TWI449515B - 步進延遲閃爍序列之腦機介面控制方法及其系統 - Google Patents

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Description

步進延遲閃爍序列之腦機介面控制方法及其系統
本發明是有關於一種腦機介面的控制方法及其系統，且特別是有關於一種步進延遲閃爍序列之腦機介面控制方法及其系統。
隨著，醫學工程的不斷創新與進步，近年來腦機介面(Brain Computer Interface,BCI)系統已經廣泛地應用於各種特定裝置之驅動控制介面中。例如，輪椅、病床以及娛樂多媒體裝置之動作命令可透過腦機介面系統之顯示裝置產生相對應之視覺刺激信號。接著，腦機介面系統獲取使用者注視顯示裝置時相對應產生之腦波信號，並判斷腦波信號所對應之動作命令，以對上述裝置進行動作控制。
習知腦機介面技術包含穩態視覺誘發電位(Steady-state Visual Evoked Potential,SSVEP)系統、閃爍視覺誘發電位(Flash Visual Evoked Potential,FVEP)系統、相位標定閃光序列(Phase tagged flickering sequence)視覺誘發電位系統以及雙相位刺激(Biphasic stimulation)視覺誘發電位系統，用以透過相異之視覺閃爍序列編碼方式產生視覺刺激信號。
然而，穩態視覺誘發電位系統所能提供之視覺選項有限，若採用多頻率刺激以增加視覺選項時，則會造成腦波響應能量不同與閃光畫面凌亂的問題。閃爍視覺誘發電位系統則會產生閃光順序凌亂的畫面，且易受其他生理信號的干擾。相位標定閃光序列視覺誘發電位系統在不同使用者之生理反應差異下，必須先校正初始閃光相位，而且在長時間使用下因為使用者之視覺疲勞而產生響應相位偏移，使得閃光相位必須重新校正。雙相位刺激視覺誘發電位系統則須對視覺刺激信號與腦波信號之參考相位進行量測，使得冗餘資料增加。
因此，迄今習知技術仍具有上述缺陷與不足之處需要解決。
本揭示內容之一態樣是在提供一種步進延遲閃爍序列之腦機介面控制系統，包含閃爍序列產生單元、顯示單元、量測單元以及信號處理單元。閃爍序列產生單元用以產生複數個相異之閃爍序列信號，閃爍序列信號係由穩定閃光區段與相異時序劃分之複數個步進延遲閃光區段進行編碼而形成。顯示單元電性耦接閃爍序列產生單元，包含複數個顯示區域，用以顯示相對應閃爍序列信號之複數個目標影像。量測單元透過電極連接生物體，用以獲取生物體受目標影像誘發所產生之響應信號。信號處理單元電性耦接量測單元以及閃爍序列產生單元，並透過數學方法對響應信號進行信號處理，以辨識生物體係注視目標影像中之哪一者而產生相對應之控制命令。
依據本揭示內容之一實施例，其中步進延遲閃光區段所對應之複數個延遲期間係為相異。
依據本揭示內容之一實施例，其中步進延遲閃光區段係對應延遲閃光頻率，且延遲閃光頻率係為可調整。
依據本揭示內容之一實施例，其中穩定閃光區段之持續期間係為可調整。
依據本揭示內容之一實施例，其中每個閃爍序列信號之穩定閃光區段具有複數個閃光週期，且閃光週期係對應穩定閃光頻率。
依據本揭示內容之一實施例，其中閃爍序列信號具有相同或相異之穩定閃光頻率。
依據本揭示內容之一實施例，其中閃光週期之亮暗區間比係為可調整。
依據本揭示內容之一實施例，其中閃爍序列產生單元包含可程式化晶片。可程式化晶片係為單晶片、可程式邏輯閘陣列以及微控制器中至少一者，並透過軟體、硬體或軟硬體結合之方式產生閃爍序列信號。
依據本揭示內容之一實施例，其中顯示區域之顯示亮度以及顯示圖案係為可調整。
本揭示內容之另一態樣是在提供一種步進延遲閃爍序列之腦機介面控制方法，包含下列操作步驟。首先，產生複數個相異之閃爍序列信號，其中閃爍序列信號係由穩定閃光區段與相異時序劃分之複數個步進延遲閃光區段進行編碼而形成。隨後，顯示相對應閃爍序列信號之複數個目標影像。接著，獲取生物體受目標影像誘發所產生之響應信號。其後，透過數學方法對響應信號進行信號處理，以辨識生物體係注視目標影像中之哪一者。隨後，產生相對應目標影像中之一者之控制命令。
依據本揭示內容之一實施例，上述腦機介面控制方法更包含藉由數位濾波方法、時間平均技術、獨立成分分析法、經驗模態分解法以及小波分析中至少一者消除響應信號中預設頻率範圍以外之雜訊，以提高響應信號之信號雜訊比。
依據本揭示內容之一實施例，其中對響應信號進行信號處理係包含下列操作步驟。首先，進行響應信號之疊加平均，以產生平均響應信號。隨後，依據穩定閃光區段與步進延遲閃光區段之時序劃分計算平均響應信號之複數個正規化能量。接著，依據正規化能量中之最大正規化能量判斷響應信號與閃爍序列信號中之哪一者具有最大關聯性，以辨識生物體之注視目標。其後，判斷最大正規化能量是否大於預設臨界值，以決定是否產生對應生物體之注視目標的控制命令。
依據本揭示內容之一實施例，其中數學方法包含傅立葉轉換、疊加平均比對樣板能量強度、類神經網路、支持向量機以及隱馬爾可夫模型中至少一者。
根據本揭示內容上述技術樣態所述之技術內容，腦機介面控制系統可使用較少的閃光頻率達成多通道目標影像顯示之目的，並具有較穩定與快速的目標辨識時間，以提高腦機介面之使用便利性。
以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之較佳實施例後，當可由本揭示內容所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭示內容之精神與範圍。
第1圖係依照本揭示內容之實施例繪示一種步進延遲閃爍序列之腦機介面控制系統100的示意圖。上述腦機介面控制系統100可包含閃爍序列產生單元110、顯示單元120、量測單元130以及信號處理單元140。
同時參照第2圖。第2圖係繪示如第1圖所示之腦機介面控制系統100中閃爍序列信號的編碼示意圖。閃爍序列產生單元110可用以產生複數個相異之閃爍序列信號，其中閃爍序列信號係由穩定閃光區段tf (例如：468.75 ms)與相異時序劃分之複數個步進延遲閃光區段td (例如：0 ms、5.2 ms、10.4 ms、15.6 ms、20.8 ms、26 ms)進行編碼而形成。
顯示單元120電性耦接閃爍序列產生單元110，並可包含複數個顯示區域，例如，顯示區域121～顯示區域126，用以顯示相對應閃爍序列信號之複數個目標影像。在本實施例中，顯示區域121～顯示區域126之發光元件可為燈泡、LED以及LCD中之任一者，且不以此為限。
量測單元130可透過電極131～電極133連接生物體1000，用以獲取生物體1000受目標影像誘發所產生之響應信號。在本實施例中，量測單元130係依據國際10-20系統將電極131(腦波電極)黏貼於生物體1000之Oz視覺區，電極132(參考電極)黏貼於生物體1000之耳後乳突(mastoid)，電極133(接地電極)黏貼於生物體1000之前額。此外，量測單元130可包含生醫訊號放大器以及類比數位轉換器(未繪示)，以對量測單元130所獲取之類比式腦波信號進行信號放大，並轉換為相對應之數位信號。
信號處理單元140電性耦接量測單元130以及閃爍序列產生單元110，並可透過數學方法對響應信號進行信號處理，以辨識生物體1000係注視目標影像中之哪一者而產生相對應之控制命令給控制單元150，使得控制單元150可對週邊設備或溝通裝置進行操控。
如第2圖所示。在本揭示內容之一實施例中，步進延遲閃光區段td 所對應之複數個延遲期間係為相異。例如，第一～第六閃爍序列信號之步進延遲閃光區段td 可配置為0 ms、5.2 ms、10.4 ms、15.6 ms、20.8 ms、26 ms，以形成6個具有相異步進延遲閃光區段td 之閃爍序列信號。
在本揭示內容之一實施例中，步進延遲閃光區段td 係對應延遲閃光頻率，且延遲閃光頻率係為可調整。例如，第一～第六閃爍序列信號之步進延遲閃光區段td 所對應之延遲閃光頻率可調整為0 Hz～200 Hz中之任一頻率。亦即，步進延遲閃光區段td 可包含常亮狀態、常暗狀態或特定頻率之步進閃光信號。
在本揭示內容之一實施例中，穩定閃光區段tf 之持續期間係為可調整。例如，穩定閃光區段tf 之持續期間可調整為468.75 ms，且不以此為限。
在本揭示內容之一實施例中，每個閃爍序列信號之穩定閃光區段tf 具有複數個閃光週期，且閃光週期係對應穩定閃光頻率。例如，第一～第六閃爍序列信號之穩定閃光區段tf 可具有15個閃光亮暗之閃光週期。若穩定閃光區段tf 之持續期間為468.75 ms時，則每個閃光週期對應之穩定閃光頻率為32 Hz。
在本揭示內容之一實施例中，閃爍序列信號可具有相同或相異之穩定閃光頻率。例如，第一～第六閃爍序列信號可具有32 Hz之穩定閃光頻率，而第七～第十二閃爍序列信號(未繪示)可具有35 Hz之穩定閃光頻率。需說明的是，上述閃爍序列信號之數量及其相對應之穩定閃光頻率係依據實際操作需求所決定，而不以此為限。
在本揭示內容之一實施例中，閃光週期之亮暗區間比係為可調整。例如，以對應穩定閃光頻率為31.25 Hz之閃光週期作為說明。在此實施例中，閃光週期係為32 ms，並可將亮、暗區間分別調整為16 ms與16 ms，使得此閃光週期具有50%-50%之工作週期(Duty cycle)。此外，更可將亮、暗區間分別調整為24 ms與8 ms，使得此閃光週期具有75%-25%之工作週期。
第3圖係繪示如第2圖所示之腦機介面控制系統中複數個閃爍序列信號的編碼示意圖。舉例來說，當操作上需要6個控制動作以操控週邊設備與溝通裝置時，閃爍序列產生單元110可產生對應上述控制動作之第一～第六閃爍序列信號。第一～第六閃爍序列信號均包含一個持續時間為468.75 ms的穩定閃光區段tf ，且每個穩定閃光區段tf 具有15個閃光亮暗之閃光週期。
在本實施例中，第一閃爍序列信號可包含0 ms之步進延遲閃光區段td 。亦即，第一閃爍序列信號在時序上係以穩定閃光區段tf 之後接著下一個穩定閃光區段tf 之方式進行編碼。第二閃爍序列信號可包含5.2ms之步進延遲閃光區段td 。亦即，第二閃爍序列信號在時序上係以穩定閃光區段tf 之後接著5.2ms之步進延遲閃光區段td ，然後再接著下一個穩定閃光區段tf 之方式進行編碼。同理，第三~第六閃爍序列信號可分別包含10.4ms、15.6ms、20.8ms、26ms之步進延遲閃光區段td 。然後，可依據上述穩定閃光區段tf 與多個步進延遲閃光區段td 之時序劃分方式進行編碼，以產生6個具有相異步進延遲閃光區段td 之閃爍序列信號，進而分別驅動顯示單元120之顯示區域121~顯示區域126，以產生對應之目標影像。
在本揭示內容之一實施例中，閃爍序列產生單元110包含可程式化晶片。可程式化晶片可為單晶片、可程式邏輯閘陣列(Field programming gate array,FPGA)以及微控制器中至少一者，並透過軟體、硬體或軟硬體結合之方式產生閃爍序列信號。
在本揭示內容之一實施例中，顯示區域121~顯示區域126之顯示亮度以及顯示圖案(Pattern)係為可調整。亦即，顯示亮度可依據視覺上的舒適度而進行調整，而顯示圖案可為幾何圖案、靜態圖案以及動態圖案之任一者，且不以此為限。
第4圖係依照本揭示內容之實施例繪示一種步進延遲閃爍序列之腦機介面控制方法的流程圖。上述控制方法可應用於如第1圖所示之步進延遲閃爍序列之腦機介面控制系統100中，並可包含下列步驟。首先，在步驟410中，產生複數個相異之閃爍序列信號，其中閃爍序列信號係由穩定閃光區段tf 與相異時序劃分之複數個步進延遲閃光區段td 進行編碼而形成。需說明的是，本實施例中之閃爍序列信號係與第2圖與第3圖所示之編碼方式相同或相似，於此不再贅述。隨後，在步驟420中，顯示相對應閃爍序列信號之複數個目標影像。接著，在步驟430中，獲取生物體1000受目標影像誘發所產生之響應信號。此外，腦機介面控制方法更包含藉由數位濾波方法、時間平均技術(Temporal ensemble averaging)、獨立成分分析法(Independent component analysis)、經驗模態分解法(Empirical mode decomposition)以及小波分析(Wavelet analysis)中至少一者消除響應信號中預設頻率範圍(例如：29 Hz～35 Hz)以外之雜訊，以提高響應信號之信號雜訊比，如步驟440所示。
其後，在步驟450中，可透過數學方法對響應信號進行信號處理，以辨識生物體1000係注視目標影像中之哪一者。在一實施例中。上述數學方法可包含傅立葉轉換(Fourier transform)、疊加平均比對樣板能量強度、類神經網路、支持向量機(Support vector machines)以及隱馬爾可夫模型(Hidden Markov model)中至少一者，以提供信號處理所需之演算法。
隨後，在步驟460中，產生相對應目標影像中之一者之控制命令，以操控週邊設備與溝通裝置執行相對應之動作。
在步驟450中，對響應信號進行信號處理係可包含數個操作步驟，在此以一實施範例進行說明，請參照第5圖～第6B圖。第5圖係依照本揭示內容之另一實施例繪示一種步進延遲閃爍序列之腦機介面控制方法的流程圖。第6A圖係繪示如第5圖所示之腦機介面控制方法的響應信號時序示意圖。第6B圖係繪示如第5圖所示之腦機介面控制方法中依據相異切割週期計算響應信號之時序示意圖。上述控制方法可應用於如第1圖所示之步進延遲閃爍序列之腦機介面控制系統100中，並可包含下列步驟。需說明的是，步驟510～步驟540係與第4圖所示之步驟410～步驟440相同或相似，於此不再贅述。
在步驟550中，可依據穩定閃光區段tf 與步進延遲閃光區段td 之時序劃分進行響應信號之疊加平均，以產生平均響應信號。隨後，在步驟560中，計算平均響應信號之複數個正規化能量(Normalized power)。
舉例來說，每個閃爍序列信號可表示為si (t)=si (t+Ti )之週期序列型式，其中Ti =tf +(i-1)tb ，tf 為穩定閃光區段的持續期間(例如：468.75 ms)，tb 為基本延遲時間(basic delay time)，i為目標影像之數量。
在本實施例中，可利用傅立葉轉換方法對閃爍序列信號進行轉換，並得到如下列公式所示之數學型式：
S i (jω )=e jωTi S i (jω )
在本實施例中，可將閃爍序列信號si (t)利用不同的觸發事件從0 ms到468.75 ms進行切割。例如，對閃爍序列信號進行切割週期為Tk 之切割程序，使其成為片段si (t),si (t+Tk ),...,si (t+5Tk )，並且計算閃爍序列信號的平均響應信號(t )為：
接著，再利用傅立葉轉換方法將上述平均響應信號轉換為(jω )之型式，並可表示如下列公式：
當第k個切割週期與第i個注視目標相同時(k=i)，可得平均響應信號如下列公式：
當第k個切割週期與第i個注視目標相異時(k≠i)，可得平均響應信號如下列公式：
在本實施例中，由於閃光頻率f0 可設置為32 Hz，因此，藉由設定頻率ω =ω 0 ，其中ω =2πf ，t b =1/6f ，可將當第k個切割週期與第i個注視目標相異時的平均響應信號(jω )以下列公式表示：
由此可知，當第k個切割週期與第i個注視目標相異時的平均響應信號為0。
在本揭示內容之一實施例中，響應信號可由數學上不同權重的6個閃爍序列信號誘發生物體1000之腦波信號加上SSVEP系統中不相關的雜訊所組成，並可將響應信號表示為下列公式：
其中si (t)表示對應閃爍序列信號之腦波響應信號，t0 是SSVEP反應延遲時間，ai 是第i個目標影像對應響應信號的權重。在本實施例中，可藉由不同的切割週期Tk (k=1,...,M)將響應信號x(t)切割成複數個期間(epochs)。因此，可將上述期間表示為Ek (j)，其中Ek (j)為響應信號x(t)以第k個閃爍序列信號的觸發事件進行切割的第j個期間片段。
接著，再利用上述的疊加平均技術可獲得，並計算出正規化能量。
當生物體1000注視顯示區域123時，由於顯示區域123係由第三閃爍序列信號所驅動，因此，量測單元130所獲取到之生物體1000的響應信號可表示為如第6A圖所示之時序示意圖。在信號處理程序中，可依據第一～第六閃爍序列信號之時序劃分方式對響應信號進行切割，以得到如第6B圖所示之時序示意圖。因此，以第一閃爍序列信號對應之切割週期T1 對響應信號進行切割所得到的正規化能量為P1 =0.1725。同理，以第二～第六閃爍序列信號對應之切割週期T3 ～T6 對響應信號進行切割所得到的正規化能量分別為0.0837、0.4136、0.1283、0.1206以及0.0813。
由於響應信號會與注視的閃爍序列信號同步，因此，生物體1000所注視之目標可藉由最大的正規化能量(maximum normalized power,MNP)取得。亦即，搜尋上述6個正規化能量中最大之一者，而得到最大正規化能量為P3 =0.4136，如步驟570所示，並依據最大正規化能量判斷響應信號與第三閃爍序列信號具有最大關聯性。因此，可辨識生物體1000所注視之目標為顯示區域123。
其後，在步驟580中，判斷最大正規化能量是否大於預設臨界值，以辨識是否獲取有效之腦波信號，而決定是否產生對應生物體1000之注視目標的控制命令。
相較於習知作法，在本揭示內容上述實施例中，可透過步進延遲閃光編碼之閃爍序列信號進行視覺刺激，並且透過時間平均方式進行數學運算，以辨識使用者之注視目標。如此一來，可達到不需進行相位校正、使用較少的閃光頻率達成多通道目標影像顯示、閃光順序不凌亂之顯示畫面、使用時較無視覺上的不適感、不易受其他生理信號干擾以及較穩定且快速的目標辨識時間之目的，以增加腦機介面之使用便利性。
在本揭示內容中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行，而不以上述為限。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．步進延遲閃爍序列之腦機介面控制系統
110．．．閃爍序列產生單元
120．．．顯示單元
121～126．．．顯示區域
130．．．量測單元
131～133．．．電極
140．．．信號處理單元
150．．．控制單元
1000．．．生物體
410～460．．．操作步驟
510～590．．．操作步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖係依照本揭示內容之實施例繪示一種步進延遲閃爍序列之腦機介面控制系統的示意圖。
第2圖係繪示如第1圖所示之腦機介面控制系統中閃爍序列信號的編碼示意圖。
第3圖係繪示如第2圖所示之腦機介面控制系統中複數個閃爍序列信號的編碼示意圖。
第4圖係依照本揭示內容之實施例繪示一種步進延遲閃爍序列之腦機介面控制方法的流程圖。
第5圖係依照本揭示內容之另一實施例繪示一種步進延遲閃爍序列之腦機介面控制方法的流程圖。
第6A圖係繪示如第5圖所示之腦機介面控制方法的響應信號時序示意圖。
第6B圖係繪示如第5圖所示之腦機介面控制方法中依據相異切割週期計算響應信號之時序示意圖。
510～590．．．操作步驟

Claims (12)

  1. 一種步進延遲閃爍序列之腦機介面控制系統，包含一閃爍序列產生單元，用以產生複數個相異之閃爍序列信號，該些閃爍序列信號係由一穩定閃光區段與相異時序劃分之複數個步進延遲閃光區段進行編碼而形成，其中每一該些閃爍序列信號之該穩定閃光區段具有複數個閃光週期，且該些閃光週期係對應一穩定閃光頻率；一顯示單元，電性耦接該閃爍序列產生單元，該顯示單元包含複數個顯示區域，用以顯示相對應該些閃爍序列信號之複數個目標影像；一量測單元，透過電極連接一生物體，用以獲取該生物體受該些目標影像誘發所產生之一響應信號；以及一信號處理單元，電性耦接該量測單元以及該閃爍序列產生單元，並透過一數學方法對該響應信號進行信號處理，以辨識該生物體係注視該些目標影像中之哪一者而產生相對應之一控制命令。
  2. 如請求項1所述之腦機介面控制系統，其中該些步進延遲閃光區段所對應之複數個延遲期間係為相異。
  3. 如請求項1所述之腦機介面控制系統，其中該些步進延遲閃光區段係對應一延遲閃光頻率，且該延遲閃光頻率係為可調整。
  4. 如請求項1所述之腦機介面控制系統，其中該穩定閃光區段之持續期間係為可調整。
  5. 如請求項1所述之腦機介面控制系統，其中該些閃爍序列信號具有相同或相異之該穩定閃光頻率。
  6. 如請求項1所述之腦機介面控制系統，其中該些閃光週期之亮暗區間比係為可調整。
  7. 如請求項1所述之腦機介面控制系統，其中該閃爍序列產生單元包含一可程式化晶片，該可程式化晶片係為單晶片、可程式邏輯閘陣列以及微控制器中至少一者，並透過軟體、硬體或軟硬體結合之方式產生該些閃爍序列信號。
  8. 如請求項1所述之腦機介面控制系統，其中該些顯示區域之顯示亮度以及顯示圖案係為可調整。
  9. 一種步進延遲閃爍序列之腦機介面控制方法，包含：產生複數個相異之閃爍序列信號，該些閃爍序列信號係由一穩定閃光區段與相異時序劃分之複數個步進延遲閃光區段進行編碼而形成，其中每一該些閃爍序列信號之該 穩定閃光區段具有複數個閃光週期，且該些閃光週期係對應一穩定閃光頻率；顯示相對應該些閃爍序列信號之複數個目標影像；獲取一生物體受該些目標影像誘發所產生之一響應信號；透過一數學方法對該響應信號進行信號處理，以辨識該生物體係注視該些目標影像中之哪一者；以及產生對應該些目標影像中之一者之一控制命令。
  10. 如請求項9所述之腦機介面控制方法，更包含：藉由數位濾波方法、時間平均技術、獨立成分分析法、經驗模態分解法以及小波分析中至少一者消除該響應信號中一預設頻率範圍以外之雜訊，以提高該響應信號之信號雜訊比。
  11. 如請求項9所述之腦機介面控制方法，其中對該響應信號進行信號處理之步驟包含：進行該響應信號之疊加平均，以產生一平均響應信號；依據該穩定閃光區段與該些步進延遲閃光區段之時序劃分計算該平均響應信號之複數個正規化能量；依據該些正規化能量中之一最大正規化能量判斷該響應信號與該些閃爍序列信號中之哪一者具有最大關聯性，以辨識該生物體之注視目標；以及判斷該最大正規化能量是否大於一預設臨界值，以決 定是否產生對應該生物體之注視目標之該控制命令。
  12. 如請求項9所述之腦機介面控制方法，其中該數學方法包含傅立葉轉換、疊加平均比對樣板能量強度、類神經網路、支持向量機以及隱馬爾可夫模型中至少一者。
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