專利名稱：基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及神經(jīng)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別方法及裝置。
背景技術(shù)：
閱讀是一種重要的認(rèn)知過程。閱讀是借助感官，通過思考來了解文字符號所表達(dá)的內(nèi)容，并以理解文字意義為中心的智力活動。閱讀目標(biāo)決定閱讀態(tài)度，而閱讀態(tài)度影響閱讀效果。閱讀時(shí)視覺信息來自眼睛。閱讀時(shí)閱讀者的眼睛活動可以分為回視、掃視、注視等幾個(gè)步驟；研究表明，閱讀者在閱讀時(shí)不同的眼睛活動會產(chǎn)生不同特征的眼動波形；因此可以通過觀測眼動行為來分析閱讀行為。目前，很多學(xué)者通過分析眼動數(shù)據(jù)對閱讀時(shí)的信息處理過程進(jìn)行研究；特別地，眼動行為的分析對于閱讀障礙患者的成病原因有著重要的參考價(jià)值。在眼動檢測的幾種方法中，眼電技術(shù)具有成本低、便于操作的優(yōu)勢；這是因?yàn)檠劬梢钥醋魇且粋€(gè)角膜端帶正極，視網(wǎng)膜端帶負(fù)極的偶極子，眼睛的運(yùn)動會產(chǎn)生電壓；這種在視網(wǎng)膜色素上皮和光感受細(xì)胞之間存在的視網(wǎng)膜靜電信號被稱為眼電信號；而眼電信號可以通過在眼睛周圍放置檢測電極直接檢測。因此一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別方法及裝置是非常具有可行性以及實(shí)用性的。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于提供一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別方法及裝置，用于客觀、方便的檢測閱讀者的閱讀狀態(tài)，一方面為日常生活中的閱讀行為研究提供技術(shù)支持，另一方面可以為臨床診斷及閱讀障礙患者的治療提供幫助。(二)技術(shù)方案本發(fā)明技術(shù)方案如下一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別方法，包括步驟S1.采集受試者眼電信號并進(jìn)行預(yù)處理；S2.結(jié)合形態(tài)學(xué)算法對預(yù)處理后的眼電信號進(jìn)行平滑處理；S3.提取各個(gè)閱讀階段對應(yīng)的特征脈沖；S4.根據(jù)所述特征脈沖判讀受試者是否處于閱讀狀態(tài)。優(yōu)選的,所述步驟SI包括S101.在受試者眼部兩側(cè)分別設(shè)置有檢測電極，每個(gè)檢測電極分別接收并口同步
信號;S102.對所有檢測電極采集到的眼電信號經(jīng)過放大以及數(shù)模轉(zhuǎn)換后進(jìn)行去基線處理；
S103.根據(jù)所述并口同步信號為去基線處理后的眼電信號中每個(gè)眼電電位標(biāo)定時(shí)間。優(yōu)選的，所述步驟S2包括S201.從預(yù)處理后的眼電信號中選取延遲值長度結(jié)構(gòu)元素；S202.將眼部兩側(cè)的檢測電極各自得到的眼電信號做差處理后得到水平眼電信號;S203.根據(jù)所述延遲值，利用形態(tài)學(xué)算法，對所述水平眼電信號進(jìn)行平滑處理。優(yōu)選的，所述步驟S203包括根據(jù)所述延遲值長度結(jié)構(gòu)元素，對所述水平眼電信號依次進(jìn)行開操作的腐蝕運(yùn)算、膨脹運(yùn)算以及閉操作的腐蝕運(yùn)算、膨脹運(yùn)算。優(yōu)選的，所述步驟S3包括S301.對平滑處理后的眼電信號進(jìn)行差分處理；S302.設(shè)定回視脈沖選取閾值以及掃視脈沖選取閾值；S303.根據(jù)所述回視脈沖選取閾值以及掃視脈沖選取閾值從差分處理后的眼電信號中提取回視脈沖和其發(fā)生時(shí)刻以及掃視脈沖和其發(fā)生時(shí)刻。優(yōu)選的，所述步驟S301中差分處理的差分時(shí)間窗長度為0. 015秒-0. 075秒。優(yōu)選的，所述掃視脈沖選擇閾值為差分處理后的眼電信號最大值相反數(shù)的百分之三至百分之十，所述回 視脈沖選擇閾值為差分處理后的眼電信號最大值的百分之十五至百分之三十五。優(yōu)選的，所述步驟S4包括設(shè)定判斷閾值；若相鄰回視脈沖之間的掃視脈沖個(gè)數(shù)不小于所述判斷閾值，則認(rèn)為受試者處于閱讀狀態(tài)。本發(fā)明還提供了一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別裝置一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別裝置，包括依次連接的眼電信號采集模塊、眼電信號處理模塊、特征脈沖提取模塊以及閱讀狀態(tài)判斷模塊；所述眼電信號采集模塊采集受試者的眼電信號并發(fā)送至所述眼電信號處理模塊；所述特征脈沖提取模塊對經(jīng)所述眼電信號處理模塊平滑處理后的眼電信號進(jìn)行差分處理，并提取各個(gè)閱讀階段對應(yīng)的特征脈沖；所述閱讀狀態(tài)判斷模塊根據(jù)所述特征脈沖判讀受試者是否處于閱讀狀態(tài)。優(yōu)選的，所述眼電信號采集模塊包括分別設(shè)置于受試者眼部兩側(cè)的多個(gè)檢測電極、設(shè)置于受試者乳突的參考電極、設(shè)置于受試者額頭的接地電極以及分別向每個(gè)電極發(fā)送并口同步信號的上位機(jī)。(三)有益效果本發(fā)明的一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別方法通過利用形態(tài)學(xué)算法對采集到的眼電信號進(jìn)行平滑處理后，從中提取各個(gè)閱讀階段對應(yīng)的特征脈沖，最后根據(jù)所述特征脈沖判讀受試者是否處于閱讀狀態(tài)。本發(fā)明能夠有效的識別出閱讀活動，同時(shí)具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn)；由于排除了主觀因素的影響，因此可以提供準(zhǔn)確的客觀數(shù)據(jù)供日常生活中的閱讀行為研究或者為臨床診斷及閱讀障礙患者的治療提供幫助。


圖1是本發(fā)明的一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別方法流程示意圖；圖2是本發(fā)明的一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別裝置的眼電信號采集模塊示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法統(tǒng)計(jì)的不同閱讀階段的時(shí)間分布直方圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的方法統(tǒng)計(jì)的不同閱讀階段的眼電信號振幅分布直方圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的方法統(tǒng)計(jì)的不同閱讀階段的次數(shù)分布直方圖。圖中1 :檢測電極；2 :接地電極。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例一

流程圖如圖1所示的一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別方法，主要包括步驟S1.通過采集設(shè)備采集受試者眼電信號，并將采集到的眼電信號進(jìn)行預(yù)處理，便于后續(xù)分析；該步驟主要包括S101.在受試者眼部位置設(shè)置兩個(gè)檢測電極，檢測電極分別位于左眼左側(cè)和右眼右側(cè)，通過計(jì)算機(jī)向每個(gè)檢測電極分別發(fā)送并口同步信號，每個(gè)檢測電極接收并口同步信號;S102.通過檢測電極采集眼電信號；對所有檢測電極采集到的眼電信號進(jìn)行放大以及數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送至計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)接收眼電信號并對其進(jìn)行去基線處理，以使眼電信號成為平穩(wěn)的、均值接近為0的信號。S103.根據(jù)所述并口同步信號為去基線處理后的眼電信號中每個(gè)眼電電位標(biāo)定時(shí)間；即將去基線處理后的眼電信號中的每個(gè)眼電電位和與其對應(yīng)的并口同步信號的時(shí)刻對齊。S2.結(jié)合形態(tài)學(xué)算法對預(yù)處理后的眼電信號進(jìn)行平滑處理；該步驟主要包括S201.從預(yù)處理后的眼電信號中選取合適的延遲值長度結(jié)構(gòu)元素；延遲值的選取視不同的測試任務(wù)而不同，本實(shí)施例中，根據(jù)形態(tài)學(xué)算法平滑處理的主要目的是去除眨眼的干擾，而一般情況下眨眼的持續(xù)時(shí)間小于0. 2s左右，如果采集過程中數(shù)據(jù)采樣率為1000Hz，可以設(shè)置延遲值為200，對應(yīng)時(shí)間長度為0.2s，結(jié)構(gòu)元素為一維向量，其根據(jù)預(yù)處理后的眼電信號的特征波形形狀選?。槐緦?shí)施例中選取的結(jié)構(gòu)元素為長度為200的零向量。S202.將眼部兩側(cè)的檢測電極各自得到的眼電信號做差處理后得到水平眼電信號；由于本實(shí)施例采用2個(gè)電極采集眼電信號，可以將左眼左側(cè)檢測電極采集得到的眼電信號記為O1，將右眼右側(cè)檢測電極采集得到的眼電信號為O2，則做差處理后得到的水平眼電f曰可X = O1 — O2 ；S203.根據(jù)所述延遲值長度結(jié)構(gòu)元素，利用形態(tài)學(xué)算法，對所述水平眼電信號進(jìn)行平滑處理；平滑處理主要是對所述水平眼電信號依次進(jìn)行開操作的腐蝕運(yùn)算、膨脹運(yùn)算以及閉操作的腐蝕運(yùn)算、膨脹運(yùn)算；本實(shí)施例中具體為將水平眼電X按(I)式進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的濾波，Y代表數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理后的信號；Yi (m) = ((Xi O K) K) (m)(I)該計(jì)算過程可描述為對X依此進(jìn)行開操作腐蝕運(yùn)算、膨脹運(yùn)算和閉操作的膨脹運(yùn)算、腐蝕運(yùn)算；開操作定義為對待處理信號先腐蝕后膨脹，與開操作相對應(yīng)的閉操作定義為對待處理信號先膨脹后腐蝕，分別如(2)式、(3)式所示
(X。A)(m)=((X A,)十 K、(m) ；(2)(A- K)(m)=(( A,十 K )QK)(//;)( 3 )S3.設(shè)定合適的閾值，提取各個(gè)閱讀階段對應(yīng)的特征脈沖；該步驟主要包括S301.對平滑處理后的眼電信號，按照(4)式進(jìn)行差分處理；選擇合適差分時(shí)間窗長度，一般是根據(jù)要進(jìn)行差分處理的數(shù)據(jù)中特征波形的持續(xù)時(shí)間來設(shè)定，在本實(shí)驗(yàn)過程中特征波形的持續(xù)時(shí)間一般在0. 04s左右，綜合考慮計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算量，將差分步幅可以設(shè)為0. 035秒-0. 045秒，本實(shí)施例中設(shè)置為0. 04秒；
權(quán)利要求
1.一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別方法，其特征在于，包括步驟 51.采集受試者眼電信號并進(jìn)行預(yù)處理； 52.結(jié)合形態(tài)學(xué)算法對預(yù)處理后的眼電信號進(jìn)行平滑處理； 53.提取各個(gè)閱讀階段對應(yīng)的特征脈沖； 54.根據(jù)所述特征脈沖判讀受試者是否處于閱讀狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閱讀狀態(tài)識別方法，其特征在于，所述步驟SI包括 5101.在受試者眼部兩側(cè)分別設(shè)置有檢測電極，每個(gè)檢測電極分別接收并口同步信號; 5102.對所有檢測電極采集到的眼電信號經(jīng)過放大以及數(shù)模轉(zhuǎn)換后進(jìn)行去基線處理； 5103.根據(jù)所述并口同步信號為去基線處理后的眼電信號中每個(gè)眼電電位標(biāo)定時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的閱讀狀態(tài)識別方法，其特征在于，所述步驟S2包括 5201.從預(yù)處理后的眼電信號中選取延遲值長度結(jié)構(gòu)元素； 5202.將眼部兩側(cè)的檢測電極各自得到的眼電信號做差處理后得到水平眼電信號； 5203.根據(jù)所述延遲值長度結(jié)構(gòu)元素，利用形態(tài)學(xué)算法，對所述水平眼電信號進(jìn)行平滑處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的閱讀狀態(tài)識別方法，其特征在于，所述步驟S203包括 根據(jù)所述延遲值長度結(jié)構(gòu)元素，對所述水平眼電信號依次進(jìn)行開操作的腐蝕運(yùn)算、膨脹運(yùn)算以及閉操作的腐蝕運(yùn)算、膨脹運(yùn)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的閱讀狀態(tài)識別方法，其特征在于，所述步驟S3包括 5301.對平滑處理后的眼電信號進(jìn)行差分處理； 5302.設(shè)定回視脈沖選取閾值以及掃視脈沖選取閾值； 5303.根據(jù)所述回視脈沖選取閾值以及掃視脈沖選取閾值從差分處理后的眼電信號中提取回視脈沖和其發(fā)生時(shí)刻以及掃視脈沖和其發(fā)生時(shí)刻。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的閱讀狀態(tài)識別方法，其特征在于，所述步驟S301中差分處理的差分時(shí)間窗長度為0. 015秒-0. 075秒。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的閱讀狀態(tài)識別方法，其特征在于，所述掃視脈沖選擇閾值為差分處理后的眼電信號最大值相反數(shù)的百分之三至百分之十，所述回視脈沖選擇閾值為差分處理后的眼電信號最大值的百分之十五至百分之三十五。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的閱讀狀態(tài)識別方法，其特征在于，所述步驟S4包括 設(shè)定判斷閾值；若相鄰回視脈沖之間的掃視脈沖個(gè)數(shù)不小于所述判斷閾值，則認(rèn)為受試者處于閱讀狀態(tài)。
9.一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別裝置，其特征在于，包括依次連接的眼電信號采集模塊、眼電信號處理模塊、特征脈沖提取模塊以及閱讀狀態(tài)判斷模塊； 所述眼電信號采集模塊采集受試者的眼電信號并發(fā)送至所述眼電信號處理模塊；所述特征脈沖提取模塊對經(jīng)所述眼電信號處理模塊平滑處理后的眼電信號進(jìn)行差分處理，并提取各個(gè)閱讀階段對應(yīng)的特征脈沖；所述閱讀狀態(tài)判斷模塊根據(jù)所述特征脈沖判讀受試者是否處于閱讀狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的閱讀狀態(tài)識別裝置，其特征在于，所述眼電信號采集模塊包括分 別設(shè)置于受試者眼部兩側(cè)的多個(gè)檢測電極、設(shè)置于受試者乳突的參考電極、設(shè)置于受試者額頭的接地電極以及分別向每個(gè)電極發(fā)送并口同步信號的上位機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及神經(jīng)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于眼電信號的閱讀狀態(tài)識別方法及裝置。該閱讀狀態(tài)識別方法包括步驟S1.采集受試者眼電信號并進(jìn)行預(yù)處理；S2.結(jié)合形態(tài)學(xué)算法對預(yù)處理后的眼電信號進(jìn)行平滑處理；S3.提取各個(gè)閱讀階段對應(yīng)的特征脈沖；S4.根據(jù)所述特征脈沖判讀受試者是否處于閱讀狀態(tài)。本發(fā)明利用形態(tài)學(xué)算法對采集到的眼電信號進(jìn)行平滑處理后，從中提取各個(gè)閱讀階段對應(yīng)的特征脈沖，最后根據(jù)所述特征脈沖判讀受試者是否處于閱讀狀態(tài)。本發(fā)明能夠有效識別出閱讀活動，同時(shí)具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn)；由于排除了主觀因素的影響，因此可以提供準(zhǔn)確的客觀數(shù)據(jù)供日常生活中的閱讀行為研究或者為臨床診斷及閱讀障礙患者的治療提供幫助。
文檔編號A61B5/0496GK103054576SQ20121055701
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者高小榕, 鄭敏敏, 閆錚, 高上凱 申請人:清華大學(xué)