本發(fā)明涉及基于人體生物信號的開關(guān)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于EOG的開關(guān)裝置及開關(guān)鍵實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

人機接口是指人與計算機之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出接口，傳統(tǒng)的人機接口主要有鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。隨著科技的進一步發(fā)展，又有了一些新的人機接口方式，如觸摸屏，語音識別，手勢識別等，這些人機接口方式已經(jīng)做得非常成熟，在很多情況下已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的鍵盤鼠標。然而，對于那些具有運動功能障礙的殘疾人，如肌萎縮性側(cè)索硬化ALS患者，腦干中風病人，脊髓損傷病人等，這些人群往往具有清醒的意識，但無法使用現(xiàn)有的那些成熟的人機接口實現(xiàn)與外界的交互。為了改善這類人群的生活質(zhì)量，需要一種新的這些病人能夠使用的人機接口方式，近年來這類新型人機接口的研究也已經(jīng)成為國內(nèi)外的熱點。其中一類新型人機接口采用生物電信號實現(xiàn)，主要包括腦電(EEG，Electroencephalogram)、肌電(EMG，Electromyography)、心電(ECG，Electrocardiogram)、眼電(EOG，Electrooculogram)?；谏镫娦盘枌崿F(xiàn)的人機接口所面臨的一個顯著挑戰(zhàn)是開關(guān)控制，因為生物電信號本身非常微弱，而且不管人體處在何種狀態(tài)下都存在，所以很難確定一個合適的觸發(fā)條件。一個性能優(yōu)良的開關(guān)鍵需要滿足兩個條件：一是快速響應(yīng)，即當用戶需要執(zhí)行開關(guān)動作時能快速響應(yīng)；二是低誤報，即當用戶不需要執(zhí)行開關(guān)動作時盡可能不發(fā)生誤動作。

在以上生物電信號中，心電因為很難受人自主控制，所以一般很少用于實現(xiàn)主動式的人機接口，只適合用來做一些監(jiān)護型的被動接口。肌電信號是通過肌肉運動產(chǎn)生的電信號，所以要求使用者具有能運動的同時又適合用來作為控制信號的肌肉組織，這對于某些殘疾較嚴重的病人并不適用。用腦電實現(xiàn)的人機接口又稱腦機接口，但目前已公開的大多數(shù)腦機接口研究都屬于同步(synchronous)型的，即并不能區(qū)分控制狀態(tài)和空閑狀態(tài)。本專利涉及的開關(guān)控制屬于異步(asynchronous)型的，即使用者可以根據(jù)自己的意愿發(fā)送或者不發(fā)送開關(guān)命令。例如公開號為CN102799274A的中國發(fā)明專利申請，于2012年11月28日公開了一種基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的異步腦開關(guān)方法，它包括4個不同頻率持續(xù)閃爍的按鍵(其中一個開關(guān)鍵，3個偽鍵)，刺激過程中采集頭皮6個位置的6路腦電信號進行分析，當開關(guān)鍵的SSVEP能量比其他偽鍵的能量大，并且開關(guān)鍵的窄帶能量和寬帶能量比超過預設(shè)的閾值，則判別為控制狀態(tài)，否則判別為空閑狀態(tài)。該方案用到6個電極，顯得不是特別方便；空閑狀態(tài)下要求用戶不注視任何閃爍鍵，但長期使用時難免會不自主的注視到目標按鍵，容易發(fā)生誤報；且采用持續(xù)閃爍的界面誘發(fā)SSVEP，時間長了容易使人疲勞。如果用戶沒有合適的肌電作為控制信號源，無法自主控制眼球動作產(chǎn)生眼電，則該公開的發(fā)明方法是個很好的選擇。

眼電(EOG，Electrooculogram)，是由眼球水平運動、垂直運動、轉(zhuǎn)動或眨眼等動作產(chǎn)生的生物電信號。這些眼電信號中，眨眼信號更加穩(wěn)定，更加顯著，所以更適合用于實現(xiàn)異步的人機接口開關(guān)鍵。例如公開號為CN1601445A的中國發(fā)明專利申請(現(xiàn)已撤回)，于2005年3月30日公開了一種“多功能人體生物眼電開關(guān)控制裝置”，該方案將受試者連續(xù)3次，4次，5次眨眼對應(yīng)的眼電信號作為控制命令，用于開關(guān)外部設(shè)備。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但需要多次眨眼才對應(yīng)一個控制命令，這樣可能會有以下兩個問題：第一，單次控制命令的輸出時間比較長，如果中間某一次眨眼沒有檢測到，那么時間會變得更長，所以實時性會比較差；第二，對于需要頻繁操作的場合，這樣多次眨眼的方式對使用者造成的負擔會比較重。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種基于EOG的開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置具有操作簡單，控制狀態(tài)的開關(guān)命令響應(yīng)速度快，同時空閑狀態(tài)下保持低假陽性率。

本發(fā)明的另一個目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種基于EOG的開關(guān)鍵實現(xiàn)方法，該開關(guān)鍵實現(xiàn)方法具有操作簡單，控制狀態(tài)的開關(guān)命令響應(yīng)速度快，同時空閑狀態(tài)下保持低假陽性率。

本發(fā)明的第一個目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到：

一種基于EOG的開關(guān)裝置，所述開關(guān)裝置包括依次連接的EOG開關(guān)界面、眼電采集模塊、信號檢測模塊以及控制反饋模塊，其中，

所述EOG開關(guān)界面包括一個On/Off鍵，該On/Off鍵以一定形式隨機閃亮；

所述眼電采集模塊用于采集用戶通過眨眼發(fā)送開關(guān)命令時的眼電信號并將信號輸入所述信號檢測模塊；

所述信號檢測模塊在每一次On/Off鍵閃爍后進行一次檢測，用于確定用戶是否發(fā)送開關(guān)命令至所述控制反饋模塊；

所述控制反饋模塊用于開關(guān)命令的視覺反饋或者動作反饋。

進一步地，所述信號檢測模塊包括依次連接的氯化銀電極單元、信號放大單元、信號濾波單元、A/D轉(zhuǎn)換單元以及串口通信單元，其中，

所述氯化銀電極單元包括3個電極，分別為額頭的接地電極、左/右眼上方的眼電采集電極、左/右耳垂的參考電極；

所述信號放大單元基于INA128芯片設(shè)計，其共模抑制比在120db以上，放大倍數(shù)在1000倍以上；

所述信號濾波單元基于OPA4227芯片設(shè)計，包括一個截止頻率為3Hz的二階巴特沃斯高通濾波器、一個截止頻率為25Hz的四階巴特沃斯低通濾波器，以及一個巴特沃斯50Hz陷波濾波器；

所述A/D轉(zhuǎn)換單元基于AD7606芯片設(shè)計，其轉(zhuǎn)換精度為16位；

所述串口通信單元基于STM32自帶的串口通信模塊實現(xiàn)。

進一步地，所述On/Off鍵的閃亮屬性為顏色。

進一步地，所述On/Off鍵的閃亮方式具體為：以1.2秒為一個周期，在一個周期內(nèi)On/Off鍵隨機閃亮一次，閃亮持續(xù)時間100毫秒，相鄰兩個周期內(nèi)On/Off鍵閃亮的時間間隔大于等于600毫秒。

進一步地，所述控制反饋模塊采用顯示器，用于顯示信號檢測模塊識別的結(jié)果。

進一步地，所述控制反饋模塊采用外部反饋設(shè)備，通過設(shè)備的具體動作提供反饋。

本發(fā)明的第二個目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到：

一種基于EOG的開關(guān)鍵實現(xiàn)方法，所述開關(guān)鍵實現(xiàn)方法包括下列步驟：

S1、EOG開關(guān)界面上的On/Off鍵以一定形式隨機閃亮；

S2、眼電采集模塊采集從On/Off鍵閃亮后的眼電數(shù)據(jù)作為特征值傳到信號檢測模塊；

S3、信號檢測模塊調(diào)用眼電識別算法對特征值進行差分、波峰波谷檢測、波峰波谷距離計算、波峰波谷之間的能量計算、閾值判斷操作后從眼電數(shù)據(jù)中識別眨眼動作；

如果眼電識別算法輸出結(jié)果為1則認為用戶發(fā)出主動眨眼動作發(fā)送開關(guān)命令至控制反饋模塊，并返回步驟S2繼續(xù)檢測；如果眼電識別算法輸出結(jié)果為0則認為用戶沒有發(fā)出主動眨眼動作，不發(fā)送開關(guān)命令，并返回步驟S2繼續(xù)檢測

S4、控制反饋模塊將用于開關(guān)命令的眨眼動作進行視覺反饋或者動作反饋。

進一步地，所述步驟S2具體包括：

S21、通過氯化銀電極單元由分別位于額頭的接地電極、左/右眼上方的眼電采集電極、左/右耳垂的參考電極采集眼電信號；

S22、通過信號放大單元對眼電信號進行放大；

S23、通過信號濾波單元對放大后的眼電信號分別由截止頻率為3Hz的二階巴特沃斯高通濾波器、截止頻率為25Hz的四階巴特沃斯低通濾波器、以及巴特沃斯50Hz陷波濾波器進行濾波；

S24、通過A/D轉(zhuǎn)換單元對濾波后的眼電信號進行A/D轉(zhuǎn)換為特征值；

S25、通過串口通信單元將特征值通過串口傳遞給信號檢測模塊。

進一步地，所述步驟S3具體包括：

S31、對特征值S_i求一階差分，得到差分信號D_i，具體方法為：

D_i＝S_i+1-S_i；

S32、對差分信號D_i進行波形檢測和相關(guān)性匹配，當波形檢測通過，且相關(guān)性匹配程度達到預先設(shè)定的閾值時，眼電識別算法輸出1，否則，輸出0。

進一步地，所述差分信號D_i為零相位的正弦波形，所述波形檢測是指檢測以下兩個檢測條件：

(1)波谷在波峰出現(xiàn)以后D_min到D_max毫秒的位置出現(xiàn)；

(2)波峰到波谷這段差分信號的能量總和大于預先設(shè)定的閾值E。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明公開的基于EOG的開關(guān)裝置將On/Off鍵閃亮的時序嚴格作為有效眨眼的時機，這樣空閑狀態(tài)下不自主的眨眼正好出現(xiàn)在On/Off鍵閃亮對應(yīng)的時序中的概率本身就比較低，加之需要滿足波形檢測條件，有些比較輕微的不自主眨眼可以在波形檢測的條件中排除，其他非眨眼的自發(fā)電信號則幾乎不會引起誤觸發(fā)，所以極大的降低了誤報率。同時，在控制狀態(tài)下，只要看到On/Off鍵閃亮后立刻眨眼就能快速的輸出開/關(guān)控制命令(1秒多)，及時傳達用戶的開關(guān)控制意圖。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的一種基于EOG的開關(guān)裝置的組成框圖；

圖2是本發(fā)明中眼電采集模塊的組成框圖；

圖3是本發(fā)明公開的基于EOG的開關(guān)鍵實現(xiàn)方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例一

如圖1所示，本實施例公開了一種基于EOG的開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置包括依次連接的EOG開關(guān)界面、眼電采集模塊、信號檢測模塊、控制反饋模塊，

其中，所述EOG開關(guān)界面包括一個On/Off鍵，位于屏幕右下角；

所述EOG開關(guān)界面上的On/Off鍵以一定形式隨機閃亮，具體閃亮方式為以1.2秒為一個周期，在一個周期內(nèi)On/Off鍵隨機閃亮一次，閃亮持續(xù)時間100毫秒，相鄰兩個周期內(nèi)On/Off鍵閃亮的時間間隔大于等于600毫秒，閃亮的屬性為顏色。

所述眼電采集模塊用于采集用戶通過眨眼發(fā)送開關(guān)命令時的眼電信號并將信號輸入信號檢測模塊，采樣率為250Hz，可分為氯化銀電極單元、信號放大單元、信號濾波單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、串口通信單元共5個單元，如附圖2所示，各個單元的特征如下：

1)氯化銀電極單元共有3個電極，分別為額頭的接地電極(GND)，左/右眼上方的眼電采集電極(E)，左/右耳垂的參考電極(REF)。

2)信號放大單元主要基于INA128芯片設(shè)計，其共模抑制比在120db以上，放大倍數(shù)在1000倍以上；

3)信號濾波單元主要基于OPA4227芯片設(shè)計，包含了一個截止頻率為3Hz的二階巴特沃斯高通濾波器，一個截止頻率為25Hz的四階巴特沃斯低通濾波器，以及一個巴特沃斯50Hz陷波濾波器；

4)A/D轉(zhuǎn)換單元主要基于AD7606芯片設(shè)計，其轉(zhuǎn)換精度為16位；

5)串口通信單元主要基于STM32自帶的串口通信模塊實現(xiàn)。

所述眼電采集模塊采集從On/Off鍵閃亮后100-500毫秒的眼電數(shù)據(jù)(共400毫秒)作為初始特征傳到信號檢測模塊。

所述信號檢測模塊在每一次On/Off鍵閃爍后進行一次檢測，用于確定用戶是否發(fā)送開關(guān)命令。

所述信號檢測模塊具體工作流程為對初始特征進行差分、波峰波谷檢測、波峰波谷距離計算、波峰波谷之間的能量計算、閾值判斷等操作從眼電信號中識別出眨眼動作，進而得到有效的開關(guān)命令。

所述控制反饋模塊為視覺反饋，采用一個普通的顯示器，用于顯示信號檢測模塊識別的結(jié)果，亦可以直接將開關(guān)連接外部設(shè)備，通過設(shè)備的具體動作提供反饋。

上述EOG開關(guān)界面(GUI)、信號檢測模塊、控制反饋模塊可在一個裝有Windows XP或Windows 7或其他操作系統(tǒng)的普通計算機上實現(xiàn)。

實施例二

如圖3所示，本實施例公開了一種基于EOG的開關(guān)鍵實現(xiàn)方法，該實現(xiàn)方法基于實施例一中公開的基于EOG的開關(guān)裝置進行，具體包括下列步驟：

步驟S1、EOG開關(guān)界面上的On/Off鍵以一定形式隨機閃亮，具體閃亮方式為以1.2秒為一個周期，在一個周期內(nèi)On/Off鍵隨機閃亮一次，閃亮持續(xù)時間100毫秒，相鄰兩個周期內(nèi)On/Off鍵閃亮的時間間隔大于等于600毫秒，閃亮的屬性為顏色。

步驟S2、眼電采集模塊采集從On/Off鍵閃亮后100-500毫秒的眼電數(shù)據(jù)(共400毫秒)作為特征值傳到信號檢測模塊。

該步驟S2具體包括：

S21、通過氯化銀電極單元由分別位于額頭的接地電極(GND)、左/右眼上方的眼電采集電極(E)、左/右耳垂的參考電極(REF)采集眼電信號；

在On/Off鍵閃亮時氯化銀電極單元開始采集眼電信號，采集時長為600毫秒，對所采集到的600毫秒的眼電數(shù)據(jù)作進一步的提取，即提取100-500毫秒?yún)^(qū)間內(nèi)共400毫秒長度的數(shù)據(jù)。

S22、通過信號放大單元對眼電信號進行放大；

信號放大單元基于INA128芯片設(shè)計，其共模抑制比在120db以上，放大倍數(shù)在1000倍以上。

S23、通過信號濾波單元對放大后的眼電信號分別由截止頻率為3Hz的二階巴特沃斯高通濾波器、截止頻率為25Hz的四階巴特沃斯低通濾波器，以及巴特沃斯50Hz陷波濾波器進行濾波；

信號濾波單元基于OPA4227芯片設(shè)計，包含了一個截止頻率為3Hz的二階巴特沃斯高通濾波器，一個截止頻率為25Hz的四階巴特沃斯低通濾波器，以及一個巴特沃斯50Hz陷波濾波器。

S24、通過A/D轉(zhuǎn)換單元對濾波后的眼電信號進行A/D轉(zhuǎn)換為特征值；

A/D轉(zhuǎn)換單元基于AD7606芯片設(shè)計，其轉(zhuǎn)換精度為16位。

S25、通過串口通信單元將特征值通過串口傳遞給信號檢測模塊；

串口通信單元主要基于STM32自帶的串口通信模塊實現(xiàn)。

步驟S3、信號檢測模塊調(diào)用眼電識別算法對特征值進行差分、波峰波谷檢測、波峰波谷距離計算、波峰波谷之間的能量計算、閾值判斷操作后從眼電數(shù)據(jù)中識別眨眼動作；

如果眼電識別算法輸出結(jié)果為1則認為用戶發(fā)出主動眨眼動作(處于控制狀態(tài))，發(fā)送開關(guān)命令至控制反饋模塊，并返回步驟S2繼續(xù)檢測；如果眼電識別算法輸出結(jié)果為0則認為用戶沒有發(fā)出主動眨眼動作(處于空閑狀態(tài))，不發(fā)送開關(guān)命令，并返回步驟S2繼續(xù)檢測。

所述步驟S3具體包括：

S31、對特征值S_i求一階差分，得到差分信號D_i，具體方法為：

D_i＝S_i+1-S_i；

S32、對差分信號D_i進行波形檢測和相關(guān)性匹配，當波形檢測通過，且相關(guān)性匹配程度達到預先設(shè)定的閾值時，眼電識別算法輸出1，否則，輸出0；

所述差分信號D_i為零相位的正弦波形，所述波形檢測是指檢測以下兩個檢測條件：

(1)波谷在波峰出現(xiàn)以后D_min到D_max毫秒的位置出現(xiàn)，如D_min＝40毫秒，D_max＝140毫秒，可根據(jù)不同用戶設(shè)定不同值；

(2)波峰到波谷這段差分信號的能量總和大于預先設(shè)定的閾值E，如E＝10000，可根據(jù)不同用戶設(shè)定不同值。

S4、控制反饋模塊將用于開關(guān)命令的眨眼動作進行視覺反饋或者動作反饋。

綜上所述，上述實施例公開的一種基于EOG的開關(guān)裝置及開關(guān)鍵實現(xiàn)方法，將On/Off鍵閃亮的時序嚴格作為有效眨眼的時機，這樣空閑狀態(tài)下不自主的眨眼正好出現(xiàn)在On/Off鍵閃亮對應(yīng)的時序中的概率本身就比較低，加之需要滿足波形檢測條件，有些比較輕微的不自主眨眼可以在波形檢測的條件中排除，其他非眨眼的自發(fā)電信號則幾乎不會引起誤觸發(fā)，所以極大的降低了誤報率。同時，在控制狀態(tài)下，只要看到On/Off鍵閃亮后立刻眨眼就能快速的輸出開/關(guān)控制命令(1秒多)，及時傳達用戶的開關(guān)控制意圖。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。