CN104503571B - 基于脑机接口的意念采集装置、电话终端及系统 - Google Patents

基于脑机接口的意念采集装置、电话终端及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及脑机接口技术领域，特别涉及一种基于脑机接口的意念采集装置、电话终端及系统；所述采集装置包括头戴式头环，所述头戴式头环的中部为可伸缩性弹性塑料体，所述可伸缩性弹性塑料体上包括依次电连接的EEG信号获取单元、信号预处理模块和无线发送模块，所述EEG信号获取单元由4个电极组成，包含1个参考电极和3个EEG信号采集电极；所述参考电极和EEG信号采集电极通过电极帽固定在可伸缩性弹性塑料体上，按照“国际10/20标准导联系统”设置，分别与所述信号预处理单元相连接；本发明简化了信号处理和分析，减少了导联数，降低了设备复杂度。

Description

基于脑机接口的意念采集装置、电话终端及系统
技术领域
本发明涉及脑机接口技术领域，特别涉及一种基于脑机接口的意念采集装置、电话终端及系统。
背景技术
语音通信是现代通信的主要方式，但是几乎所有电话机都是为肢体健全(尤其是上肢健全)的人设计的，电话机需要进行手动拨号才能正常使用。然而在当今社会，有上肢功能障碍的人逐渐形成一个庞大的群体。他们由于双上肢残疾或神经肌肉类疾病(如肌肉萎缩性侧索硬化、脑干中风、脑瘫、大脑或脊髓损伤等)而不能使用现有的电话机进行通信。
脑机接口(Brain-computer interface,BCI)技术、电子技术与生物医学科学的发展为解决运动功能障碍人士的电话通信问题提供了可行的方法。BCI是一种新颖的人机接口方式，它能在人脑与计算机或者其他电子设备之间建立起直接交流和控制通道，通过这种通道，人们可以直接通过大脑来表达想法和操纵设备，不需要外周神经及其控制的肌肉参与。通过BCI技术，完全可以帮助有运动功能障碍的人们独立使用电话与外界通信。
视觉诱发电位(Visual Evoked Potential，VEP)是众多脑电(Electroencephalography,EEG)信号分量(如mu/beta节律、事件相关P300电位等)之一，基于VEP的BCI具有如下优点：1)高信息传输速率；2)较少的训练；3)低的用户变异性；4)使用简单。
VEP是大脑皮质枕叶区对视刺激发生的电反应，是代表视网膜接受刺激，经视路传导至枕叶皮层而引起的电位变化。根据刺激频率的不同可以分为瞬态视觉诱发电位(Transient Visual Evoked Potential，TVEP)和稳态视觉诱发电位(steady-statevisually evoked potential，SSVEP)。TVEP是当视觉刺激的重复频率低于6HZ时，两次连续刺激引起的响应不会产生交迭，每次刺激产生相互独立的响应；SSVEP是当视觉刺激的重复频率高于6Hz时，连续几次刺激诱发的响应会迭加在一起，大脑皮层神经元放电会与刺激频率同步，在枕区和顶区脑电活动的节律明显增强，从而形成的一种稳定的响应。SSVEP具有与视觉刺激频率相同的基波频率及其谐波，其基波频率可用特定的信号处理算法进行检测。
目前，申请号为201310485562.5的中国发明专利公开了一种基于脑机接口的双上肢残疾人电话系统，其基于SSVEP的BCI技术，通过用户的视觉控制，实现无接触式电话拨号与接听，用户可以在没有肢体参与的情况下进行拨打和接听电话。但是，现有技术存在以下缺点：1)对EEG信号采集装置和意念电话终端的实施方式没有提出具体方式；2)需要七道有线电极帽，导联数量较多，信号采集和分析速度慢，特征提取困难；3)信号传输为有线传输，限制了用户活动范围；4)视觉刺激单元和电话分离使得该电话系统不利于便携。
发明内容
为解决以上问题，本发明提出一种基于脑机接口的意念采集装置、电话终端及系统。
本发明的一种脑电EEG信号采集装置，包括头戴式头环，所述头戴式头环的中部为可伸缩性弹性塑料体，所述可伸缩性弹性塑料体上包括依次电连接的EEG信号获取单元、信号预处理模块和无线发送模块；
所述EEG信号获取单元由4个电极组成，包含1个参考电极和3个EEG信号采集电极；所述参考电极和EEG信号采集电极通过电极帽固定在可伸缩性弹性塑料体上，按照“国际10/20标准导联系统”设置，分别与所述信号预处理单元相连接；在保证系统准确性的前提下，采用尽可能少的导联数，简化信号处理和分析；
所述无线发送单元将经过预处理的信号通过无线方式发送到意念电话终端。
优选地，所述电极帽中注入具有良好导电特性的导电胶，所述导电胶的电阻在3千欧至5千欧之间。
优选地，所述信号预处理模块包括依次电连接的放大器、滤波器和A/D转换器；
优选地，所述放大器采用二级放大，总的放大倍数为10000倍；所述滤波器为0.1HZ到70HZ的带通滤波器。
优选地，所述头戴式头环的两端设置有贴合结构，用于整个EEG信号采集装置弯曲成环状结构后将头戴式头环的首尾贴合形成闭合环状。
本发明的一种意念电话终端，包括与控制单元相连接的数据处理单元、视觉刺激单元、近程无线接收单元和通信控制模块；
所述视觉刺激单元包括液晶屏显示器，所述液晶屏显示器包括数字显示区、视觉刺激区和触控区；
所述控制单元用于对视觉刺激单元刺激块闪烁频率进行控制，调整刺激块的亮度和闪烁频率；如果识别结果是数字刺激块，用于控制视觉刺激单元将数字显示于数字显示区；如果识别结果是功能刺激块，将结果转化为相应指令并送到通信控制模块。
所述数据处理单元用于处理数据，即当近程无线接收单元接收到经过处理的脑电信号后，依次该信号进行滤波、特征提取和识别；
所述近程无线接收单元用通过无线方式从EEG信号采集装置接收信号；
本发明意念电话终端集成了视觉刺激单元、数据处理等模块，增加了系统的便携性；
优选地，所述数字显示区包括1×11的号码显示阵列，用于显示通过意念拨号所获得的数字；
所述视觉刺激区域包括4×4拨号刺激块阵列，拨号刺激块阵列用于模拟电话拨号键盘，包括0－9的10个数字键和6个功能键：删除、确认、拨号、显示最近通信号码、接听、挂断；每个刺激块以不同的频率闪光；
所述触控区设置有模式‘MODE’触控键，用于切换视觉刺激单元的工作模式，可以在正常通信模式和训练模式之间来回切换；还设置有‘TRUE’、‘FAUSE’和‘CONTINUE’三个触控键，‘TRUE’和‘FAUSE’触控键用于根据判断训练结果切换到下一个刺激块，CONTINUE’触控键用于切换到下一轮训练。
优选地，所述通信控制模块包括与通话控制单元相连接的听筒电路、话筒电路、振铃电路、远程无线收发单元。
优选地，还包括与控制单元相连接的第一电源单元以及与通话控制单元相连接的第二电源单元。
本发明的一种基于脑机接口的意念电话系统，包括上述任一EEG信号采集装置和上述任一意念电话终端，所述EEG信号采集装置与意念电话终端之间无线通信连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提供EEG信号采集装置的具体方式，其包括依次电连接的EEG信号获取单元、信号预处理模块和无线发送模块，并设计成头环状，便于使用。EEG信号获取由4个电极完成，简化了信号处理和分析，减少了导联数，降低了设备复杂度。
本发明提供意念电话终端的具体方式，其包括与控制单元相连接的数据处理单元、视觉刺激单元、近程无线接收单元和通信控制模块，该电话终端的拨号完全由意念控制；所述视觉刺激单元为含有数字显示区、视觉刺激区和触控区的液晶屏显示器，其设计合理，体积更小、分辨率更高，相对于传统的电脑显示屏，既能确保准确性，又能减小体积；并且将视觉刺激控制与电话通信控制功能相融合，减小了设备复杂度，便于携带。
本发明提供一种基于脑机接口的意念电话系统，所述EEG信号采集装置与意念电话终端之间无线通信连接，用户有更多活动空间，本系统有更广阔的适用场景。
附图说明
图1是本发明基于脑机接口的意念电话系统优选实施例结构图。
图2是本发明EEG信号获取装置优选实施例结构图。
图3是本发明意念电话终端优选实施例结构图。
图4是本发明意念电话终端视觉刺激单元优选实施例面板结构图。
图5是本发明意念电话终端视觉刺激单元训练模式结果显示面板结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明确，下面结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的基于脑机接口(BCI)的意念电话系统，优选实施例如图1所示，包括EEG信号采集装置和意念电话终端，所述EEG信号采集装置与意念电话终端之间无线通信连接。
本发明的EEG信号采集装置，优选实施例如图2所示，包括头戴式头环，所述头戴式头环的中部为可伸缩性弹性塑料体1，所述可伸缩性弹性塑料体1上包括依次电连接的EEG信号获取单元2、信号预处理模块3和无线发送模块4。
所述头戴式头环在不使用时可以伸直呈条状结构，优选地，所述头戴式头环的两端设置有贴合结构5，使用时，整个EEG信号采集装置可弯曲成环状结构后通过贴合结构5将头戴式头环的首尾贴合形成闭合环状，以便固定在使用者头上。
优选地，所述EEG信号获取单元2由4个电极组成，包含1个参考电极22和3个EEG信号采集电极21，所述电极按照“国际10/20标准导联系统”设置，所述电极21、22通过电极帽23固定在可伸缩性弹性塑料体1上，所述电极21、22与信号预处理单元3相连接。
优选地，为保证电极与头皮有良好的接触，电极帽23插孔中注入具有良好导电特性的导电胶，所述导电胶的电阻在3千欧至5千欧之间。
所述信号预处理模块3包括依次电连接的放大器、滤波器和A/D转换器。对采集到的EEG信号进行放大、滤波、A/D转换处理。所述放大器采用二级放大，总的放大倍数约为10000倍；所述滤波器为0.1HZ到70HZ的带通滤波器。
所述无线发送单元4将经过预处理的信号通过无线方式发送到意念电话终端，以进行后继操作。
本系统在使用时，使用者通过贴合结构5将EEG信号采集装置戴头将EEG信号采集装置环绕在头上，将意念电话终端放在用户正前方，刺激器对准使用者双眼，视觉刺激单元平面与用户目光基本垂直，距离用户眼睛大约50至100cm，设置好后即可使用本系统。
本发明提供EEG信号采集装置的具体方式，其包括依次电连接的EEG信号获取单元、信号预处理模块和无线发送模块，并设计成头环状，便于使用。EEG信号获取由4个电极完成，简化信号处理和分析，减少了导联数，降低了设备复杂度。
本发明意念电话终端，优选实施例如图3所示，包括与控制单元D1相连接的数据处理单元D2、视觉刺激单元D3、近程无线接收单元D4和通信控制模块D6。
所述视觉刺激单元D3包括液晶屏显示器，所述液晶屏显示器包括数字显示区、视觉刺激区和触控区，优选实施例如图4所示。
所述数字显示区包括1×11的号码显示阵列，用于显示通过意念拨号所获得的数字或操作符。
所述视觉刺激区域包括4×4拨号刺激块阵列，拨号刺激块阵列用于模拟电话拨号键盘，包括10个数字键(0～9)和6个功能键：BACKSPACE(删除)、ENTER(确认)、DIAL(拨号)、LASTNUM(显示最近通信号码)、PU(接听)、HU(挂断)。每个刺激块以不同的频率闪光，通过注视相应的按键，用户可以输入电话号码、执行功能操作或删除错误输入。
优选地，刺激块闪光频率根据刺激器屏幕的刷新频率和刺激块的个数而定。刺激方式根据实际条件可以采取移频键控(frequency shift keying,FSK)调制刺激、高占空比刺激、双视野刺激等。
所述触控区设置有‘MODE’(模式)触控键，用于切换视觉刺激单元的工作模式，可以在正常通信模式和训练模式之间来回切换。
所述触控区还设置有‘TRUE’、‘FAUSE’和‘CONTINUE’三个触控键，‘TRUE’和‘FAUSE’触控键用于根据判断训练结果切换到下一个刺激块，CONTINUE’触控键用于切换到下一轮训练。
视觉刺激单元的工作模式有两种：正常通信模式和训练模式，例如，在正常通信模式下，当电话铃声响起后，用户注视‘PU’键将电话机切换到通话状态，即可与对方通话；当需要拨打电话时，用户注视‘PU’键将电话切换到拨号状态，通过注视相应的数字键可输入电话号码。如果输入发生错误，用户可以使用‘BACKSPACE’键删除输入错误，重新输入数字。当电话号码输入正确后，用户注视‘DIAL’键可以将号码拨出；通话结束后，用户注视‘HU’键可将电话挂断。用户使用‘LASTNUM’显示最近通信的电话号码以进行重拨或回拨；为了减少操作错误，每次完成号码输入必须使用‘ENTER’键进行确认。
在正常通信模式下，视觉刺激单元的触控区只有‘MODE’键可用，触摸该键可以将视觉刺激单元的工作模式从正常通信模式切换到训练模式。
在训练模式下，视觉刺激单元的触控区的所有键可用，‘MODE’键可以将视觉刺激单元的工作模式从训练模式切换到正常通信模式，‘TRUE’、‘FAUSE’可以显示训练结果正确和错误，‘CONTINUE’触控键可以切换到下一个刺激块。
用户第一次使用所述意念电话前需要进行训练，这需要正常人辅助进行。若在视觉刺激单元的正常工作模式下，通过触摸触控区的触控键‘MODE’将视觉刺激单元的工作模式切换到训练模式。
训练模式下，视觉刺激单元的视觉刺激区逐一显示每个刺激块供用户训练。如图5所示为视觉刺激单元处于训练模式下的面板图。
例如，当刺激块为1时，训练过程如下：刺激块1以某一频率闪烁，其他刺激块淡化显示或不显示，使用者看到刺激块1，通过EEG信号感知装置感知其频率后发送给意念电话终端，意念电话终端的数据处理单元D2分析频率信号后得出该频率信号所对应的数字或提示符，并显示在数字显示区。例如，或显示为1，则当前刺激块的训练结果正确，辅助人员触摸触控键‘TRUE’，视觉刺激单元显示下一个刺激块；当前刺激块的训练结果错误时，辅助人员触摸触控键‘FAUSE’，视觉刺激单元继续显示当前刺激块；持续此过程直至每个刺激块的训练结果都正确，此时完成一轮训练。在一轮训练结束后，触摸触控键‘CONTINUE’，可以选择进行下一轮训练，在训练过程中，触摸触控键‘MODE’，可以选择直接返回到正常通信模式。
优选地，当意念电话终端在训练模式时，系统禁止接收来电信号和拨号；
所述控制单元D1用于对视觉刺激单元刺激块闪烁频率的控制，调整刺激块的亮度和闪烁频率；如果识别结果是数字刺激块，用于控制视觉刺激单元将数字显示于数字显示区；如果识别结果是功能刺激块，将结果转化为相应指令并送到通信控制模块。
所述近程无线接收单元D4用通过无线方式从EEG信号采集装置接收信号；
所述数据处理单元D2用于处理数据，即当近程无线接收单元D4接收到经过处理的脑电信号后，依次该信号进行滤波、特征提取和识别。
优选地，所述数据处理单元可以首先对接收到的数字信号进行软件滤波；再进行傅里叶变换，即将信号进行时频转换；然后采用特定算法对频域信号进行特征提取，提取出SSVEP信号；接着根据SSVEP信号的频率特征识别出用户所注视的刺激块，发送给控制单元转换为指令；最后控制单元将指令显示于视觉刺激单元(如果识别结果是数字刺激块)或传递指令给通信控制模块(如果识别结果是功能刺激块)执行相应操作。
所述滤波和识别采用现有技术即可，不再赘述。
所述特征提取可以采用现有各种技术来进行，例如本发明采用以下算法提取脑电信号的频率特征：基于快速傅里叶变换理论的频率提取算法、小波算法、典型相关分析(canonical correlation analysis,CCA)、节律成分提取(rhythmic componentextraction,RCE)、多通道检测等。以上算法为本领公知常识，不再赘述。
所述通信控制模块D6包括与通话控制单元D61相连接的听筒电路D62、话筒电路D63、振铃电路D64、远程无线收发单元D65；
所述控制单元D61由嵌入式处理器和专用的语音芯片构成。嵌入式处理器通过串口与上位机通信，接收上位机传来的指令，通过另外串口对分组模块发送相应的信令；分组模块根据信令执行相应的操作，从而实现拨号、接听、挂机、摘机、重拨等功能。在通话过程中，专用语音芯片完成语音的编码，传输和解码，实现语音信号和电信号之间的转换。另外，嵌入式处理器还控制分组模块的启动和休眠(省电)。
当有号码拨出和接入时，听筒电路D62和话筒电路D63被激活；振铃电路D64只在有号码接入的时候被激活。
本发明话筒和听筒并非传统的手持式，而是完全内嵌于意念电话终端机身内部，相当于普通电话的免提功能。当用户通过意念执行拨号、接听等功能时，话筒与听筒相关电路自动激活。振铃电路的功能是来电提示，当有来电但未接听时自动激活。
优选地，所述意念电话终端还包括与控制单元D1相连接的第一电源单元D5以及与通话控制单元D61相连接的第二电源单元D66，该方案使用得通信控制模块可以独立于意念电话终端供电，使通信控制模块与意念电话终端采用2个独立电源供电，以确保系统的稳定性和可靠性。
本发明提供意念电话终端的具体方式，其包括与控制单元相连接的数据处理单元、视觉刺激单元、近程无线接收单元和通信控制模块，该电话终端的拨号完全由意念控制；所述视觉刺激单元为含有数字显示区、视觉刺激区和触控区的液晶屏显示器，其设计合理，体积更小、分辨率更高，相对于传统的电脑显示屏，既能确保准确性，又能减小体积；并且将视觉刺激控制与电话通信控制功能相融合，减小了设备复杂度，便于携带。
本系统每个刺激块对应于一个特定的命令，用户想要执行某个命令时，只要注视对应的刺激块，这时在用户大脑特定区域会产生SSVEP信号，其基波频率与被注视刺激块的发光频率相同。因此，用户的意图(即用户注视的刺激块)可通过分析其脑电信号、检测SSVEP信号的频率来确定。具体地，用户注视某个刺激块时，在大脑枕叶区域会产生SSVEP信号，其基波频率与该刺激块的闪烁频率相同；EEG信号采集装置在枕叶实时采集EEG信号，然后经过放大、滤波和A/D转换，最后由其无线发送单元发送到意念电话终端；意念电话终端的近程无线接收模块接收数据，并传输数据到数据处理模块，数据处理模块对数据进行实时处理，检测出SSVEP信号的频率，识别用户所注视的刺激块，然后控制单元在视觉刺激器的视觉刺激单元显示结果或者将识别的结果传输到通信控制模块执行相应的命令。
本发明提供一种基于脑机接口的意念电话系统，所述EEG信号采集装置与意念电话终端之间无线通信连接，用户有更多活动空间，本系统有更广泛的适用场景。
本发明所举实施方式或者实施例对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施方式或者实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种脑电EEG信号采集装置，其特征在于：包括头戴式头环，所述头戴式头环的中部为可伸缩性弹性塑料体，所述可伸缩性弹性塑料体上包括依次电连接的EEG信号获取单元、信号预处理模块和无线发送模块；
所述EEG信号获取单元由4个电极组成，包含1个参考电极和3个EEG信号采集电极；所述参考电极和EEG信号采集电极通过电极帽固定在可伸缩性弹性塑料体上，按照“国际10/20标准导联系统”设置，分别与所述信号预处理单元相连接；所述电极帽中注入具有良好导电特性的导电胶，所述导电胶的电阻在3千欧至5千欧之间；
所述无线发送单元将经过预处理的信号通过无线方式发送到意念电话终端；
所述头戴式头环的两端设置有贴合结构，用于整个EEG信号采集装置弯曲成环状结构后将头戴式头环的首尾贴合形成闭合环状。
2.根据权利要求1所述EEG信号采集装置，其特征在于：所述信号预处理模块包括依次电连接的放大器、滤波器和A/D转换器。
3.根据权利要求2所述EEG信号采集装置，其特征在于：所述放大器采用二级放大，总的放大倍数为10000倍；所述滤波器为0.1HZ到70HZ的带通滤波器。
4.一种意念电话终端，其特征在于：包括与控制单元相连接的数据处理单元、视觉刺激单元、近程无线接收单元和通信控制模块，还包括与控制单元相连接的第一电源单元以及与通话控制单元相连接的第二电源单元；
所述视觉刺激单元包括液晶屏显示器，所述液晶屏显示器包括数字显示区、视觉刺激区和触控区；
所述控制单元用于对视觉刺激单元刺激块闪烁频率进行控制，调整刺激块的亮度和闪烁频率；如果识别结果是数字刺激块，用于控制视觉刺激单元将数字显示于数字显示区；如果识别结果是功能刺激块，将结果转化为相应指令并送到通信控制模块；
所述数据处理单元用于处理数据，即当近程无线接收单元接收到经过处理的脑电信号后，依次对该信号进行滤波、特征提取和识别；
所述近程无线接收单元用通过无线方式从EEG信号采集装置接收信号；
所述数字显示区包括1×11的号码显示阵列，用于显示通过意念拨号所获得的数字；
所述视觉刺激区域包括4×4拨号刺激块阵列，拨号刺激块阵列用于模拟电话拨号键盘，包括0－9的10个数字键和6个功能键：删除、确认、拨号、显示最近通信号码、接听、挂断；每个刺激块以不同的频率闪光；
所述触控区设置有模式‘MODE’触控键，用于切换视觉刺激单元的工作模式，可以在正常通信模式和训练模式之间来回切换；还设置有‘TRUE’、‘FAUSE’和‘CONTINUE’三个触控键，‘TRUE’和‘FAUSE’触控键用于根据判断训练结果切换到下一个刺激块，CONTINUE’触控键用于切换到下一轮训练；
所述通信控制模块包括与通话控制单元相连接的听筒电路、话筒电路、振铃电路、远程无线收发单元。
5.一种基于脑机接口的意念电话系统，其特征在于：包括权利要求1－3任一所述EEG信号采集装置和权利要求4所述意念电话终端，所述EEG信号采集装置与意念电话终端之间无线通信连接。
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