CN110638445A - 一种基于ssvep的少通道脑电信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于SSVEP的少通道脑电信号采集装置，属于脑‑机接口和人机交互技术领域。本发明包括脑电信号采集头环、信号放大和AD转换模块、信号发射/接收模块、电脑；所述脑电信号采集头环、信号放大和AD转换模块、信号发射/接收模块、电脑依次连接。本发明用户通过显示器，利用上述模块在SSVEP刺激范式下实现实时评估被试的情绪状态，以指导数据采集进程，提高数据采集质量；同时，采用少通道设计，减少佩戴时间及增加被试佩戴的舒适度，更具人性化。本发明可以应用到科研、教育及娱乐中。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于SSVEP的少通道脑电信号采集装置，属于脑-机接口和人机交互技术领域。
背景技术
随着机器学习技术的进步，探索脑-机接口走向实用化的团队越来越多，也使之逐渐走入公众视野，成为21世纪最具有诱人前景的人机交互系统之一。但是，目前多数脑-机接口都还停留在对外输出特定控制指令的条件下，人机交互的方式单一，机器无法辨别人类所发出指令的情感成分。也很少关注该方式是否会给用户带来的不适感，特别是基于SSVEP的脑-机接口，对某些被试来说，闪烁刺激的范式是难以接受的，如果在被试招募中出现，而我们又没有有效手段去区别，对后续实验数据的可靠度及被试都会造成不良影响。
具有情感认知能力的脑-机交互系统（EBCI）是人工智能领域的一大梦想。情绪是对一系列主观认知经验的通称，是多种感觉、思想和行为综合产生的生理和心理状态。对情绪识别研究有着悠久历史，过去通过面部微表情和语音来研究人的情绪变化，但通过一定训练之后，人可以刻意隐藏自己的情绪。所以目前发展出了基于脑电信号的情绪识别，相对于其它生理信号指标，脑电信号更能准确反映人的情绪变化。相关研究表明：仅仅利用Fp1、Fp2通道的电极所采集的脑电波，就可以在频域区分：高效价高唤醒度（HVHA）、低效价高唤醒度（LVHA）、高效价低唤醒度（HVLA）、低效价地唤醒度（LVLA）四类情绪。目前，市场上也有基于情绪识别的成熟产品，如Neurosky公司的TGAM集成芯片，使用其获得专利技术的eSense内置算法可以计算出“专注度”及“放松度”两个心理指标，不仅可以实时评价用户的心理状态，还可以应用到娱乐、游戏产品的开发中。
在一个固定频率的重复视觉刺激下大脑皮层的枕叶部分会出现与之对应频率及其二次谐波、三次谐波频率的稳态响应，称之为稳态视觉诱发电位(Steady State VisualEvoked Potential，SSVEP)。大多数被试的稳态响应在低频段（<30Hz）较为强烈。相对于自发脑电波而言，诱发电位的稳态响应较不依赖于个体，因此此类脑-机接口不需要大量训练就能获得很高的分类准确率。目前基于SSVEP的脑-机接口技术已相对成熟，仅仅在枕叶放置O1、O2、Oz三个电极就可以检测到，其优点是速度快，信息传输速率高，稳点性相对较好，缺点是闪烁刺激容易造成视觉疲劳，对一些用户来说，这种方式甚至是不可接受的。
少通道脑-机接口是脑-机接口技术走出实验室的突破方向之一，目前市场上有关产品多是基于单通道脑-机接口，但大多数控制指令单一，只能应用到娱乐产品中，而指令数满足要求、佩戴方便的产品有待开发。实验室所用的脑-机接口由于指令较多，通道数一般为32导、64导甚至更多，在佩戴过程中往往要花大量时间去准备，对科研人员和被试来说，这种方式都是极不方便的。而对于基于SSVEP少通道脑-机接口的相关研究表明，仅利用O1、O2、Oz、Fpz(GND极)、A2（参考极）5个电极就可以满足要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于SSVEP的少通道脑电信号采集装置，用于完成脑电信号的采集。
本发明专注于思考如何检测被试在SSVEP刺激范式作用下情绪状态的变化及如何减少科研人员佩戴脑电帽的时间，使被试在整个过程中保持放松、专注，当被试出现走神时给出语音提示，出现低沉情绪时及时暂停或终止实验，以保证被试的愉悦和数据的可靠性。
本发明技术方案是：一种基于SSVEP的少通道脑电信号采集装置，包括脑电信号采集头环、信号放大和AD转换模块、信号发射/接收模块、电脑；所述脑电信号采集头环、信号放大和AD转换模块、信号发射/接收模块、电脑依次连接；
所述脑电信号采集头环上设有电极，电极用于采集脑电信号，采集到的信号传输到信号放大和AD转换模块、信号发射/接收模块；电脑包括显示器及信号处理模块，显示器用于播放SSVEP刺激范式界面，信号处理模块包括情绪识别模块及SSVEP信号存储模块；脑电信号采集头环将采集到的SSVEP信号传输到信号放大和AD转换模块，转化为数字信号，再通过信号发射/接收模块传输到电脑端对应信号处理模块，得到被试当前对应的情绪状态，以指导实时数据采集进程。
进一步地，被试佩戴的脑电采集装置设计为头环样式，电极位置按国际10-20系统标准放置，所述脑电信号采集头环，通过电脑显示器播放的SSVEP刺激范式，利用脑电信号采集头环采集SSVEP信号，3个信号通道(Fp1、Fp2、耳夹)采用干电极；5个通道(Fpz、O1、O2、Oz、A2)采用湿电极。为防止采集盒对电极的干扰，所有电极用导线引出。所用电极通过导线连接到信号放大和AD转换模块。
进一步地，所述信号放大和AD转换模块共8个通道，采样率为1000Hz，AD转换为16位，AD转换后的数字信号，其中：5个湿电极采集的数据直接输出到信号发射/接收模块；3个干电极通道的数据传输到Neurosky公司的TGAM集成芯片，使用其eSense内置算法实时计算出“专注度”及“放松度”两个心理指标，输出专注度、放松度指数到信号发射/接收模块。TGAM集成芯片内置在信号放大和AD转换模块中，专门计算“专注度”及“放松度”两个心理指标；
进一步地，所述信号发射/接收模块，采用WIFI传输协议，使用两个信号发射/接收模块，由MATLAB编写的信号处理模块进行数据信号接收、存储及实时显示，包括“专注度”、“放松度”及“SSVEP信号”。
进一步地，所述信号处理模块，使用MATLAB编写的脚本数据处理软件在线实时完成，先对接受到专注度、放松度指数和SSVEP信号进行同步，然后，对SSVEP信号进行去工频干扰和伪迹剔除处理，再进行数据存储和实时显示；同时，利用 “专注度”及“放松度”2个参数设计一个判断程序：当“专注度”及“放松度”都小于60%时，给出语音提示：“建议暂停实验”；当“专注度”小于60%且“放松度”大于60%时，给出语音提示：“被试请集中注意力”；当“专注度”大于60%且“放松度”小于60%时，给出语音提示：“请被试放松”；当“专注度”及“放松度”都大于60%时，程序无动作，根据上述判断指导数据采集进程。
本发明的有益效果是：
1、利用基于SSVEP脑-机接口的快速性、稳定性，使输出的效率更快。
2、采用少通道设计，具有很强的运动抗干扰能力，用户使用起来更加舒适。
3、采用Neurosky公司的TGAM集成芯片，使情绪识别的效率更高，相比传统控制方法更加灵活。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明信号采集探头及头环结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-2所示，一种基于SSVEP的少通道脑电信号采集装置，包括脑电信号采集头环、信号放大和AD转换模块、信号发射/接收模块、电脑；所述脑电信号采集头环、信号放大和AD转换模块、信号发射/接收模块、电脑依次连接；
所述脑电信号采集头环上设有电极，电极用于采集脑电信号，采集到的信号传输到信号放大和AD转换模块、信号发射/接收模块；电脑包括显示器及信号处理模块，显示器用于播放SSVEP刺激范式界面，信号处理模块包括情绪识别模块及SSVEP信号存储模块；脑电信号采集头环将采集到的SSVEP信号传输到信号放大和AD转换模块，转化为数字信号，再通过信号发射/接收模块传输到电脑端对应信号处理模块，得到被试当前对应的情绪状态，以指导实时数据采集进程。
用户所佩戴头帽的脑电信号采集装置如图2所示。该装置由两个独立模块构成，SSVEP信号采集模块和用于情绪检测的信号采集模块，SSVEP信号采集模块采用5个湿电极：O1、O2、Oz、Fpz(GND极)、A2（参考极），并用导线连接到信号采集盒进行放大和AD转换，情绪检测信号采集模块使用3个干电极：Fp1、Fp2、耳夹位于头环的右面，头环前额部分，外侧为具有弹性铝合金条，宽1cm,厚2mm，对应Fpz的位置留有导电膏注射孔，两侧延长到耳朵上方截止；内侧为人体可接触橡胶，厚8mm，在Fpz（湿电极，）、Fp1（干电极）、Fp2（干电极）三个部位设有电极。枕叶侧采用有弹性、透气的布料。在枕叶O1、O2、Oz三个部位设有三个湿电极，前后连接出橡胶中空，外侧设有旋钮，可根据不同头型尺寸进行调节。前额部分导线内嵌，后部外露，统一连接到位于颈部的数据采集盒。
进一步地，脑电信号放大和AD转换盒采用8通道混合设计，其中：5个通道用于放大和转换SSVEP脑电数据，放大倍数为：前级500，中、后级2000，共模抑制比为140dB(最小值)，采样率为1000Hz，AD转换为16位，数据输出到WIFI发射/接收模块，通过无线传输到电脑接收端；3个通道用于情绪检测系统，内部使用Neurosky公司的TGAM集成芯片，采样率1000Hz,使用其获得专利技术的eSense内置算法，通过标准UART串口输出专注度、放松度指数2类数据(数字信号)到WIFI通信模块，供电模块采用标准3.3V锂离子电池供电。
进一步地，所述信号发射/接收模块，采用WIFI传输协议，使用两个信号发射/接收模块，由MATLAB编写的信号处理模块进行数据信号接收、存储及实时显示，包括“专注度”、“放松度”及“SSVEP信号”。
进一步地，所述信号处理模块，使用MATLAB编写的脚本数据处理软件在线实时完成，先对接受到专注度、放松度指数和SSVEP信号进行同步，然后，对SSVEP信号进行去工频干扰和伪迹剔除处理，再进行数据存储和实时显示；同时，利用 “专注度”及“放松度”2个参数设计一个判断程序：当“专注度”及“放松度”都小于60%时，给出语音提示：“建议暂停实验”；当“专注度”小于60%且“放松度”大于60%时，给出语音提示：“被试请集中注意力”；当“专注度”大于60%且“放松度”小于60%时，给出语音提示：“请被试放松”；当“专注度”及“放松度”都大于60%时，程序无动作，根据上述判断指导数据采集进程。
本发明装置的工作过程如下：
步骤（1）：用户佩戴EEG脑电信号采集头环，并在合适的位置固定电脑显示器，EEG脑电信号采集头环将采集到的SSVEP信号和情绪信号传输到信号放大和AD转换模块进行放大和滤波转换处理后的信号通过WIFI传输到电脑，电脑显示器播放SSVEP刺激范式界面。
步骤（2）：电脑初始界面为SSVEP信号显示界面，电脑和信号放大和AD转换模块连接正常后，单机开始采集按钮，实时显示当前采集到的SSVEP信号并存储。TGAM集成芯片内置在信号放大和AD转换模块中，专门计算“专注度”及“放松度”两个心理指标；
步骤（3）：根据“专注度”及“放松度”2个参数设计后台判别程序，当“专注度”及“放松度”都小于60%时，给出语音提示：“建议暂停实验”，此时点击SSVEP信号显示界面的“暂停”按钮，被试停止任务，适当休息一段时间。
步骤（4）：当“专注度”小于60%且“放松度”大于60%时，给出语音提示：“被试请集中注意力”；当“专注度”大于60%且“放松度”小于60%时，给出语音提示：“请被试放松”；当“专注度”及“放松度”都大于60%时，无提示，此3种情况下数据采集正常进行。
步骤（5）：数据采集实验完成后，单机SSVEP信号显示界面的“停止”按钮即可退出采集页面，关闭系统。
具体地，在各个步骤中，语音播放器均播放相应的指令，使被试处在较好的实验状态中，以提高数据采集质量。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种基于SSVEP的少通道脑电信号采集装置，其特征在于：包括脑电信号采集头环、信号放大和AD转换模块、信号发射/接收模块、电脑；所述脑电信号采集头环、信号放大和AD转换模块、信号发射/接收模块、电脑依次连接；
所述脑电信号采集头环上设有电极，电极用于采集脑电信号，采集到的信号传输到信号放大和AD转换模块、信号发射/接收模块；电脑包括显示器及信号处理模块，显示器用于播放SSVEP刺激范式界面，信号处理模块包括情绪识别模块及SSVEP信号存储模块；脑电信号采集头环将采集到的SSVEP信号传输到信号放大和AD转换模块，转化为数字信号，再通过信号发射/接收模块传输到电脑端对应信号处理模块，得到被试当前对应的情绪状态，以指导实时数据采集进程。
2.根据权利要求1所述的基于SSVEP的少通道脑电信号采集装置，其特征在于：所述脑电信号采集头环，通过电脑显示器播放的SSVEP刺激范式，利用脑电信号采集头环采集SSVEP信号，电极按国际10-20系统标准放置，设置有5个湿电极：O1、O2、Oz、Fpz、A2；3个干电极：Fp1、Fp2、耳夹，所用电极通过导线连接到信号放大和AD转换模块。
3.根据权利要求1所述的基于SSVEP的少通道脑电信号采集装置，其特征在于：所述信号放大和AD转换模块共8个通道，采样率为1000Hz，AD转换为16位，AD转换后的数字信号，其中：5个湿电极采集的数据直接输出到信号发射/接收模块；3个干电极通道的数据传输到Neurosky公司的TGAM集成芯片，使用其eSense内置算法，输出专注度、放松度指数到信号发射/接收模块。
4.根据权利要求1所述的基于SSVEP的少通道脑电信号采集装置，其特征在于：所述信号发射/接收模块，采用WIFI传输协议，使用两个信号发射/接收模块，由MATLAB编写的信号处理模块进行数据信号接收、存储及实时显示，包括“专注度”、“放松度”及“SSVEP信号”。
5.根据权利要求1所述的基于SSVEP的少通道脑电信号采集装置，其特征在于：所述信号处理模块，使用MATLAB编写的数据处理软件，先对接受到专注度、放松度指数和SSVEP信号进行同步，然后，对SSVEP信号进行去工频干扰和伪迹剔除处理，再进行数据存储和实时显示；同时，利用 “专注度”及“放松度”2个参数设计一个判断程序：当“专注度”及“放松度”都小于60%时，给出语音提示：“建议暂停实验”；当“专注度”小于60%且“放松度”大于60%时，给出语音提示：“被试请集中注意力”；当“专注度”大于60%且“放松度”小于60%时，给出语音提示：“请被试放松”；当“专注度”及“放松度”都大于60%时，程序无动作，根据上述判断指导数据采集进程。
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