CN112987919B - 一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统以及实现方法 - Google Patents
一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统以及实现方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112987919B CN112987919B CN202110175901.4A CN202110175901A CN112987919B CN 112987919 B CN112987919 B CN 112987919B CN 202110175901 A CN202110175901 A CN 202110175901A CN 112987919 B CN112987919 B CN 112987919B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- brain
- module
- computer interface
- indirect
- interface system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims abstract description 23
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 claims abstract description 20
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims abstract description 17
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 claims abstract description 17
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 10
- 210000003710 cerebral cortex Anatomy 0.000 claims description 23
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 19
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 19
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 9
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 6
- 238000007726 management method Methods 0.000 claims description 6
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 3
- 230000007177 brain activity Effects 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004148 unit process Methods 0.000 claims description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 6
- 230000002490 cerebral effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000002366 time-of-flight method Methods 0.000 description 2
- INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 2-(furan-2-yl)-7-methyl-1h-1,8-naphthyridin-4-one Chemical compound N=1C2=NC(C)=CC=C2C(O)=CC=1C1=CC=CO1 INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010064719 Oxyhemoglobins Proteins 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 210000005013 brain tissue Anatomy 0.000 description 1
- 108010002255 deoxyhemoglobin Proteins 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
- G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
- G06F3/015—Input arrangements based on nervous system activity detection, e.g. brain waves [EEG] detection, electromyograms [EMG] detection, electrodermal response detection
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
- A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
- A61B5/14551—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
- A61B5/14553—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases specially adapted for cerebral tissue
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Neurology (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Neurosurgery (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统及其实现方法，其中脑机接口系统包括电源管理模块，近红外光源模块，模拟前端模块，用以发射、接收近红外光并转化成电信号，然后通过间接测量飞行时间技术对电信号进行四次移相得到模拟信号，最后再将其转化成数字信号；处理器模块，用户输出显示模块，以及通讯模块。本发明提供的脑机接口系统是基于间接测量飞行时间技术的功能近红外脑机接口方案，具有传统连续波方案成本低、集成度高的优点，通过测量入射近红外光和出射近红外光线之间的相位差来间接计算出近红外光在大脑中经过的距离，因此可以准确地测量出大脑不同深度区域血氧值的相对变化量，提高了脑血氧检测的精度，这是传统连续波功能近红外脑机接口方案不具有的优势。
Description
技术领域
本发明属于人工智能技术领域，尤其涉及一种基于间接测量飞行时间技术的功能近红外脑机接口系统以及实现方法。
背景技术
大脑在进行思维活动时，脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度会发生变化，进而会引发600nm到900nm近红外光在大脑皮层的能量传输损耗发生变化。通过功能近红外光谱技术可实时检测大脑皮层的血氧值进而反推出大脑的思维活动从而控制外部设备，最终实现人工智能，实现人和机器的高度融合。目前，通过功能近红外技术实现脑机接口的方案主要有三种,分别是连续波法、频域法和时域法。
传统的连续波功能近红外脑机接口技术的缺点是精度低、只能测量血氧变化的相对值，也无法测量到相位信息。频域法功能近红外脑机接口技术需要将信号调制到高频波段，因此设备体积大、成本高、很难做成可穿戴产品，限制了应用范围。时域法功能近红外脑机接口技术需要产生纳秒甚至皮秒的脉冲波，对半导体器件尤其是光传感器要求极高，目前该技术的成本也是最高的。
面对现有技术中的诸多缺陷，需要设计出一种功能近红外脑机接口系统以及实现方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、精度高、可穿戴的基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统以及实现方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统，包括
电源管理模块，用以给整个脑机接口系统提供稳定的电源；
光源模块，用以向大脑皮层输出稳定的光信号，然后接收经大脑皮层反射之后的光信号，并将其转化成电信号；
模拟前端模块，用以接收转化成的电信号，放大处理后将其转化成数字信号，
四相移间接飞行时间运算单元，用以对模拟前端模块中的模拟电信号或数字电信号通过间接测量飞行时间技术进行运算；
处理器模块，用以控制光源模块的发射接收、模拟前端模块对电信号的接收以及处理计算分析输出；
用户输出显示模块，用以显示通过模拟前端模块对光信号处理计算分析之后检测到的大脑的活动状态；
以及通讯模块，通过其向外部受控设备传输信号用以控制外部受控设备的行为。
作为本发明的进一步改进，所述电源管理模块包括用以对3.7V标准电压进行升压至5.4V的开关电源芯片以及与其连接的用以为整个脑机接口系统提供AVDD模拟电源、DVDD数字电源和REF参考电压的线性稳压芯片。
作为本发明的进一步改进，所述光源模块包括发光装置以及光电传感器，所述发光装置包括产生600-900nm的LED发光二极管或LD激光二级管，所述光电传感器包括APD雪崩光电二极管、SiPIN光电二极管或PMT光电倍增管，用以接收经大脑皮层反射之后的光信号并将转换成的电信号传输给模拟前端模块，所述光电传感器上还设置有用以避免日光干扰的光学带通滤光片。
作为本发明的进一步改进，所述模拟前端模块包括
光源驱动器，用以驱动光源模块激发光信号至大脑皮层，
跨阻放大器，用以将光电传感器传输过来的微弱电信号转换成小电压信号，
增益调节器，用以将经跨阻放大器转换后的小电压信号进行放大，
带通滤波器，用以对放大后的电压信号进行滤波，
模数转化模块，用以对模拟电信号进行采样并转化成数字信号，
直流校正模块，用以对光源驱动器、跨阻放大器、增益调节器进行校正以降低整个脑机接口系统的噪声以及排除日光的干扰。
作为本发明的进一步改进，所述四相移间接飞行时间运算单元可以集成在模拟前端模块上，按照间接测量飞行时间技术的原理对滤波后的电压信号进行四次移相运算，计算得到相位差和幅度信息，或者可以集成在处理器模块上，按照间接测量飞行时间技术的原理对模数转化后的数字信号进行四次相移运算，计算得到相位差和幅度信息。
作为本发明的进一步改进，所述处理器模块还用以完成整个脑机接口系统中仪器噪声、生理噪声的去噪算法和朗伯-比尔定律的转换。
作为本发明的进一步改进，所述处理器模块由FPGA或微功耗单片机控制，所有算法均在片上实现。
作为本发明的进一步改进，所述通讯模块包括Bluetooth、Zigbee、WiFi的无线传输方式以及Ethernet以太网、RS232、USB有线接口。
本发明还提供一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统的实现方法，具体包括以下步骤，
a、光源模块在处理器模块的控制下，向大脑皮层发射光信号，所述光信号为600-900nm的红外光，经大脑皮层反射之后的光信号经光电传感器接收转化后，将电信号传输给模拟前端模块，并四相移间接飞行时间运算单元通过四步相移法对光信号进行处理计算分析之后，将检测到的大脑活动状态显示到用户输出显示模块上，
b、通过步骤a中的四步相移法的处理计算分析之后，计算出光信号在大脑皮层中飞行的距离，并同时利用间接测量飞行时间技术测量大脑不同深度的血氧值，而飞行的距离以及不同深度的血氧值以模拟前端模块输出的数字信号的方式对应体现，并通过通讯模块，将对应的数字信号输出给外部受控设备，从而实现脑机接口。
作为本发明的进一步改进，所述步骤a中模拟前端模块通过四步相移法对光信号进行处理计算分析过程具体包括以下步骤，
i.跨阻放大器将接收到的微弱电信号转换成小电压信号，然后经增益调节器将小电压信号进行放大，再通过带通滤波器对放大后的电压信号进行滤波，
ii.四相移间接飞行时间运算单元按照间接测量飞行时间技术的原理对滤波后的电压信号进行四次移相运算，四次移相后的模拟信号输入到模数转化模块进行采样并转化成数字信号，
iii.在步骤i和ii过程中，直流校正模块对光源驱动器、跨阻放大器、增益调节器进行校正以降低整个脑机接口系统的噪声以及排除日光的干扰。
作为本发明的进一步改进，所述步骤ii还可以是，
ii.模数转化模块对滤波后的电压信号进行模数转化成数字信号，然后四相移间接飞行时间运算单元按照间接测量飞行时间技术的原理对数字信号进行四次移相运算。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明提供的脑机接口系统是基于间接测量飞行时间技术的功能近红外脑机接口方案，具有传统连续波方案成本低、集成度高的优点，通过测量入射近红外光和出射近红外光线之间的相位差来间接计算出近红外光在大脑中经过的距离，因此可以准确地测量出大脑不同深度区域血氧值的相对变化量，提高了大脑血氧检测的精度，这是传统连续波功能近红外脑机接口方案不具有的优势。
另外，通过测量出的大脑不同深度血氧值的相对变化量，并以数字信号的方式向外传输给外部受控设备，进而来达到控制外部受控设备的目的，实现脑机接口技术。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于的间接测量飞行时间技术的原理示意图，
图2是本发明基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统整体示意图，
图3是本发明一基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统模块示意图，
图4是本发明另一基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统模块示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
在本发明中，所用到的核心原理为间接测量飞行时间技术，其基本原理为四步相移法，如图1所示，即对接收到的信号进行0、π/>的相移,通过测量入射信号与出射信号的相位差ΔΦ来间接计算出近红外光在大脑中的所经历的深度，主要模块有：0相移模块1、/>相移模块2、π相移模块3、/>相移模块4、减法器5、加法器6、平方运算模块7、除法器8、开方运算9以及反三角求解模块10，式1中R(i)为接收到的信号，其数学表达式为：
其中A为接收信号的幅度，B为接收信号的偏置，ΔΦ为相位差。经过0、π、/>的相移后，对应的信号分别为：
利用式2中公式(1)、(2)、(3)、(4)，得到相位差ΔΦ的三角函数数学公式：
对式3进行反三角函数运算，求得相位差ΔΦ为：
利用式2中公式(1)、(2)、(3)、(4)，求得接收信号的幅度：
利用式2公式(1)、(2)、(3)、(4)，求得接收信号的偏置：
求得相位差ΔΦ，间接得到近红外光在大脑中的深度：
其中c为近红外光在大脑中的速度。
根据上述式4-7，可利用入射近红外光线与出射近红外光线之间的相位差ΔΦ，间接计算出近红外光所经过的距离。由于信号幅度A与相位差ΔΦ是同时计算的，因此利用间接测量飞行时间技术(IToF)可测量大脑不同深度的血氧值，进而提高功能近红外脑机接口技术的精度。
实施方式一
本实施方式提供了一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统，如图2-4所示，包括
电源管理模块1，用以给整个脑机接口系统提供稳定的电源；所述电源管理模块包括用以对3.7V标准电压进行升压至5.4V的开关电源芯片11以及与其连接的用以为整个脑机接口系统提供AVDD模拟电源、DVDD数字电源和REF参考电压的线性稳压芯片12。
光源模块2，用以向大脑皮层输出稳定的光信号，然后接收经大脑皮层反射之后的光信号，并将其转化成电信号；所述光源模块包括发光装置21以及光电传感器22，所述发光装置包括产生600-900nm的LED发光二极管或LD激光二级管，所述光电传感器包括APD雪崩光电二极管、SiPIN光电二极管或PMT光电倍增管，用以接收经大脑皮层反射之后的光信号并将转换成的电信号传输给模拟前端模块，所述光电传感器上还设置有用以避免日光干扰的光学带通滤光片(未图示)。
模拟前端模块3，用以接收转化成的电信号，并通过间接测量飞行时间技术对电信号进行四次移相得到模拟信号，然后再将其转化成数字信号；所述模拟前端模块包括光源驱动器31，用以驱动光源模块激发光信号至大脑皮层，跨阻放大器32，用以将光电传感器传输过来的微弱电信号转换成小电压信号，增益调节器33，用以将经跨阻放大器转换后的小电压信号进行放大，带通滤波器34，用以对放大后的电压信号进行滤波，四相移间接飞行时间运算单元35，按照间接测量飞行时间技术的原理对滤波后的电压信号进行四次移相，模数转化模块36，用以对经过四次移相后的模拟信号进行采样并转化成数字信号，直流校正模块37，用以对光源驱动器、跨阻放大器、增益调节器进行校正以降低整个脑机接口系统的噪声以及排除日光的干扰。
处理器模块4，用以控制光源模块的发射接收、模拟前端模块对电信号的接收以及处理计算分析输出；所述处理器模块还用以完成整个脑机接口系统中仪器噪声、生理噪声的去噪算法和朗伯-比尔定律的转换，所述处理器模块由FPGA或微功耗单片机控制，所有算法均在片上实现。
用户输出显示模块5，用以显示通过模拟前端模块对光信号处理计算分析之后检测到的大脑的活动状态；
以及通讯模块6，通过其向外部受控设备传输信号用以控制外部受控设备7的行为，所述通讯模块包括Bluetooth、Zigbee、WiFi的无线传输方式以及Ethernet以太网、RS232、USB有线接口。
本发明还提供了一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统的实现方法，具体包括以下步骤，a、光源模块在处理器模块的控制下，向大脑皮层发射光信号，所述光信号为600-900nm的红外光，经大脑皮层反射之后的光信号经光电传感器接收转化后，将电信号传输给模拟前端模块，并四相移间接飞行时间运算单元通过四步相移法对光信号进行处理计算分析之后，将检测到的大脑活动状态显示到用户输出显示模块上，
b、通过步骤a中的四步相移法的处理计算分析之后，计算出光信号在大脑皮层中飞行的距离，并同时利用间接测量飞行时间技术测量大脑不同深度的血氧值，而飞行的距离以及不同深度的血氧值以模拟前端模块输出的数字信号的方式对应体现，并通过通讯模块，将对应的数字信号输出给外部受控设备，从而实现脑机接口。
所述步骤a中模拟前端模块通过四步相移法对光信号进行处理计算分析过程具体包括以下步骤，
i.跨阻放大器将接收到的微弱电信号转换成小电压信号，然后经增益调节器将小电压信号进行放大，再通过带通滤波器对放大后的电压信号进行滤波，
ii.四相移间接飞行时间运算单元按照间接测量飞行时间技术的原理对滤波后的电压信号进行四次移相运算，四次移相后的模拟信号输入到模数转化模块进行采样并转化成数字信号，
iii.在步骤i和ii过程中，直流校正模块对光源驱动器、跨阻放大器、增益调节器进行校正以降低整个脑机接口系统的噪声以及排除日光的干扰。
实施方式二
在本发明的另一个实施例中，如图4，上一实施例中，所述四相移间接飞行时间运算单元集成在模拟前端模块上，位于带通滤波器和模数转化模块中间，其按照间接测量飞行时间技术的原理对滤波后的电压信号进行四次移相运算，然后输出幅度和相位信息，在本发明第二实施例中，所述四相移间接飞行时间运算单元集成在处理器模块上，按照间接测量飞行时间技术的原理对模数转化后的数字信号进行四次相移运算，可以理解为，在该实施例中间接飞行时间运算是在处理器模块上实现的。
但是不管是第一实施方式还是第二实施方式，其核心都是通过四相移间接飞行时间运算单元对放大处理后的模拟/数字信号进行四步相移运算。本发明提供的脑机口系统是基于间接测量飞行时间技术的功能近红外脑机接口方案，具有传统连续波方案成本低、集成度高的优点，通过测量入射近红外光和出射近红外光线之间的相位差来间接计算出近红外光在大脑中经过的距离，因此可以准确地测量出大脑不同深度区域血氧值的相对变化量，提高了大脑血氧检测的精度，这是传统连续波功能近红外脑机接口方案不具有的优势。
另外，通过测量出的大脑不同深度的血氧值，并以数字信号的方式向外传输给外部受控设备，进而来达到控制外部受控设备的目的，实现脑机接口技术，在具体实施过程中，近红外光源数量和光传感器数量可以增加，能够获得更好的性能。
应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：包括
电源管理模块，用以给整个脑机接口系统提供稳定的电源；
光源模块，用以向大脑皮层输出稳定的光信号，然后接收经大脑皮层反射之后的光信号，并将其转化成电信号；
模拟前端模块，用以接收转化成的电信号，放大处理后将其转化成数字信号，
四相移间接飞行时间运算单元，用以对模拟前端模块中的模拟电信号或数字电信号通过间接测量飞行时间技术进行运算；
处理器模块，用以控制光源模块的发射接收、模拟前端模块对电信号的接收以及处理计算分析输出；
用户输出显示模块，用以显示通过模拟前端模块对光信号处理计算分析之后检测到的大脑的活动状态；
以及通讯模块，通过其向外部受控设备传输信号用以控制外部受控设备的行为；
所述模拟前端模块包括
光源驱动器，用以驱动光源模块激发光信号至大脑皮层，
跨阻放大器，用以将光电传感器传输过来的微弱电信号转换成小电压信号，
增益调节器，用以将经跨阻放大器转换后的小电压信号进行放大，
带通滤波器，用以对放大后的电压信号进行滤波，
模数转化模块，用以对模拟电信号进行采样并转化成数字信号，
直流校正模块，用以对光源驱动器、跨阻放大器、增益调节器进行校正以降低整个脑机接口系统的噪声以及排除日光的干扰；
所述四相移间接飞行时间运算单元可以集成在模拟前端模块上，按照间接测量飞行时间技术的原理对滤波后的电压信号进行四次移相运算，计算得到相位差和幅度信息，或者可以集成在处理器模块上，按照间接测量飞行时间技术的原理对模数转化后的数字信号进行四次相移运算，计算得到相位差和幅度信息。
2.根据权利要求1所述的基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述电源管理模块包括用以对3.7V标准电压进行升压至5.4V的开关电源芯片以及与其连接的用以为整个脑机接口系统提供AVDD模拟电源、DVDD数字电源和REF参考电压的线性稳压芯片。
3.根据权利要求1所述的基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述光源模块包括发光装置以及光电传感器，所述发光装置包括产生600-900nm的LED发光二极管或LD激光二级管，所述光电传感器包括APD雪崩光电二极管、SiPIN光电二极管或PMT光电倍增管，用以接收经大脑皮层反射之后的光信号并将转换成的电信号传输给模拟前端模块，所述光电传感器上还设置有用以避免日光干扰的光学带通滤光片。
4.根据权利要求1所述的基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述处理器模块还用以完成整个脑机接口系统中仪器噪声、生理噪声的去噪算法和朗伯-比尔定律的转换。
5.根据权利要求1所述的基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述处理器模块由FPGA或微功耗单片机控制，所有算法均在片上实现。
6.根据权利要求1所述的基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述通讯模块包括Bluetooth、Zigbee、WiFi的无线传输方式以及Ethernet以太网、RS232、USB有线接口。
7.一种权利要求1-6任一项所述的基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统的实现方法，其特征在于：具体包括以下步骤，
a、光源模块在处理器模块的控制下，向大脑皮层发射光信号，所述光信号为600-900nm的红外光，经大脑皮层反射之后的光信号经光电传感器接收转化后，将电信号传输给模拟前端模块，并四相移间接飞行时间运算单元通过四步相移法对光信号进行处理计算分析之后，将检测到的大脑活动状态显示到用户输出显示模块上，
b、通过步骤a中的四步相移法的处理计算分析之后，计算出光信号在大脑皮层中飞行的距离，并同时利用间接测量飞行时间技术测量大脑不同深度血氧值的相对变化量，而飞行的距离以及不同深度的血氧值以模拟前端模块输出的数字信号的方式对应体现，并通过通讯模块，将对应的数字信号输出给外部受控设备，从而实现脑机接口。
8.根据权利要求7所述的基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统的实现方法，其特征在于：所述步骤a中模拟前端模块通过四步相移法对光信号进行处理计算分析过程具体包括以下步骤，
i.跨阻放大器将接收到的微弱电信号转换成小电压信号，然后经增益调节器将小电压信号进行放大，再通过带通滤波器对放大后的电压信号进行滤波，
ii.四相移间接飞行时间运算单元按照间接测量飞行时间技术的原理对滤波后的电压信号进行四次移相运算，四次移相后的模拟信号输入到模数转化模块进行采样并转化成数字信号，
iii.在步骤i和ii过程中，直流校正模块对光源驱动器、跨阻放大器、增益调节器进行校正以降低整个脑机接口系统的噪声以及排除日光的干扰。
9.根据权利要求8所述的基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统的实现方法，其特征在于：步骤ii还可以是，
ii.模数转化模块直接对滤波后的电压信号进行模数转化成数字信号，然后四相移间接飞行时间运算单元按照间接测量飞行时间技术的原理对数字信号进行四次移相、运算。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110175901.4A CN112987919B (zh) | 2021-02-07 | 2021-02-07 | 一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统以及实现方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110175901.4A CN112987919B (zh) | 2021-02-07 | 2021-02-07 | 一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统以及实现方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112987919A CN112987919A (zh) | 2021-06-18 |
| CN112987919B true CN112987919B (zh) | 2023-11-03 |
Family
ID=76392615
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110175901.4A Active CN112987919B (zh) | 2021-02-07 | 2021-02-07 | 一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统以及实现方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112987919B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113633262B (zh) * | 2021-08-13 | 2023-08-18 | 嘉兴知芯电子科技有限公司 | 近红外光谱脑功能成像系统及成像信号采样方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009265876A (ja) * | 2008-04-24 | 2009-11-12 | Sony Corp | 制御装置、制御方法、制御方法のプログラム及び制御方法のプログラムを記録した記録媒体 |
| CN101853070A (zh) * | 2010-05-13 | 2010-10-06 | 天津大学 | 前额脑电与血氧信息融合的人机交互装置 |
| CN102973279A (zh) * | 2012-12-18 | 2013-03-20 | 哈尔滨工业大学 | 独立成分分析联合最小二乘法的近红外脑机接口的信号检测方法 |
| CN104107051A (zh) * | 2014-07-31 | 2014-10-22 | 中国科学院自动化研究所 | 一种便携式多脑区血氧检测与实时显示系统 |
| CN104363983A (zh) * | 2014-08-06 | 2015-02-18 | 中国科学院自动化研究所 | 脑活动检测方法和系统 |
| CN107252305A (zh) * | 2017-06-18 | 2017-10-17 | 天津大学 | 基于全并行锁相光子计数检测模式的nirs脑功能成像系统 |
-
2021
- 2021-02-07 CN CN202110175901.4A patent/CN112987919B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009265876A (ja) * | 2008-04-24 | 2009-11-12 | Sony Corp | 制御装置、制御方法、制御方法のプログラム及び制御方法のプログラムを記録した記録媒体 |
| CN101853070A (zh) * | 2010-05-13 | 2010-10-06 | 天津大学 | 前额脑电与血氧信息融合的人机交互装置 |
| CN102973279A (zh) * | 2012-12-18 | 2013-03-20 | 哈尔滨工业大学 | 独立成分分析联合最小二乘法的近红外脑机接口的信号检测方法 |
| CN104107051A (zh) * | 2014-07-31 | 2014-10-22 | 中国科学院自动化研究所 | 一种便携式多脑区血氧检测与实时显示系统 |
| CN104363983A (zh) * | 2014-08-06 | 2015-02-18 | 中国科学院自动化研究所 | 脑活动检测方法和系统 |
| CN107252305A (zh) * | 2017-06-18 | 2017-10-17 | 天津大学 | 基于全并行锁相光子计数检测模式的nirs脑功能成像系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112987919A (zh) | 2021-06-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8050730B2 (en) | Method and apparatus for eliminating interference in pulse oxygen measurement | |
| EP3406194B1 (en) | Circuit arrangement for an optical monitoring system and method for optical monitoring | |
| CN111609918A (zh) | 基于包络检波电路的光纤分布式振动传感系统 | |
| CN105286793B (zh) | 生理信号调理电路和生理信号采集系统 | |
| US20150333712A1 (en) | Four-stage circuit architecture for detecting pulsed signals | |
| WO2014192624A1 (ja) | 生体センサ | |
| CN106535753A (zh) | 光学心率传感器 | |
| CN103308146A (zh) | 光纤f-p声发射传感器的信号解调系统 | |
| US20190307352A1 (en) | Control method and device based on brain signal, and human-computer interaction device | |
| US9632031B2 (en) | System for in vitro detection and/or quantification by fluorometry | |
| KR20140127761A (ko) | 포토다이오드들에 대한 회로 아키텍처 | |
| CN112987919B (zh) | 一种基于间接测量飞行时间技术的脑机接口系统以及实现方法 | |
| CN103385711B (zh) | 基于mems的人体生理参数检测装置 | |
| US10561319B2 (en) | System and method for measuring phase delay and amplitude of an optical signal in animal tissue | |
| US11744490B2 (en) | Non-invasive blood glucose detection device and measurement method based on multi-technology integration | |
| CN110879103A (zh) | 一种宽频段光电探测器频率响应的测试装置与方法 | |
| CN113268142B (zh) | 基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、脑机接口穿戴设备及其控制方法 | |
| CN204666826U (zh) | 一种太赫兹连续安检成像装置 | |
| CN103622704B (zh) | 一种宽动态范围的脉搏血氧测量系统 | |
| CN106598107B (zh) | 一种基于反馈系统的可自动调节光电传感器信号电路 | |
| WO2015198470A1 (ja) | 測定装置及び測定方法 | |
| CN210862726U (zh) | 一种多通道高速光纤光栅解调模块 | |
| US10028681B2 (en) | Biological sensor | |
| CN203400153U (zh) | 基于mems的人体生理参数检测装置 | |
| CN203619564U (zh) | 新型宽动态范围的脉搏血氧测量系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |