TWI434671B - A system and method for brainwave control using event - related potentials - Google Patents

Description

利用事件相關電位進行腦波控制之系統及方法

　　本發明係關於一種腦波控制系統及方法，尤指一種利用事件相關電位進行腦波控制之系統及方法。

　　隨著資訊科技產業的發展與進步，近年來已有越來越多的研究人員及科技廠商投入於發展更便利的非接觸式操控系統及方法，期以取代傳統必須透過遙控器、滑鼠或搖桿等手動控制方式，其中，又以眼動操控及腦波控制此兩種操控方式的適用性較廣也最符合人性需求。

　　眼動操控係以眼動儀的概念發展而成，現已有業者推出眼動控制裝置，係利用攝影機的紅外線光源補捉眼球影像，並將影像訊號經由軟體處理後，透過系統辨識眼球移動方向及瞳孔收縮與擴張，再依此數據計算出眼球的注視位置、移動速度與距離以及瞳孔變化資訊，以進行如文字輸入等操控功能；其缺點在於，當使用者在執行操控時必須保持眼球專注力，才能避免系統辨識錯誤，一旦使用時間過長，則容易讓使用者因為視覺疲勞而造成精神上的負擔。

　　而腦波控制主要分為兩種操控方法，其一是透過貼附於使用者頭部之腦波帽接收腦波訊號後，將該腦波訊號與一預先經訓練後內存之腦波特徵資料庫進行比對後，分析該腦波訊號所對應之腦波特徵並依此執行指令；然而其缺點在於，當使用者欲進行腦波直接控制前必須先進行訓練，以避免影響腦波操控時的準確性，且需將訓練時使用者之腦波訊號特徵儲存為一腦波特徵資料庫，俾利進行比對分析；而根據本發明人長時間實驗後發現，該操控方法係透過使用者自發式的發送腦電波訊號至系統進行分析，其產生的控制訊號之正確性欠佳，無法達到精準操控之目的，實無法符合實際之應用需求。

　　另一腦波操控方法則解決了前述使用者必須事先訓練的問題，該腦波操控方法整合了眼動控制，係設有數個對應不同控制指令之刺激訊號並將其發送予使用者，使用者不需經過訓練，只需要將視覺專注在目標訊號上，並對於該目標訊號透過如眼球轉動或眨眼等方式，使視覺神經產生視覺肌電位，在取得微小電波變化並進行分析後，達到物件控制之目的；然而，使用者的專注力會直接影響此操控方法的成功率，且此方法仍無法有效排除人類必然會出現的眨眼運動(即醫學上所稱之瞬目反射)所造成系統的誤判結果，故其仍有進一步改良之必要。

　　有鑑於此，本發明人鑒於前述先前技術之缺點，乃依其從事心理測驗、腦神經科學及資訊工程之技術，在不斷的研究、實驗與改進後，開發設計出本發明。

　　本發明之主要目的是為了克服習知非接觸式操控系統於使用上侷限條件較多以及正確性欠佳的缺點，本發明係利用事件相關電位(ERPs)之原理，發送刺激訊號予使用者，藉此誘發並擷取使用者的腦波訊號，經過多次刺激所獲得之累加腦波訊號，可明確判斷使用者意圖並產生對應的控制指令，據以正確且精準的達到使用者之操控需求目標。

　　為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段為提供一種利用事件相關電位進行腦波控制之系統及方法，該系統包括一腦波擷取單元、一腦波訊號處理裝置及一顯示單元，該腦波擷取單元為貼附於使用者頭部以擷取使用者腦波訊號的裝置，該腦波訊號處理裝置至少包括一訊號處理器及一中央處理器，該訊號處理器係與腦波擷取單元連結，其接收使用者的腦波訊號後，進行放大、去除雜訊與濾波處理，再將其轉換成數位訊號；該中央處理器係接收該數位訊號進行分析與處理後，依照辨識結果執行控制指令；該顯示單元係為一顯示幕，其與該中央處理器連結，用以顯示至少二刺激訊號，該刺激訊號係分別對應不同的控制指令，該刺激訊號可設置於受控目標周圍隨著受控目標一起移動或設置於顯示幕中之固定位置。

　　本發明之方法包含下列步驟：a.中央處理器依照設定之時間差以隨機閃爍方式將至少二刺激訊號反覆地顯示於顯示單元上，該刺激訊號給予使用者感官刺激，以誘發使用者之腦波訊號；b.透過腦波擷取單元擷取及接收使用者之腦波訊號；c.透過該訊號處理器將腦波訊號進行放大、去除雜訊與濾波處理，由類比訊號轉換成數位訊號後，傳送至中央處理器；d.該中央處理器係接收該數位訊號加予累加並進行分析與處理後，產生辨識結果並依此執行控制指令。

　　綜上所述，本發明具有下列優點：

　　1.以事件相關電位(ERPs)誘發並擷取使用者之腦波訊號，根據累加之腦波訊號解析出使用者之真正意圖，並依此執行控制指令，其可正確且精準的達到使用者的操控需求目標。

　　2.刺激訊號之數目可依照實際需求做增減調整，各刺激訊號係對應不同的控制指令，其透過時間差以隨機閃爍方式誘發使用者之腦波訊號，使用者對於其需求的刺激訊號將會產生較大的腦波反應，而使用者的專注力程度並不會影響辨識結果，可有效減輕使用時的負擔，本發明不僅適用於一般使用者，更可為四肢不便之使用者提供一種便利且實用性高的非接觸式操控方法。

　　請參閱第1及第2圖所示，本發明提供一種利用事件相關電位進行腦波控制之系統，該系統包括有一腦波擷取單元1、一腦波訊號處理裝置2及一顯示單元3，其中：

　　該腦波擷取單元1為貼附於使用者頭部以擷取使用者腦波訊號11的裝置，其可為由銀與銀化合物電鍍製作而成的數腦波電極貼片或腦波收集帽。

　　該腦波訊號處理裝置2至少包括一訊號處理器21及一中央處理器22，該訊號處理器21係與腦波擷取單元1連結，其接收使用者的腦波訊號11後，進行放大、去除雜訊與濾波處理，再將其由類比訊號12轉換成數位訊號13；該中央處理器22係接收該數位訊號13進行分析與處理後，產生辨識結果並依此執行控制指令。

　　該顯示單元3係為一顯示幕，其與該中央處理器22連結，用以顯示至少二刺激訊號31，該刺激訊號31係分別對應不同的控制指令，該刺激訊號31可設置於受控目標周圍隨著受控目標移動或設置於顯示幕中之固定位置。

　　請參閱第3圖所示，本發明提供一種利用事件相關電位進行腦波控制之方法，包含下列步驟：

　　a.中央處理器22依照設定之時間差以隨機閃爍方式將至少二刺激訊號31反覆地顯示於顯示單元3上，該刺激訊號31給予使用者感官刺激，以誘發使用者之腦波訊號11；

　　b.透過腦波擷取單元1擷取及接收使用者之腦波訊號11；

　　c.透過該訊號處理器21將腦波訊號11進行放大、去除雜訊與濾波處理，將其由類比訊號12轉換成數位訊號13後，傳送至中央處理器22；

　　d.該中央處理器22接收該數位訊號12加予累加並進行分析與處理後，產生辨識結果並依此執行控制指令。

　　請參閱第2、第4及第5圖所示，係本發明之較佳實施例，該顯示單元3為一與該中央處理器22連結之顯示幕，其顯示有五個刺激訊號31，分別為向左符號311、向右符號312、向上符號313、向下符號314及停止符號315，用來對應一受控目標，本實施例係以滑鼠游標32為受控目標，該刺激訊號31設置於該滑鼠游標32周圍，並對應控制滑鼠游標32執行左移、右移、上移、下移及停止動作；該中央處理器22會依據預先設定之時間差以隨機閃爍方式將前述五個刺激訊號31反覆地顯示於顯示單元3上，透過該刺激訊號31給予使用者感官刺激，誘發使用者產生腦波訊號11，舉例來說，使用者若欲使滑鼠游標32向左移動，則專注向左符號311，其可採用如默數閃爍次數之方式，使大腦偵測到該向左符號311產生的事件相關電位會有一較大反應(如某一時段中，腦波波形圖所顯示峰值較突出)。

　　接著，透過腦波擷取單元1擷取及接收使用者之腦波訊號11後；透過該訊號處理器21將腦波訊號11進行放大、去除雜訊與濾波處理，將其由類比訊號12轉換成數位訊號13後，傳送至中央處理器22。

　　該中央處理器22係接收該數位訊號12加予累加並進行分析與處理後，產生辨識結果確認使用者選擇之刺激訊號31為向左符號311，依此控制滑鼠游標32執行左移動作，以完成使用者之需求目標，而當滑鼠游標32受控移動時，該刺激訊號31之顯示位置會隨著滑鼠游標32移動，以提升操控時的便利性。

　　綜上，本發明所達之功效已卓越的達成，申請人爰依法提呈申請。惟以上所述者，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和專利範圍內，所作各種之更動與修改，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．腦波擷取單元

11．．．腦波訊號

12．．．類比訊號

13．．．數位訊號

2．．．腦波訊號處理裝置

21．．．訊號處理器

22．．．中央處理器

3．．．顯示單元

31．．．刺激訊號

311．．．向左符號

312．．．向右符號

313．．．向上符號

314．．．向下符號

315．．．停止符號

32．．．滑鼠游標

第1圖：係本發明之架構示意圖。

第2圖：係本發明之運作流程圖。

第3圖：係本發明之步驟流程圖。

第4及第5圖：係本發明較佳實施例之實施狀態示意圖。

1．．．腦波擷取單元

11．．．腦波訊號

12．．．類比訊號

13．．．數位訊號

2．．．腦波訊號處理裝置

21．．．訊號處理器

22．．．中央處理器

3．．．顯示單元

31．．．刺激訊號

Claims (4)

1. 一種利用事件相關電位進行腦波控制之系統，包括：　　一腦波擷取單元，為貼附於使用者頭部以擷取使用者腦波訊號的裝置；　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一腦波訊號處理裝置，包括一訊號處理器及一中央處理器，該訊號處理器係與腦波擷取單元連結，其接收使用者的腦波訊號後，進行放大、去除雜訊與濾波處理，再將其由類比訊號轉換成數位訊號，該中央處理器係接收該數位訊號進行分析與處理後，產生辨識結果並依此執行控制指令；以及　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一顯示單元，係為一顯示幕，其與該中央處理器連結，用以顯示至少二刺激訊號，該刺激訊號分別對應不同的控制指令。
2. 如申請專利範圍第1項所述之利用事件相關電位進行腦波控制之系統，其中，該刺激訊號可設置於受控目標周圍隨著受控目標移動或設置於顯示幕中之固定位置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之利用事件相關電位進行腦波控制之系統，其中，該腦波擷取單元為由銀與銀化合物電鍍製作而成的數腦波電極貼片或腦波收集帽。
4. 一種利用事件相關電位進行腦波控制之方法，包含下列步驟：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　a.中央處理器依照設定之時間差以隨機閃爍方式將至少二刺激訊號反覆地顯示於顯示單元上，該刺激訊號給予使用者感官刺激，以誘發使用者之腦波訊號；　　　　　　　b.透過腦波擷取單元擷取及接收使用者之腦波訊號；　c.透過該訊號處理器將腦波訊號進行放大、去除雜訊與濾波處理，將其由類比訊號轉換成數位訊號後，傳送至中央處理器；　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　d.該中央處理器係接收該數位訊號加予累加並進行分析與處理後，產生辨識結果並依此執行控制指令。