專利名稱：基于高頻穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的腦－機(jī)接口裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理和醫(yī)療器械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
腦-機(jī)接口是在人腦與計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備之間建立的直接的交流和控制通道。通過(guò)這種通道，人就可以直接通過(guò)人腦來(lái)表達(dá)想法或操縱設(shè)備，而不需要通過(guò)語(yǔ)言或肢體的動(dòng)作。
腦-機(jī)接口和那些普通的人-機(jī)接口的主要差別在于，前者不需要任何種類的肌肉響應(yīng)，只需要檢測(cè)反映腦的響應(yīng)性或目的性活動(dòng)的信號(hào)。
已有的實(shí)現(xiàn)人腦-計(jì)算機(jī)接口的比較直接的方法有(1)利用眼部運(yùn)動(dòng)控制alpha波alpha波是自發(fā)腦電信號(hào)中一種特定頻率成分的信號(hào)。當(dāng)眼球向上翻時(shí)，alpha波的幅度會(huì)變大；而睜眼注視面前的物體或閉眼注視前方一個(gè)想象中的點(diǎn)可以使alpha波的幅度變小或阻斷alpha波?；谶@個(gè)現(xiàn)象，就可以通過(guò)睜眼或閉眼來(lái)產(chǎn)生或減小alpha波，然后通過(guò)區(qū)分alpha波的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)某種控制功能。
(2)基于事件相關(guān)腦電信號(hào)的方法例如，在人的自主運(yùn)動(dòng)發(fā)生之前，腦電中存在與該運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的稱為事件相關(guān)去同步的成分，它本質(zhì)上是一種誘發(fā)腦電信號(hào)。人們可在記錄的腦電信號(hào)中識(shí)別事件相關(guān)信號(hào)，并利用它去實(shí)現(xiàn)某種控制。
(3)基于自主控制腦電信號(hào)的方法這種思路建立在操作性條件反射基礎(chǔ)上，認(rèn)為人可以通過(guò)生物反饋來(lái)學(xué)習(xí)控制腦電信號(hào)的某些成分。通過(guò)自主控制產(chǎn)生相應(yīng)的腦電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)某些控制。
(4)基于誘發(fā)腦電信號(hào)的方法這種方法的基本做法是給受試者以某種刺激，記錄不同刺激下誘發(fā)的腦電信號(hào)，加以識(shí)別，然后用識(shí)別出的信號(hào)實(shí)現(xiàn)某種控制。
在現(xiàn)有的腦-機(jī)接口系統(tǒng)中，比較成功的實(shí)現(xiàn)方法是基于穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的方法。該方法不僅能達(dá)到很高的判斷正確率，而且能保證在使用中的實(shí)時(shí)性。
基于穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的腦-機(jī)接口系統(tǒng)是讓受試者注視以一定頻率的閃光刺激，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)誘發(fā)腦電信號(hào)中特定的頻率成分，由此判斷受試者正在注視的目標(biāo)。
在已有的基于穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的腦-機(jī)接口系統(tǒng)中，刺激器的閃爍頻率均設(shè)定在4-25赫茲之間。這主要是擔(dān)心當(dāng)刺激頻率高于25赫茲后，由于人體的視覺(jué)殘留效應(yīng)，使得人體感覺(jué)不到閃爍刺激，怕由此影響視覺(jué)誘發(fā)電位的產(chǎn)生。但是，在使用這樣的系統(tǒng)中，當(dāng)受試者長(zhǎng)時(shí)間注視閃爍目標(biāo)時(shí)就會(huì)感到視覺(jué)疲勞和不適。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于高頻穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的腦-機(jī)接口裝置。
在我們的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受試者注視目標(biāo)的閃爍頻率高于25赫茲時(shí)，雖然受試者自己感覺(jué)不出閃爍刺激，但在他的腦電信號(hào)中仍然可以檢測(cè)到與刺激頻率相同的節(jié)律成分。雖然在高頻刺激下，誘發(fā)信號(hào)的強(qiáng)度變小，但是與低頻刺激下記錄到的信號(hào)相比較，其信噪比并沒(méi)有明顯的降低(見(jiàn)附圖1)。因此完全可以采用這種高頻“閃爍”的刺激器來(lái)代替現(xiàn)有系統(tǒng)中閃爍頻率較低的刺激器。這樣做的明顯的好處是減小了閃爍刺激對(duì)受試者造成的不適。
本實(shí)用新型的特征在于，該裝置包括(1)閃光刺激器，為一光源，閃爍頻率控制在25赫茲以上；(2)電極，置于人體腦部，記錄人體視覺(jué)經(jīng)燈光刺激后產(chǎn)生的腦電信號(hào)；(3)腦電信號(hào)放大器，將腦電信號(hào)通過(guò)頭皮電極引入后，進(jìn)行放大；(4)頻率分析器，將放大后的腦電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，分析出能量的頻率值，并將其與閃光刺激器的閃爍頻率相比較，判斷出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，最后對(duì)控制設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)。
本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)由以下三部分組成(參見(jiàn)圖2)(1)閃光刺激器閃光刺激器是一組按一定頻率閃爍的光源。它可以是各種具有較好開(kāi)關(guān)特性的發(fā)光元件，例如各種常見(jiàn)的發(fā)光二極管等。發(fā)光器件的閃爍頻率設(shè)置在25赫茲以上。
(2)腦電信號(hào)分析器電生理實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)給人體的視覺(jué)系統(tǒng)一定頻率的燈光刺激時(shí)，只要受試者的視覺(jué)系統(tǒng)是健康的，就可以在受試者的枕部頭皮上記錄到特征明顯的誘發(fā)腦電信號(hào)。記錄信號(hào)的特征主要表現(xiàn)在頻率域上，即記錄信號(hào)中有明顯的刺激頻率及其諧波成分。例如，刺激頻率(即燈光的閃爍頻率)為30赫茲，則在記錄到的腦電信號(hào)中就會(huì)發(fā)現(xiàn)明顯的30赫茲及其諧波成分。由于本實(shí)用新型中采用的高頻閃爍刺激，受試者實(shí)際上感覺(jué)不到刺激器的閃爍，因此在使用中不會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。
基于上述要求，圖2中腦電信號(hào)分析器中的主要功能模塊是(i)腦電信號(hào)放大器因?yàn)橛涗浀降哪X電信號(hào)非常微弱，因此在進(jìn)行特征識(shí)別之前必需將其放大。放大后的腦電信號(hào)由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后就可以送入計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的分析與特征提取工作。
(ii)頻率分析器考慮到誘發(fā)腦電中包含刺激頻率及其諧波成分，為了要得到這些頻率成分就必需對(duì)信號(hào)做頻譜分析，這就是頻率分析器的功能。
由于計(jì)算機(jī)的廣泛使用，頻譜分析通常是由計(jì)算機(jī)完成的，因此，這是一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理的過(guò)程。用于完成頻譜分析的算法是快速傅里葉變換法(Fast Fourier Transform，簡(jiǎn)稱FFT)，它的計(jì)算公式是X(k)=Σn=0N-1x(n)·(e-j2πN)nk]]>上式中x(n)是數(shù)字化的腦電信號(hào)，n＝0～N-1；X(k)就是x(n)的離散傅里葉變換，k＝0～N-1。
為了實(shí)現(xiàn)不同要求的控制，可以設(shè)計(jì)燈光刺激器以不同的頻率閃爍。當(dāng)受試者根據(jù)需要注視某一個(gè)閃爍發(fā)光器時(shí)，其誘發(fā)腦電中就應(yīng)該包含該閃爍發(fā)光器閃爍的頻率及其諧波成分。只要能從頻率分析器中分辨出不同的頻率成分，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。
(3)環(huán)境控制器腦-機(jī)接口的一個(gè)典型應(yīng)用是供殘疾人實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的控制，例如，開(kāi)/關(guān)燈、開(kāi)/關(guān)電視、開(kāi)/關(guān)風(fēng)扇等。由信號(hào)分析器的輸出，我們能得知受試者注視哪一個(gè)閃爍燈，于是也就知道他想完成的控制。只要把這一信息傳給環(huán)境控制器，接通相應(yīng)的電路，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍電器的控制。
本實(shí)用新型能夠用計(jì)算機(jī)對(duì)放大后的腦電信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從中取出特征信號(hào)，用于對(duì)家用電器的控制。


圖1不同頻率刺激下記錄的穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的信噪比圖2本實(shí)用新型的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖圖3發(fā)光二極管控制電路圖4腦電信號(hào)放大器具體實(shí)施方式
圖2所示實(shí)際上就是我們?cè)O(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)施例。
系統(tǒng)中的視覺(jué)刺激器采用的是普通的發(fā)光二極管。20個(gè)發(fā)光管以不同的頻率閃爍。產(chǎn)生發(fā)光二極管控制信號(hào)的電路圖見(jiàn)附圖3。輸入信號(hào)是一個(gè)1MHz的方波信號(hào)，由一片可編程器件EPM7128SLC84產(chǎn)生4種不同頻率的脈沖信號(hào)。這4路脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)74LS373驅(qū)動(dòng)后送到輸出電路，該電路由一片MC1413和4個(gè)發(fā)光二極管組成。最后的結(jié)果是4個(gè)發(fā)光二極管L1～L4分別按一定的頻率進(jìn)行閃爍。只要重復(fù)制作這樣的電路，就可以得到更多的以不同頻率閃爍的發(fā)光二極管視覺(jué)刺激器。
實(shí)驗(yàn)中所用的腦電信號(hào)分析器是一臺(tái)現(xiàn)成的腦電圖機(jī)。腦電圖機(jī)主要由腦電放大器組成。圖4是典型的腦電信號(hào)放大器，它是由若干個(gè)運(yùn)算放大器組成的典型的電生理信號(hào)放大器。經(jīng)過(guò)放大后的腦電信號(hào)被送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成頻譜分析，得到相應(yīng)的頻率成分(方法見(jiàn)本說(shuō)明書(shū)第4頁(yè)中的“頻率分析器”)。再通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)一些家用電器的控制。
權(quán)利要求1.一種基于高頻穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的腦—機(jī)接口裝置，其特征在于，該裝置包括(1)閃光刺激器，為一光源，閃爍頻率控制在25赫茲以上；(2)頭皮電極，置于人體頭部，記錄人體視覺(jué)經(jīng)所述閃光刺激器輸出的燈光刺激后，產(chǎn)生的腦電信號(hào)；(3)腦電信號(hào)放大器，將所述頭皮電極產(chǎn)生的腦電信號(hào)引入后，進(jìn)行放大；(4)頻率分析器，將所述放大后的腦電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行處理，分析出能量的頻率值，并將其與閃光刺激器的閃爍頻率相比較，判斷出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，最后對(duì)控制設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于高頻穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)腦電響應(yīng)的控制裝置，包括閃光刺激器，電極，腦電信號(hào)放大器和頻率分析器。人對(duì)閃光刺激產(chǎn)生的腦電信號(hào)經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行處理，分析出能量的頻率值，并將其與閃光刺激器閃爍的頻率相比較，判斷出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，最后對(duì)控制設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是采用了高閃爍頻率的刺激器(閃爍頻率高于25赫茲)。由于受試者實(shí)際上感覺(jué)不到刺激器的閃爍，因此在使用中不會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。
文檔編號(hào)G06F3/00GK2888524SQ20052013650
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者高上凱, 高小榕, 張志廣, 洪波 申請(qǐng)人:清華大學(xué)