EOG眼电信号分析系统文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

人机交互（Human-Computer, HCI）又称人机接口、人机界面，是指人与计算机之间通过软件设施（对话语言）和硬件设施（输入输出设备）进行信息交换，从而完成确定任务的技术。

人机交互的发展历史，是从人适应计算机到计算机不断地适应人的发展史，人机交互的发展经历了几个阶段：非交互的批处理阶段、语言命令交互阶段、图形用户界面（GUI）交互阶段、自然和谐的人机交互阶段和多通道、多媒体的智能人机交互阶段^[1-3]。

20世纪90年代后期以来，随着高速处理芯片、多媒体技术和互联网技术的迅速发展和普及，新一代的人机交互的发展主要围绕集成化、网络化、智能化和标准化等方面展开。无障碍的人机交互系统的研究得到了广泛的关注，目前比较有发展前景的人机交互系统有机电控制的人机交互系统、脑机接口系统和眼动控制的人机交互系统。

人体生理电信号，比如肌电 （eletromyography，EMG）、 脑电（electroencephalography，EEG）、眼电（electrooculography,EOG）等，是个体对外界信息反映的一种表现形式，可直接反映个体的意图^[4]。 通过专用设备获取人体生物电信号，经过相关算法分析处理，获得个人行为意图，进而实现对外部设备的直接控制，将其应用至军事、娱乐、医疗康复等方面，已成为人机交互研究的一个热点^[5]。

基于运动想象^[6,7]、事件相关电位^[8,9]、视觉诱发电位^[10]的人机交互系统，是利用脑电信号进行人机交互的常用手段。 国内外研究机构在这方面也取得了较多的研究成果，比如：Farewell等设计出了一种基于P300信号的字符拼写系统^[11]；李远清团队混合了运动想象和P300的人机交互系统，实现了利用脑电信号操作鼠标、浏览网页的功能^[12]。 尽管目前基于脑电的人机接口系统取得的成果较多， 而且准确率也由最初不足80％提高到了90％以上^[13,14]，但由于脑电信号幅度微弱，自发脑电幅度一般为2~100mu;Ｖ，诱发脑电一般在0.1~20mu;Ｖ^[15]，很容易受到外界信号干扰，需要复杂的硬件电路和软件算法进行信号处理，因此此类系统抗干扰能力差，不具备可穿戴的特点，不适合在日常生活中使用，只能出现在实验室。基于肌电信号的人机交互系统也是人们关注的一个热点，比如微软研究中心开发的基于肌电的虚拟现实游戏系统^[16]、德国柏林工业大学研发的一款下肢外骨骼助力机器人^[17]等。 但肌电系统的应用范围有限，如要求使用者肌肉状态良好，这导致其无法应用至肢体残缺或四肢瘫痪的病人身上。此外，肌电信号个体特异性高，规模化推广相对困难^[5]。

在上述３种生理信号中，眼部运动产生的眼电信号幅度特征明显，抗干扰能力相对较强，而且应用对象广泛。比如，运动神经元疾病患者，尤其是肌萎缩侧索硬化患者，眼部运动功能是最后丧失的功能^[18]。因此，利用眼电信号开发人机交互系统，具有较高的应用价值。

对于大部分肢体障碍患者来说,虽然其肢体功能存在棚种程度的缺陷,但是他们的大部分其他功能都与正常人一样,尤其是眼部功能,即他们依然可以按照自己的主观意愿自由的控制眼球运动。所以如果能够通过某种方式将这些眼动信息提取出来,然后按照已经得到的关于眼动的相关知识将这些信息按照一定的规律进行解码,进而指挥控制外部的电子辅助设备如计算机、家用电器等的运行状态,对于肢体障碍患者来说,通过找到一种替代肌肉通路功能的外部通路,使他们能够像正常人一样表达白己的意志。

1849年,DuBois-Reymond等人发现人眼的运动会引起人体眼睛周围皮肤表面的电极电势发生变化,其电势大小在0.4-10mVv之间,这实际上就是后来发现的眼电信号。当代临床上测定的眼电信号是其静息电势,常规的记录方法是从眼睛外侧皮肤表面间接获取。眼电信号随眼球运动而不断变化,形成了随时间变化的波形,该波形即称作眼电图(Electrooeulogram, EOG)^[19].在电学特性上,眼球前部的角膜是正性的,而视网膜是负性的,图1.3为眼球的生理结构示意图。根据这一特点,我们可以把眼球看作一个双极子。当将电极放置于皮肤上的时候,眼球这一双极子因为运动而造成的电位变化就可以被测量出来.如果被试直视前方,我们可以记录到一条相对比较平稳的波形。当眼球的佐转角度在0-30°时,水平眼电信号的帽值和眼球偏转的方向以及角度成线性关系变化,当眼球的偏转角度超过30°时,水平眼电信号的幅值和眼球偏转的方向及角度成三角函数关系。

美国波士顿学院的James Gips教授带领其研究团队研发出了一套基于眼动控制的人机交互产品EagleEyes,该产品开启了基于眼动控制的无障碍人机交互技术的发展^[20]。EagleEyes系统混合了眼电控制和头动控制,使用户能更好地与计算机进行交互,其相关的一系列配套外围软件,完善了该系统的功能,使用户能够自如地使用计算机收发邮件、浏览信息等。在这十几年时间里,EagleEyes系统成功地应用到残障人士身上,并且帮助个别残障儿童完成了课程的学习^[21]。按照系统功能分类,基于眼电的人机交互系统大致可分为:基于眼电的虚拟键盘打字系统、基于眼电的电动轮椅自动控制系统、基于眼电的机械臂控制系统以及基于眼电的重症病人监护系统^[22]。

与其他的人机交互系统相比,眼动控制的人机交互系统具有模式相对简单、识别正确率较高的特点,使用过程中用户不需要肢体操作,对肢体障碍患者依然有效,而且这是一种客观记录方法,绝大部分用户不需要专门的训练。因此,眼动控制的人机交互系统更适合于为残障人士使用。