[发明专利]一种基于运动想象和视觉注意混合脑机接口的电子邮件通信系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及脑机接口技术和通信技术，更具体地说，本发明涉及一种基于运动想象和视觉注意混合脑机接口的电子邮件通信系统及方法。

背景技术

人脑通过神经肌肉通道与外界通信或控制外部环境，而许多疾病可能破坏这些神经肌肉通道。例如，肌肉萎缩性侧索硬化、脑干中风、脊髓损伤、脑瘫、帕金森氏、多种硬化病以及其他许多疾病会损害控制肌肉的神经通道或损害肌肉本身。那些受到这些疾病影响的人可能会失去自主的肌肉控制，因而产生运动功能障碍，以至于不能与外界进行通信或控制外部设备。

脑机接口（Brain-Computer Interface,BCI）监测用户的脑活动，解读用户的意图，并将用户的意图转换为外部命令。作为一种新的、非肌肉的通信通道，BCI能够使人直接通过大脑来表达思想或操纵设备，而不需要借助语言或肢体动作。对于严重的运动残疾患者，BCI能够将他们的意图传送到外部装置，比如计算机、家用电器、护理设备以及神经假体等，从而改进他们的生活质量。

不同的脑电（Electroencephalography,EEG）信号分量，例如慢皮层电位、Mu/Beta节律、事件相关P300电位、以及视觉诱发电位（Visual Evoked Potential,VEP），都可以用作BCI的特征信号。

运动想象是一种重要的BCI实现模式。电生理学研究表明，当一个人执行或想象某个运动时，在其大脑特定区域的Mu/Beta节律信号的功率会下降，称为时件相关去同步（Event-Related Desynchronization,ERD）；当运动执行或运动想象结束时，在其大脑特定的区域的Mu/Beta节律信号的功率会上升，称为事件相关同步（Event-Related Synchronization,ERS）。不同肢体的运动执行或运动想象引起不同区域的Mu/Beta节律的功率变化。BCI可根据这种变化对用户不同的想象任务进行判别，从而确定用户的意图，并将这种意图转化为外部设备的控制命令。

视觉注意是另一种重要的BCI实现模式。视觉注意会在大脑特定区域产生视觉诱发电位（Visual Evoked Potential,VEP）。VEP反映了大脑的视觉信息处理机制，是人眼对闪光刺激的一种响应。按照重复刺激的频率不同，VEP可分为暂态VEP与稳态VEP。当视觉刺激的重复频率高于6Hz时，连续几次刺激诱发的响应会迭加在一起，使大脑皮层神经元发放与刺激频率同步，在大脑枕部区域脑电活动的节律明显增强，形成一种稳定的响应，称为稳态VEP（Stedy-State VEP,SSVEP）。SSVEP具有与视觉刺激频率相同的基波频率，其基波频率可用特定的信号处理算法进行检测，从而确定用户的意图。

通信是人们生活的重要组成部分，电话与电子邮件是两种主要的通信方式。电子邮件通信包括收信和写信两个方面。收信需要用户对二维光标运动进行控制以及对目标进行选择；写信不仅需要用户进行光标控制和目标选择，而且需要用户能够进行字符输入。对于上肢正常的用户，这些操作很容易通过计算机的鼠标和键盘实现。然而，对于上肢残疾的用户，在不使用鼠标和键盘的条件下如何实现光标运动控制、目标选择以及字符输入，从而实现电子邮件通信，是一个亟待解决的重要问题。

二维光标运动控制需要两个独立的控制变量分别、独立、同时控制光标在水平和垂直方向上的运动，而且这种二维光标运动必须是连续的，才能将光标从任意一个初始位置移动到任意一个目标位置。基于运动想象和视觉注意的混合BCI，可以同时提供两个独立的控制变量，而且基于运动想象BCI的输出变量是连续或模拟信号，因而确保了二维光标运动的连续性。另外，视觉刺激信号可以由液晶显示器（Liquid Crystal Display,LCD）产生，也可以由发光二极管（Light Emitting Diode,LED）显示器产生。由于受到屏幕刷新率的限制，基于LCD的视觉刺激器只能提供少数几个刺激频率，可用于控制光标在垂直方向的运动；基于LED的视觉刺激器可提供多大几十个刺激频率，可用于字符输入。

目前还没有发现在不使用计算机鼠标或键盘的条件下，使用脑电信号实现电子邮件通信的技术。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于运动想象和视觉注意混合脑机接口的电子邮件通信系统及方法。