[发明专利]一种基于稳态视觉诱发电位脑机接口的字符输入方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及脑科学技术和计算机技术，更具体地说，本发明涉及脑机接口技术与字符输入技术。

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。那些受到这些疾病严重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。

传统的字符输入方法，无论是基于键盘或鼠标，还是基于手写或手势，都需要健全的手指才能实现。对于那些遭受运动功能障碍以至于双上肢残疾的患者，这些方法都无能为力。为了解放双手，实现不依赖于人手的字符输入，人们发明了基于语音技术、视线跟踪技术以及脑机接口技术的字符输入方法。语音技术的局限是易受环境噪声的影响，而视线跟踪技术的缺点是视线点定位精度低。另外，视线跟踪系统无法对用户操作时有意和无意的目标选择活动进行有效的区分，限制了这类系统的实际应用。

不同的脑电(Electroencephalography,EEG)信号分量，例如慢皮层电位、运动想象产生的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。其中，基于P300电位的BCI能够提供足够多的控制命令，实现一个控制命令输入一个字符，因而大多数现有的脑拼写器(Mental Speller)使用P300电位作为BCI的特征信号。然而，基于P300电位的BCI存在两个固有的缺点：一是当需输入的字符数较多时，输入一个字符所需要的时间较长，导致低的字符输入速度；二是缺乏时间上和用户之间的稳健性，导致低的字符输入正确率。其中第一个缺点可通过其他技术进行弥补，而第二个缺点是难以克服的，使基于P300的BCI在实际应用中受到限制。在这些BCI实现方法中，基于VEP的BCI由于具有如下四个优点，因而获得了越来越多的注意和重视：1)高的信息传输率；2)几乎不需要用户训练；3)低的用户变化率；4)易于使用。

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较低时，两次连续刺激引起的响应不会产生交迭，每次刺激产生的响应独立于以前的刺激，这种响应称为暂态VEP(Transient VEP,TVEP)；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，在枕区和顶区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(Steady-State VEP,SSVEP)。SSVEP具有与视觉刺激频率相同的基波频率及其谐波，其基波频率可用特定的信号处理算法进行检测。

SSVEP响应的幅度和相位重复视觉模式的频率、强度和结构，这种视觉模式的重复既可以由计算机LCD显示器产生，也可以由独立于计算机的LED显示器产生。由于受到屏幕刷新率和谐波频率的制约，计算机LCD显示器最多只能产生5个基于频率编码的刺激频率(即控制命令)。为了增加可输入字符的数目，基于LCD的字符输入装置要求一个自适应的策略创建一个图形用户接口(Graphic User Interface,GUI)，按照这个接口结合几个命令输入一个字符，导致低的字符输入速度。

相比而言，一个独立的LED视觉刺激器在结构上没有限制，并能提供比LCD显示器更强的视觉刺激。理论上，LED视觉刺激器能够提供足够的刺激目标，实现一个命令输入一个字符；实际上，在一个面积受限的LED面板上，太多的刺激目标(即LED显示器)导致相邻刺激目标之间的间隔变小，引起刺激光源之间的相互干扰，严重影响刺激频率的识别，从而降低字符输入的正确率。因此，LED面板上刺激目标的多少应仔细考虑，刺激目标的数目应在输入速度与精度上取得平衡。