CN106708273B - 一种基于eog的开关装置及开关键实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于EOG的开关装置及开关键实现方法，该开关装置包括依次连接的EOG开关界面、眼电采集模块、信号检测模块以及控制反馈模块，其中，EOG开关界面包括一个以一定形式随机闪亮On/Off键；眼电采集模块用于采集用户通过眨眼发送开关命令时的眼电信号并将信号输入所述信号检测模块；信号检测模块在每一次On/Off键闪烁后进行一次检测，用于确定用户是否发送开关命令至所述控制反馈模块；控制反馈模块用于开关命令的视觉反馈或者动作反馈。该发明降低了EOG开关控制信号误报率。同时，在控制状态下，只要看到On/Off键闪亮后立刻眨眼就能快速的输出开/关控制命令，提升了开关控制的实时性。
Description
技术领域
本发明涉及基于人体生物信号的开关控制技术领域，具体涉及一种基于EOG的开关装置及开关键实现方法。
背景技术
人机接口是指人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出接口，传统的人机接口主要有键盘、鼠标、显示器、打印机等。随着科技的进一步发展，又有了一些新的人机接口方式，如触摸屏，语音识别，手势识别等，这些人机接口方式已经做得非常成熟，在很多情况下已经取代了传统的键盘鼠标。然而，对于那些具有运动功能障碍的残疾人，如肌萎缩性侧索硬化ALS患者，脑干中风病人，脊髓损伤病人等，这些人群往往具有清醒的意识，但无法使用现有的那些成熟的人机接口实现与外界的交互。为了改善这类人群的生活质量，需要一种新的这些病人能够使用的人机接口方式，近年来这类新型人机接口的研究也已经成为国内外的热点。其中一类新型人机接口采用生物电信号实现，主要包括脑电(EEG，Electroencephalogram)、肌电(EMG，Electromyography)、心电(ECG，Electrocardiogram)、眼电(EOG，Electrooculogram)。基于生物电信号实现的人机接口所面临的一个显著挑战是开关控制，因为生物电信号本身非常微弱，而且不管人体处在何种状态下都存在，所以很难确定一个合适的触发条件。一个性能优良的开关键需要满足两个条件：一是快速响应，即当用户需要执行开关动作时能快速响应；二是低误报，即当用户不需要执行开关动作时尽可能不发生误动作。
在以上生物电信号中，心电因为很难受人自主控制，所以一般很少用于实现主动式的人机接口，只适合用来做一些监护型的被动接口。肌电信号是通过肌肉运动产生的电信号，所以要求使用者具有能运动的同时又适合用来作为控制信号的肌肉组织，这对于某些残疾较严重的病人并不适用。用脑电实现的人机接口又称脑机接口，但目前已公开的大多数脑机接口研究都属于同步(synchronous)型的，即并不能区分控制状态和空闲状态。本专利涉及的开关控制属于异步(asynchronous)型的，即使用者可以根据自己的意愿发送或者不发送开关命令。例如公开号为CN102799274A的中国发明专利申请，于2012年11月28日公开了一种基于稳态视觉诱发电位的异步脑开关方法，它包括4个不同频率持续闪烁的按键(其中一个开关键，3个伪键)，刺激过程中采集头皮6个位置的6路脑电信号进行分析，当开关键的SSVEP能量比其他伪键的能量大，并且开关键的窄带能量和宽带能量比超过预设的阈值，则判别为控制状态，否则判别为空闲状态。该方案用到6个电极，显得不是特别方便；空闲状态下要求用户不注视任何闪烁键，但长期使用时难免会不自主的注视到目标按键，容易发生误报；且采用持续闪烁的界面诱发SSVEP，时间长了容易使人疲劳。如果用户没有合适的肌电作为控制信号源，无法自主控制眼球动作产生眼电，则该公开的发明方法是个很好的选择。
眼电(EOG，Electrooculogram)，是由眼球水平运动、垂直运动、转动或眨眼等动作产生的生物电信号。这些眼电信号中，眨眼信号更加稳定，更加显著，所以更适合用于实现异步的人机接口开关键。例如公开号为CN1601445A的中国发明专利申请(现已撤回)，于2005年3月30日公开了一种“多功能人体生物眼电开关控制装置”，该方案将受试者连续3次，4次，5次眨眼对应的眼电信号作为控制命令，用于开关外部设备。虽然结构简单，但需要多次眨眼才对应一个控制命令，这样可能会有以下两个问题：第一，单次控制命令的输出时间比较长，如果中间某一次眨眼没有检测到，那么时间会变得更长，所以实时性会比较差；第二，对于需要频繁操作的场合，这样多次眨眼的方式对使用者造成的负担会比较重。
发明内容
本发明的第一个目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于EOG的开关装置，该开关装置具有操作简单，控制状态的开关命令响应速度快，同时空闲状态下保持低假阳性率。
本发明的另一个目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于EOG的开关键实现方法，该开关键实现方法具有操作简单，控制状态的开关命令响应速度快，同时空闲状态下保持低假阳性率。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于EOG的开关装置，所述开关装置包括依次连接的EOG开关界面、眼电采集模块、信号检测模块以及控制反馈模块，其中，
所述EOG开关界面包括一个On/Off键，该On/Off键以一定形式随机闪亮；
所述眼电采集模块用于采集用户通过眨眼发送开关命令时的眼电信号并将信号输入所述信号检测模块；
所述信号检测模块在每一次On/Off键闪烁后进行一次检测，用于确定用户是否发送开关命令至所述控制反馈模块；
所述控制反馈模块用于开关命令的视觉反馈或者动作反馈。
进一步地，所述信号检测模块包括依次连接的氯化银电极单元、信号放大单元、信号滤波单元、A/D转换单元以及串口通信单元，其中，
所述氯化银电极单元包括3个电极，分别为额头的接地电极、左/右眼上方的眼电采集电极、左/右耳垂的参考电极；
所述信号放大单元基于INA128芯片设计，其共模抑制比在120db以上，放大倍数在1000倍以上；
所述信号滤波单元基于OPA4227芯片设计，包括一个截止频率为3Hz的二阶巴特沃斯高通滤波器、一个截止频率为25Hz的四阶巴特沃斯低通滤波器，以及一个巴特沃斯50Hz陷波滤波器；
所述A/D转换单元基于AD7606芯片设计，其转换精度为16位；
所述串口通信单元基于STM32自带的串口通信模块实现。
进一步地，所述On/Off键的闪亮属性为颜色。
进一步地，所述On/Off键的闪亮方式具体为：以1.2秒为一个周期，在一个周期内On/Off键随机闪亮一次，闪亮持续时间100毫秒，相邻两个周期内On/Off键闪亮的时间间隔大于等于600毫秒。
进一步地，所述控制反馈模块采用显示器，用于显示信号检测模块识别的结果。
进一步地，所述控制反馈模块采用外部反馈设备，通过设备的具体动作提供反馈。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于EOG的开关键实现方法，所述开关键实现方法包括下列步骤：
S1、EOG开关界面上的On/Off键以一定形式随机闪亮；
S2、眼电采集模块采集从On/Off键闪亮后的眼电数据作为特征值传到信号检测模块；
S3、信号检测模块调用眼电识别算法对特征值进行差分、波峰波谷检测、波峰波谷距离计算、波峰波谷之间的能量计算、阈值判断操作后从眼电数据中识别眨眼动作；
如果眼电识别算法输出结果为1则认为用户发出主动眨眼动作发送开关命令至控制反馈模块，并返回步骤S2继续检测；如果眼电识别算法输出结果为0则认为用户没有发出主动眨眼动作，不发送开关命令，并返回步骤S2继续检测
S4、控制反馈模块将用于开关命令的眨眼动作进行视觉反馈或者动作反馈。
进一步地，所述步骤S2具体包括：
S21、通过氯化银电极单元由分别位于额头的接地电极、左/右眼上方的眼电采集电极、左/右耳垂的参考电极采集眼电信号；
S22、通过信号放大单元对眼电信号进行放大；
S23、通过信号滤波单元对放大后的眼电信号分别由截止频率为3Hz的二阶巴特沃斯高通滤波器、截止频率为25Hz的四阶巴特沃斯低通滤波器、以及巴特沃斯50Hz陷波滤波器进行滤波；
S24、通过A/D转换单元对滤波后的眼电信号进行A/D转换为特征值；
S25、通过串口通信单元将特征值通过串口传递给信号检测模块。
进一步地，所述步骤S3具体包括：
S31、对特征值Si求一阶差分，得到差分信号Di，具体方法为：
Di＝Si+1-Si；
S32、对差分信号Di进行波形检测和相关性匹配，当波形检测通过，且相关性匹配程度达到预先设定的阈值时，眼电识别算法输出1，否则，输出0。
进一步地，所述差分信号Di为零相位的正弦波形，所述波形检测是指检测以下两个检测条件：
(1)波谷在波峰出现以后Dmin到Dmax毫秒的位置出现；
(2)波峰到波谷这段差分信号的能量总和大于预先设定的阈值E。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明公开的基于EOG的开关装置将On/Off键闪亮的时序严格作为有效眨眼的时机，这样空闲状态下不自主的眨眼正好出现在On/Off键闪亮对应的时序中的概率本身就比较低，加之需要满足波形检测条件，有些比较轻微的不自主眨眼可以在波形检测的条件中排除，其他非眨眼的自发电信号则几乎不会引起误触发，所以极大的降低了误报率。同时，在控制状态下，只要看到On/Off键闪亮后立刻眨眼就能快速的输出开/关控制命令(1秒多)，及时传达用户的开关控制意图。
附图说明
图1是本发明公开的一种基于EOG的开关装置的组成框图；
图2是本发明中眼电采集模块的组成框图；
图3是本发明公开的基于EOG的开关键实现方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本实施例公开了一种基于EOG的开关装置，该开关装置包括依次连接的EOG开关界面、眼电采集模块、信号检测模块、控制反馈模块，
其中，所述EOG开关界面包括一个On/Off键，位于屏幕右下角；
所述EOG开关界面上的On/Off键以一定形式随机闪亮，具体闪亮方式为以1.2秒为一个周期，在一个周期内On/Off键随机闪亮一次，闪亮持续时间100毫秒，相邻两个周期内On/Off键闪亮的时间间隔大于等于600毫秒，闪亮的属性为颜色。
所述眼电采集模块用于采集用户通过眨眼发送开关命令时的眼电信号并将信号输入信号检测模块，采样率为250Hz，可分为氯化银电极单元、信号放大单元、信号滤波单元、A/D转换单元、串口通信单元共5个单元，如附图2所示，各个单元的特征如下：
1)氯化银电极单元共有3个电极，分别为额头的接地电极(GND)，左/右眼上方的眼电采集电极(E)，左/右耳垂的参考电极(REF)。
2)信号放大单元主要基于INA128芯片设计，其共模抑制比在120db以上，放大倍数在1000倍以上；
3)信号滤波单元主要基于OPA4227芯片设计，包含了一个截止频率为3Hz的二阶巴特沃斯高通滤波器，一个截止频率为25Hz的四阶巴特沃斯低通滤波器，以及一个巴特沃斯50Hz陷波滤波器；
4)A/D转换单元主要基于AD7606芯片设计，其转换精度为16位；
5)串口通信单元主要基于STM32自带的串口通信模块实现。
所述眼电采集模块采集从On/Off键闪亮后100-500毫秒的眼电数据(共400毫秒)作为初始特征传到信号检测模块。
所述信号检测模块在每一次On/Off键闪烁后进行一次检测，用于确定用户是否发送开关命令。
所述信号检测模块具体工作流程为对初始特征进行差分、波峰波谷检测、波峰波谷距离计算、波峰波谷之间的能量计算、阈值判断等操作从眼电信号中识别出眨眼动作，进而得到有效的开关命令。
所述控制反馈模块为视觉反馈，采用一个普通的显示器，用于显示信号检测模块识别的结果，亦可以直接将开关连接外部设备，通过设备的具体动作提供反馈。
上述EOG开关界面(GUI)、信号检测模块、控制反馈模块可在一个装有Windows XP或Windows 7或其他操作系统的普通计算机上实现。
实施例二
如图3所示，本实施例公开了一种基于EOG的开关键实现方法，该实现方法基于实施例一中公开的基于EOG的开关装置进行，具体包括下列步骤：
步骤S1、EOG开关界面上的On/Off键以一定形式随机闪亮，具体闪亮方式为以1.2秒为一个周期，在一个周期内On/Off键随机闪亮一次，闪亮持续时间100毫秒，相邻两个周期内On/Off键闪亮的时间间隔大于等于600毫秒，闪亮的属性为颜色。
步骤S2、眼电采集模块采集从On/Off键闪亮后100-500毫秒的眼电数据(共400毫秒)作为特征值传到信号检测模块。
该步骤S2具体包括：
S21、通过氯化银电极单元由分别位于额头的接地电极(GND)、左/右眼上方的眼电采集电极(E)、左/右耳垂的参考电极(REF)采集眼电信号；
在On/Off键闪亮时氯化银电极单元开始采集眼电信号，采集时长为600毫秒，对所采集到的600毫秒的眼电数据作进一步的提取，即提取100-500毫秒区间内共400毫秒长度的数据。
S22、通过信号放大单元对眼电信号进行放大；
信号放大单元基于INA128芯片设计，其共模抑制比在120db以上，放大倍数在1000倍以上。
S23、通过信号滤波单元对放大后的眼电信号分别由截止频率为3Hz的二阶巴特沃斯高通滤波器、截止频率为25Hz的四阶巴特沃斯低通滤波器，以及巴特沃斯50Hz陷波滤波器进行滤波；
信号滤波单元基于OPA4227芯片设计，包含了一个截止频率为3Hz的二阶巴特沃斯高通滤波器，一个截止频率为25Hz的四阶巴特沃斯低通滤波器，以及一个巴特沃斯50Hz陷波滤波器。
S24、通过A/D转换单元对滤波后的眼电信号进行A/D转换为特征值；
A/D转换单元基于AD7606芯片设计，其转换精度为16位。
S25、通过串口通信单元将特征值通过串口传递给信号检测模块；
串口通信单元主要基于STM32自带的串口通信模块实现。
步骤S3、信号检测模块调用眼电识别算法对特征值进行差分、波峰波谷检测、波峰波谷距离计算、波峰波谷之间的能量计算、阈值判断操作后从眼电数据中识别眨眼动作；
如果眼电识别算法输出结果为1则认为用户发出主动眨眼动作(处于控制状态)，发送开关命令至控制反馈模块，并返回步骤S2继续检测；如果眼电识别算法输出结果为0则认为用户没有发出主动眨眼动作(处于空闲状态)，不发送开关命令，并返回步骤S2继续检测。
所述步骤S3具体包括：
S31、对特征值Si求一阶差分，得到差分信号Di，具体方法为：
Di＝Si+1-Si；
S32、对差分信号Di进行波形检测和相关性匹配，当波形检测通过，且相关性匹配程度达到预先设定的阈值时，眼电识别算法输出1，否则，输出0；
所述差分信号Di为零相位的正弦波形，所述波形检测是指检测以下两个检测条件：
(1)波谷在波峰出现以后Dmin到Dmax毫秒的位置出现，如Dmin＝40毫秒，Dmax＝140毫秒，可根据不同用户设定不同值；
(2)波峰到波谷这段差分信号的能量总和大于预先设定的阈值E，如E＝10000，可根据不同用户设定不同值。
S4、控制反馈模块将用于开关命令的眨眼动作进行视觉反馈或者动作反馈。
综上所述，上述实施例公开的一种基于EOG的开关装置及开关键实现方法，将On/Off键闪亮的时序严格作为有效眨眼的时机，这样空闲状态下不自主的眨眼正好出现在On/Off键闪亮对应的时序中的概率本身就比较低，加之需要满足波形检测条件，有些比较轻微的不自主眨眼可以在波形检测的条件中排除，其他非眨眼的自发电信号则几乎不会引起误触发，所以极大的降低了误报率。同时，在控制状态下，只要看到On/Off键闪亮后立刻眨眼就能快速的输出开/关控制命令(1秒多)，及时传达用户的开关控制意图。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于EOG的开关装置，其特征在于，所述开关装置包括依次连接有EOG开关界面、眼电采集模块、信号检测模块以及控制反馈模块，其中，
所述EOG开关界面包括一个On/off键，该On/off键以一定形式随机闪亮；
所述眼电采集模块用于采集用户通过眨眼发送开关命令时的眼电信号并将信号输入所述信号检测模块；
所述信号检测模块在每一次On/off键闪烁后进行一次检测，用于确定用户是否发送开关命令至所述控制反馈模块；
所述控制反馈模块用于开关命令的视觉反馈或者动作反馈；
所述On/off键的闪亮方式具体为：以1.2秒为一个周期，在一个周期内On/off键随机闪亮一次，闪亮持续时间100毫秒，相邻两个周期内On/off键闪亮的时间间隔大于等于600毫秒；
所述信号检测模块包括依次连接的氯化银电极单元、信号放大单元、信号滤波单元、A/D转换单元以及串口通信单元，其中，
所述氯化银电极单元包括3个电极，分别为额头的接地电极、左/右眼上方的眼电采集电极、左/右耳垂的参考电极；
所述信号放大单元基于INA128芯片设计，其共模抑制比在120db以上，放大倍数在1000倍以上；
所述信号滤波单元基于OPA4227芯片设计，包括一个截止频率为3Hz的二阶巴特沃斯高通滤波器、一个截止频率为25Hz的四阶巴特沃斯低通滤波器，以及一个巴特沃斯50Hz陷波滤波器；
所述A/D转换单元基于AD7606芯片设计，其转换精度为16位；
所述串口通信单元基于STM32自带的串口通信模块实现；
所述On/off键的闪亮属性为颜色。
2.根据权利要求1所述的一种基于EOG的开关装置，其特征在于，所述控制反馈模块采用显示器，用于显示信号检测模块识别的结果。
3.根据权利要求1所述的一种基于EOG的开关装置，其特征在于，所述控制反馈模块采用外部反馈设备，通过设备的具体动作提供反馈。
4.一种如权利要求1所述的基于EOG的开关装置的实现方法，其特征在于，所述开关装置包括开关键，所述方法包括下列步骤：
S1、EOG开关界面上的On/off键以一定形式随机闪亮；
S2、眼电采集模块采集从On/off键闪亮后的眼电数据作为特征值传到信号检测模块；
S3、信号检测模块调用眼电识别算法对特征值进行差分、波峰波谷检测、波峰波谷距离计算、波峰波谷之间的能量计算、阈值判断操作后从眼电数据中识别眨眼动作；
如果眼电识别算法输出结果为1则认为用户发出主动眨眼动作发送开关命令至控制反馈模块，并返回步骤S2继续检测；如果眼电识别算法输出结果为0则认为用户没有发出主动眨眼动作，不发送开关命令，并返回步骤S2继续检测；
S4.控制反馈模块将用于开关命令的眨眼动作进行视觉反馈或者动作反馈。
5.根据权利要求4所述的实现方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21、通过氯化银电极单元由分别位于额头的接地电极、左/右眼上方的眼电采集电极、左/右耳垂的参考电极采集眼电信号；
S22、通过信号放大单元对眼电信号进行放大；
S23、通过信号滤波单元对放大后的眼电信号分别由截止频率为3Hz的二阶巴特沃斯高通滤波器、截止频率为25Hz的四阶巴特沃斯低通滤波器、以及巴特沃斯50Hz陷波滤波器进行滤波；
S24、通过A/D转换单元对滤波后的眼电信号进行A/D转换为特征值；
S25、通过串口通信单元将特征值通过串口传递给信号检测模块。
6.根据权利要求4所述的实现方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31、对特征值Si求一阶差分，得到差分信号Di，具体方法为：
Di＝Si+1-Si；
S32、对差分信号Di进行波形检测和相关性匹配，当波形检测通过，且相关性匹配程度达到预先设定的阈值时，眼电识别算法输出1，否则，输出0。
7.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述差分信号Di为零相位的正弦波形，所述波形检测是指检测以下两个检测条件：
(1)波谷在波峰出现以后Dmin到Dmax毫秒的位置出现；
(2)波峰到波谷这段差分信号的能量总和大于预先设定的阈值E。
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