CN113268142B - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了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包括，处理器，用以控制整个脑机接口系统；光源模块，光电传感器，跨阻放大器，模数转换器，第一高度比较器，第二高速比较器。本发明将直接测量飞行时间技术(DToF)应用到功能近红外脑机接口领域。通过直接测量入射超短脉冲近红外光线和出射超短脉冲近红外光线之间的时间差，来计算出近红外光在大脑中经过的距离，这种方案不仅可以测量出大脑中脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白浓度的绝对值，还可以直接测量出大脑血氧变化所处的位置。
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。
背景技术
大脑的思维活动会引起脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化，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。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，包括，
处理器，用以控制整个脑机接口系统；
光源模块，用以发射入射光；
光电传感器，用以接收反射光，并将光信号转换为电信号；
跨阻放大器，用以将光电传感器转换输出的电信号转换成可处理的电压信号；
模数转换器，用以对接收到的电压信号进行模数采样，并记录幅度大小；
第一高度比较器，用以记录光源模块发光的时刻，作为时间测量的起始时刻；
第二高速比较器，用以记录接收到反射光的时刻，作为时间测量的结束时刻。
作为本发明的进一步改进，所述光源模块发射出的为600nm-900nm的皮秒量级超短脉冲近红外光。
作为本发明的进一步改进，所述处理器采用FPGA处理器，所述处理器上集成有时间数字转换器，用以将起始时刻和结束时刻的时间差ΔT转换为数字量。
作为本发明的进一步改进，所述脑机接口系统还包括高速MOSFET管，通过FPGA处理器的控制来产生皮秒量级的脉冲信号，并以此来驱动光源模块发光。
作为本发明的进一步改进，所述光电传感器为SPAD单光子雪崩光电二极管或CCD探测器。
作为本发明的进一步改进，所述跨阻放大器和模数转化器之间还设置有射频放大器，用以将经过跨阻放大器放大之后的电压信号进一步放大。
本发明还提供了一种脑机接口穿戴设备，包括所述基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、外部受控设备以及配套设置于两者之上的无线通信模块。
本发明还提供了一种脑机接口穿戴设备的控制方法，包括以下步骤，
光源模块向大脑皮层发射600nm-900nm的近红外光线，其中入射近红外光线为皮秒量级的超短光脉冲，第一高速比较器将光源模块发光时刻记录为起始时刻；
入射近红外光线到达人脑的不同深度位置之后发生散射，变为包含了大脑组织光学特性信息的出射近红外光线，此时出射近红外光线的信号类型为皮秒量级的超短光脉冲；
光电传感器将出射的近红外光线接收并转换成电信号，然后对电信号进行放大处理，第二高速比较器将接收到出射光时刻记录为结束时刻，起始时刻和结束时刻的时间差记录为ΔT；
处理器将时间差转换成数字量，然后计算出近红外光线在大脑中经过的距离，并获取出射近红外光的时间点扩散函数，进而进行逆向求解，计算出大脑组织的散射系数、吸收系数，以此判断大脑的思维活动情况，通过无线通信模块发送控制指令，以完成对于外部受控设备的控制。
作为本发明的进一步改进，所述时间点扩散函数的计算方法方法包括以下步骤，
先通过直接测量飞行时间技术计算出出射光在大脑中经过的距离ρ，
然后建立数学模型，
其中μs为散射系数，μa为吸收系数，ls为光在介质中传播时散射长度，la为光在介质中传播时吸收长度；
μs′＝(1-g)μs (2)
其中μs′为优化散射系数，g为各向异性因子；
其公式如(3)所示：
Φ(r,t)为单位体积内的光通量，S(r,t)为单位体积内的光源产生的光通量，D为扩散系数，ν为光在介质中的传播速度；
注入一个δ型近红外激光脉冲，方程(3)的解是：
其中，R(ρ,t)是在距离ρ处的时间点扩散函数，B(μs′,t)是取决于优化散射系数μs′和边界条件的项。
作为本发明的进一步改进，通过理论模型拟合实验数据计算发色团浓度的绝对值来计算吸收系数的绝对值。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明将直接测量飞行时间技术(DToF)应用到功能近红外脑机接口领域。通过直接测量入射超短脉冲近红外光线和出射超短脉冲近红外光线之间的时间差，来计算出近红外光在大脑中经过的距离，这种方案不仅可以测量出大脑中脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白浓度的绝对值变化，还可以直接测量出大脑血氧变化所处的位置。
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是本发明一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统模块示意图；
图2是本发明一种脑机接口穿戴设备应用示意图；
图3是本发明一种脑机接口穿戴设备另一应用示意图。
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。
实施方式一
本实施方式提供了一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，包括，处理器，用以控制整个脑机接口系统；
光源模块，用以发射入射光；
光电传感器，用以接收反射光，并将光信号转换为电信号；
跨阻放大器，用以将光电传感器转换输出的电信号转换成可处理的电压信号；
模数转换器，用以对接收到的电压信号进行模数采样，并记录幅度大小；
第一高度比较器，用以记录光源模块发光的时刻，作为时间测量的起始时刻；
第二高速比较器，用以记录接收到反射光的时刻，作为时间测量的结束时刻。
在本实施方式中，光源模块发射出的为600nm-900nm的皮秒量级超短脉冲近红外光，所述处理器采用FPGA处理器，所述处理器上集成有时间数字转换器，用以将起始时刻和结束时刻的时间差ΔT转换为数字量，所述脑机接口系统还包括高速MOSFET管，通过FPGA处理器的控制来产生皮秒量级的脉冲信号，并以此来驱动光源模块发光，所述光电传感器为SPAD单光子雪崩光电二极管或CCD探测器。
本实施方式中脑机接口系统开始工作时，FPGA处理器控制高速MOSFET管来产生皮秒量级的脉冲信号，以此来驱动光源模块发射出的为600nm-900nm的皮秒量级超短脉冲近红外光，该近红外在进入到大脑皮层之后，会在不同的位置进行反射，反射之后的近红外光被光电传感器接收并转换输出电信号，跨阻放大器对电信号放大成可处理的电压信号，模数转换器将放大的电压信号进行模数采样，并记录幅度大小。与此同时，第一高速比较器将近红外光的发射时刻记录为起始时刻，将接收到反射光的时刻记录为结束时刻，所述时间数字转换器将起始时刻和结束时刻的时间差ΔT转换为数字量，然后处理器计算出近红外光线在大脑中经过的距离，并获取出射近红外光的时间点扩散函数，进而进行逆向求解，计算出大脑组织的散射系数、吸收系数，以此判断大脑的思维活动情况，通过无线通信模块发送控制指令，以完成对于外部受控设备的控制。
实施方式二
本实施方式提供了一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，包括，
处理器，用以控制整个脑机接口系统；
光源模块，用以发射入射光；
光电传感器，用以接收反射光，并将光信号转换为电信号；
跨阻放大器，用以将光电传感器转换输出的电信号转换成可处理的电压信号；
模数转换器，用以对接收到的电压信号进行模数采样，并记录幅度大小；
第一高度比较器，用以记录光源模块发光的时刻，作为时间测量的起始时刻；
第二高速比较器，用以记录接收到反射光的时刻，作为时间测量的结束时刻。
在本实施方式中，光源模块发射出的为600nm-900nm的皮秒量级超短脉冲近红外光，所述处理器采用FPGA处理器，所述处理器上集成有时间数字转换器，用以将起始时刻和结束时刻的时间差ΔT转换为数字量，所述脑机接口系统还包括高速MOSFET管，通过FPGA处理器的控制来产生皮秒量级的脉冲信号，并以此来驱动光源模块发光，所述光电传感器为SPAD单光子雪崩光电二极管或CCD探测器，所述跨阻放大器和模数转化器之间还设置有射频放大器，用以将经过跨阻放大器放大之后的电压信号进一步放大。
在具体应用中，为了提升响应的准确性，可以将第二高速比较器放到跨阻放大器之后，并同时在两者之间加入射频放大器，如此可以提升对于反射近红外光的接收响应效率。
本实施方式还提供了一种脑机接口穿戴设备，包括所述基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、外部受控设备以及配套设置于两者之上的无线通信模块。
本实施方式中一种脑机接口穿戴设备的控制方法，包括以下步骤，
光源模块向大脑皮层发射600nm-900nm的近红外光线，其中入射近红外光线为皮秒量级的超短光脉冲，第一高速比较器将光源模块发光时刻记录为起始时刻；
入射近红外光线到达人脑的不同深度位置之后发生散射，变为包含了大脑组织光学特性信息的出射近红外光线，此时出射近红外光线的信号类型为皮秒量级的超短光脉冲；
光电传感器将出射的近红外光线接收并转换成电信号，然后对电信号进行放大处理，第二高速比较器将接收到出射光时刻记录为结束时刻，起始时刻和结束时刻的时间差记录为ΔT；
处理器将时间差转换成数字量，然后计算出近红外光线在大脑中经过的距离，并获取出射近红外光的时间点扩散函数，进而进行逆向求解，计算出大脑组织的散射系数、吸收系数，以此判断大脑的思维活动情况，通过无线通信模块发送控制指令，以完成对于外部受控设备的控制。
所述时间点扩散函数的计算方法方法包括以下步骤，
先通过直接测量飞行时间技术计算出出射光在大脑中经过的距离ρ，
然后建立数学模型，
其中μs为散射系数，μa为吸收系数，ls为光在介质中传播时散射长度，la为光在介质中传播时吸收长度；
μs′＝(1-g)μs (2)
其中μs′为优化散射系数，g为各向异性因子；
其公式如(3)所示：
Φ(r,t)为单位体积内的光通量，S(r,t)为单位体积内的光源产生的光通量，D为扩散系数，ν为光在介质中的传播速度；
注入一个δ型近红外激光脉冲，方程(3)的解是：
其中，R(ρ,t)是在距离ρ处的时间点扩散函数，B(μs′,t)是取决于优化散射系数μs′和边界条件的项。
本实施方式可以通过理论模型拟合实验数据计算发色团浓度的绝对值来计算吸收系数的绝对值。
本发明将直接测量飞行时间技术(DToF)应用到功能近红外脑机接口领域。通过直接测量入射超短脉冲近红外光线和出射超短脉冲近红外光线之间的时间差，来计算出近红外光在大脑中经过的距离，这种方案不仅可以测量出大脑中脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白浓度的绝对值变化，还可以直接测量出大脑血氧变化所处的位置。
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 (10)
1.一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：包括，
处理器，用以控制整个脑机接口系统，所述处理器上集成有时间数字转换器，用以将起始时刻和结束时刻的时间差ΔT转换为数字量，然后计算出近红外光线在大脑中经过的距离，并获取出射近红外光的时间点扩散函数，进而进行逆向求解，计算出大脑组织的散射系数、吸收系数；
光源模块，用以发射入射光；
光电传感器，用以接收反射光，并将光信号转换为电信号；
跨阻放大器，用以将光电传感器转换输出的电信号转换成可处理的电压信号；
模数转换器，用以对接收到的电压信号进行模数采样，并记录幅度大小；
第一高度比较器，用以记录光源模块发光的时刻，作为时间测量的起始时刻；
第二高速比较器，用以记录接收到反射光的时刻，作为时间测量的结束时刻。
2.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述光源模块发射出的为600nm-900nm的皮秒量级超短脉冲近红外光。
3.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述处理器采用FPGA处理器。
4.根据权利要求3所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述脑机接口系统还包括高速MOSFET管，通过FPGA处理器的控制来产生皮秒量级的脉冲信号，并以此来驱动光源模块发光。
5.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述光电传感器为SPAD单光子雪崩光电二极管或CCD探测器。
6.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述跨阻放大器和模数转化器之间还设置有射频放大器，用以将经过跨阻放大器放大之后的电压信号进一步放大。
7.一种脑机接口穿戴设备，其特征在于：包括如权利要求1-6中所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、外部受控设备以及配套设置于两者之上的无线通信模块。
8.一种如权利要求7所述的脑机接口穿戴设备的控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
光源模块向大脑皮层发射600nm-900nm的近红外光线，其中入射近红外光线为皮秒量级的超短光脉冲，第一高速比较器将光源模块发光时刻记录为起始时刻；
入射近红外光线到达人脑的不同深度位置之后发生散射，变为包含了大脑组织光学特性信息的出射近红外光线，此时出射近红外光线的信号类型为皮秒量级的超短光脉冲；
光电传感器将出射的近红外光线接收并转换成电信号，然后对电信号进行放大处理，第二高速比较器将接收到出射光时刻记录为结束时刻，起始时刻和结束时刻的时间差记录为ΔT；
处理器将时间差转换成数字量，然后计算出近红外光线在大脑中经过的距离，并获取出射近红外光的时间点扩散函数，进而进行逆向求解，计算出大脑组织的散射系数、吸收系数，以此判断大脑的思维活动情况，通过无线通信模块发送控制指令，以完成对于外部受控设备的控制。
9.根据权利要求8所述的脑机接口穿戴设备的控制方法，其特征在于：所述时间点扩散函数的计算方法方法包括以下步骤，
先通过直接测量飞行时间技术计算出出射光在大脑中经过的距离ρ，
然后建立数学模型，
其中μs为散射系数，μa为吸收系数，ls为光在介质中传播时散射长度，la为光在介质中传播时吸收长度；
μs′＝(1-g)μs (2)
其中μs′为优化散射系数，g为各向异性因子；
其公式如(3)所示：
Φ(r,t)为单位体积内的光通量，S(r,t)为单位体积内的光源产生的光通量，D为扩散系数，ν为光在介质中的传播速度；
注入一个δ型近红外激光脉冲，方程(3)的解是：
其中，R(ρ,t)是在距离ρ处的时间点扩散函数，B(μs′,t)是取决于优化散射系数μs′和边界条件的项。
10.根据权利要求9所述的脑机接口穿戴设备的控制方法，其特征在于：通过理论模型拟合实验数据计算发色团浓度的绝对值来计算吸收系数的绝对值。
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