)界面的控制系統(tǒng)100用于控制一周邊 裝置2，控制系統(tǒng)100具有一閃光裝置11、一量測裝置12、一計算裝置13、一辨識裝置 14、一控制裝置15及一樣版資料庫16。閃光裝置11具有一可程式化晶片110及供一使用者5觀看的多個閃爍光源111 118，各閃爍光源111 118的閃光時序是利用可程式化晶片110控制時間延遲來達(dá)成不同相位編碼。本發(fā)明腦波人機(jī)界面的視覺驅(qū)動方法采用的相位編碼原理是將一正弦波數(shù) 學(xué)式S(t) = Sin(cot+e)中的相位角(Θ)等于角速度(ω)乘上時間常數(shù)(t')，即
可等效成S(t) = sin — t+on' ) = sin( (t+t'))，再經(jīng)由變數(shù)變換令= + ’，可得 =由前述可知，該正弦波數(shù)學(xué)式可表示為彳令-O = Sin(^yt),代表經(jīng)
由時間的延遲可產(chǎn)生帶有該相位角(Θ)的正弦波函數(shù)，也就是本發(fā)明所需的閃光序列相 位角(θ )可利用時間延遲來達(dá)成。本實施例中，腦波人機(jī)界面的視覺驅(qū)動方法是依據(jù)前述原理由可程式化晶片110 執(zhí)行，且藉由公式1、公式2來做相位編碼，其中公式1所示的該θ η為一通道編號η的 相位角，該χ為閃爍光源的數(shù)量。
權(quán)利要求
1.一種腦波人機(jī)界面的視覺驅(qū)動方法，是利用閃光序列觸發(fā)使用者的視覺誘發(fā)電位 以進(jìn)行后續(xù)控制；其特征在于所述方法是顯示多個閃爍光源供使用者觀看，且各閃爍 光源的閃光時序是利用時間延遲來達(dá)成不同相位編碼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦波人機(jī)界面的視覺驅(qū)動方法，其特征在于所述閃爍光 源的閃光時序藉由以下的公式1及公式2來做相位編碼民=—x(”-l)公式 1;JC =·^ = ^、^^ = ^—1)公式 ωγη 2 Jm χχ所述的公式1揭示的θ η為一通道編號η的相位角，χ為閃爍光源的數(shù)量，公式2揭 示的to是通道編號η的延遲時間，tm為該信道的閃爍周期，且to即該閃爍頻率fm的倒數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的腦波人機(jī)界面的視覺驅(qū)動方法，其特征在于所述閃爍光 源的將不同頻率以交錯的方式排列使得鄰近的閃爍光源為不同頻率。
4.一種腦波人機(jī)界面的控制方法，是利用閃光序列觸發(fā)使用者的視覺誘發(fā)電位以進(jìn) 行后續(xù)控制；其特征在于所述方法包含下述步驟a.顯示多個閃爍光源供使用者觀看，且各閃爍光源的閃光時序是利用時間延遲來達(dá) 成不同相位編碼；b.量測使用者的視覺誘發(fā)腦波信號；c.計算腦波信號的頻率成分與相位；d.依據(jù)步驟C得到的腦波信號的頻率成分與相位與一預(yù)先建立的樣板資料庫比對以辨 識受誘發(fā)腦波信號與閃爍光源的主要頻率與相位的相關(guān)性；及e.執(zhí)行相關(guān)于各閃爍光源相對應(yīng)的操作控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的腦波人機(jī)界面的控制方法，其特征在于所述閃爍光源的 閃光時序藉由以下的公式1及公式2來做相位編碼民=—χ("-ι)公式 1; χθη 1 2π(η- ) tm . 1λ tn =——= T-^-X-- = —2； ωγη 2 π- Jm χ χ所述的公式1揭示的θ η為一通道編號η的相位角，χ為閃爍光源的數(shù)量，公式2揭 示的tn是通道編號η的延遲時間，tm為該信道的閃爍周期，且tm即該閃爍頻率fm的倒數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的腦波人機(jī)界面的控制方法，其特征在于所述步驟a的閃爍 光源的將不同頻率以交錯的方式排列使得鄰近的閃爍光源為不同頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的腦波人機(jī)界面的控制方法，其特征在于所述步驟c是將 符合的信號經(jīng)過不同頻帶的帶通濾波器，然后，將視覺誘發(fā)電位與閃光序列作比對；接 著，以閃光序列為基準(zhǔn)對信號進(jìn)行切割；切割后的信號利用平均技術(shù)處理以得到腦波信 號的頻率成分與相位。
8.一種腦波人機(jī)界面的控制系統(tǒng)，是利用閃光序列觸發(fā)使用者的視覺誘發(fā)電位以進(jìn)行后續(xù)控制；其特征在于所述系統(tǒng)包含一閃光裝置，顯示多個閃爍光源供使用者觀看，且各閃爍光源的閃光時序是利用時 間延遲來達(dá)成不同相位編碼；一量測裝置，量測使用者的視覺誘發(fā)腦波信號； 一計算裝置，計算腦波信號的頻率成分與相位；一辨識裝置，依據(jù)計算裝置得到的腦波信號的頻率成分與相位與一預(yù)先建立的樣板 資料庫比對以辨識受誘發(fā)腦波信號與閃爍光源的主要頻率與相位的相關(guān)性；及 一控制裝置，輸出相關(guān)于各閃爍光源相對應(yīng)的操作控制指令。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的腦波人機(jī)界面的控制系統(tǒng)，其特征在于所述閃光裝置對 各閃爍光源的閃光時序是藉由以下的公式1及公式2來做相位編碼
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的腦波人機(jī)界面的控制系統(tǒng)，其特征在于所述閃光裝置的 閃爍光源的將不同頻率以交錯的方式排列使得鄰近的閃爍光源為不同頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的腦波人機(jī)界面的控制系統(tǒng)，其特征在于所述計算裝 置是將符合的信號經(jīng)過不同頻帶的帶通濾波器，然后，將視覺誘發(fā)電位與閃光序列作比 對；接著，以閃光序列為基準(zhǔn)對信號進(jìn)行切割；切割后的信號利用平均技術(shù)處理以得到 腦波信號的頻率成分與相位。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11任一項所述的腦波人機(jī)界面的控制系統(tǒng)，其特征在于量測 裝置是使用電極量測使用者的大腦視覺區(qū)或前額的視覺誘發(fā)腦波信號。
全文摘要
一種腦波人機(jī)界面的視覺驅(qū)動方法、控制方法及控制系統(tǒng)，該視覺驅(qū)動方法主要是顯示多個閃爍光源供使用者觀看，且閃爍光源的閃光時序是利用時間延遲來達(dá)成不同相位編碼，利用閃光序列觸發(fā)使用者的視覺誘發(fā)電位以進(jìn)行后續(xù)控制，藉此達(dá)到增加系統(tǒng)使用時的舒適度的目的。
文檔編號G06F3/01GK102023701SQ200910173789
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月17日
發(fā)明者吳奇勛, 張香治, 徐國鎧, 李柏磊, 李銘寰, 謝竣杰 申請人:國立中央大學(xué)