摘要：活的細(xì)胞、組織或器官興奮時，不論其外部表現(xiàn)如何不同，都伴隨著有電的變化，這也是人體電信號產(chǎn)生的原因。這些電信號可以通過儀器記錄下來并進(jìn)行分析，可以獲得重要的信息。到目前為止，腦電、心電等都已經(jīng)廣泛地應(yīng)用與醫(yī)學(xué)和科研中。人體視覺系統(tǒng)在和外部世界互動的過程中，接受到外界的反饋信號后，會自動調(diào)整眼球位置以得到清晰的圖像，在眼球運(yùn)動過程中會產(chǎn)生眼電信號，通過貼在兩眼外側(cè)的生物電極，可對微弱的眼電信號（eog）進(jìn)行測量。對眼電信號進(jìn)行放大濾波并進(jìn)行分析，可以得到眼球運(yùn)動的軌跡。本作品正是根據(jù)這一原理，設(shè)計(jì)了一個可以用眼睛控制的無線鼠標(biāo)，同時陪兩個加速傳感器，分別用于輔助調(diào)整和進(jìn)行左右鍵控制，這是對眼電信號應(yīng)用的一次探索。

    關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集，信號處理，eog，眼控鼠標(biāo)

    1 引言

    活的細(xì)胞、組織或器官興奮時，不論其外部表現(xiàn)如何不同，都伴隨著有電的變化，這也是人體電信號產(chǎn)生的原因。這些電信號可以通過儀器記錄下來并進(jìn)行分析，可以獲得重要的信息。到目前為止，腦電、心電等都已經(jīng)廣泛地應(yīng)用與醫(yī)學(xué)和科研中。同樣，在眼球運(yùn)動的過程中，會產(chǎn)生可測量的電位變化，稱為眼電 (electro-oculogram，簡稱eog)。對眼電信號進(jìn)行放大濾波并進(jìn)行分析，可以得到眼球運(yùn)動的軌跡。利用這一原理，就可以利用眼球的運(yùn)動對計(jì)算機(jī)界面直接進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)人腦和計(jì)算機(jī)的交互。在此，我們設(shè)計(jì)了一套利用eog信號實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)的實(shí)時控制系統(tǒng)，對eog信號進(jìn)行放大和消躁處理后，對其中的眼動軌跡相關(guān)信息進(jìn)行抽提和分析，用以對計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。這一系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的鼠標(biāo)等外接設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互的方式，有著很強(qiáng)的新穎性。

    2 工作原理

    在臨床中，眼電（electro -oculogram，eog）記錄是應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)。而近幾年來，在腦機(jī)界面（bci，brian computer interface）研究領(lǐng)域中，eog由于其成本低廉，信號穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)以及非侵入性而越來越受到廣泛關(guān)注。接下來介紹一下系統(tǒng)的原理：

    眼球運(yùn)動：人類視覺系統(tǒng)的最前端，就是人的眼球。人的眼球是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)巧妙的光學(xué)成像系統(tǒng)。如圖1 所示。外界的圖像通過角膜，虹膜，晶狀體，玻璃體等一系列結(jié)構(gòu)的反復(fù)折射，最終在視網(wǎng)膜上形成縮小、倒立的影像。眼部運(yùn)動的目的是讓物體的影像落在視網(wǎng)膜成像最清晰的區(qū)域。這意味這眼球要能夠任意調(diào)整位置，對準(zhǔn)目標(biāo)物。眼球的運(yùn)動是由6組肌肉控制的，這6組肌肉受到第三，第四和第六腦神經(jīng)的支配。這些肌肉成對配合，分別控制水平，垂直以及環(huán)行移動。結(jié)構(gòu)如圖2。

    眼球運(yùn)動可以分為下面幾種類型：

    1. 掃視（saccadic）： 快速的眼球運(yùn)動，將視覺的焦點(diǎn)從一點(diǎn)馬上移到另外一點(diǎn)。

    2. 平滑移動（smooth pursuit）：眼球隨著位置緩慢變化的物體平滑地移動

    3. 補(bǔ)償移動（compensatory movements）：為了使得頭部以及身體移動過程中視覺焦點(diǎn)相對固定而進(jìn)行的無意識的補(bǔ)償運(yùn)動。

    4. 趨異運(yùn)動（vergence）：兩只眼球?yàn)榱吮３至Ⅲw視覺而產(chǎn)生的移動。

    圖1：眼球結(jié)構(gòu)圖

    圖2：眼部6組肌肉的示意圖

    eog 信號的產(chǎn)生：眼球前部的角膜在電學(xué)特性上是正性的，而視網(wǎng)膜是負(fù)性的。根據(jù)這一特點(diǎn)，我們可以把眼球看作一個雙極子。當(dāng)將電極放置于皮膚上的時候，眼球這一雙極子因?yàn)檫\(yùn)動而造成的電位變化就可以被測量出來。如果被試向前方直視，我們可以記錄到一條穩(wěn)定的基線。當(dāng)眼球移動的時候，電位的變化和眼球移動的方向以及角度成線性關(guān)系變化。eog可以用來監(jiān)測距離中央點(diǎn)70度以內(nèi)眼球的移動，精確度可以達(dá)到2度。圖3當(dāng)眼球分別向右移動30度和向左移動15度時其電位的變化。