CN113413157A - 一种在颅骨上构建的智能交互平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在颅骨上构建的智能交互平台，包括颅骨替代支撑组件和集成于颅骨替代支撑组件上的多模联运的颅上实验室和中央片上系统。本发明重视并有效利用了颅骨这一重要结构，将多模联运的颅上实验室和中央片上系统集成在了颅骨替代支撑组件上，一方面有助于降低手术难度和减小脑组织创伤，相比于脑内植入来说颅骨上允许安装更大面积的电路系统，减小了芯片的小型化的压力；另一方面，该平台能够辅助实现脑部与外界的光声电等多种信息的智能交互和物质输运。此外该平台也可以作为信息处理和控制中心与人工视觉系统、可穿戴设备或其它外部设备进行通讯。
Description
技术领域
本发明涉及脑-机交互技术领域，具体为一种在颅骨上构建的智能交互平台。
背景技术
脑-机交互技术，是在大脑和计算机或其他外部设备之间建立一条全新的交互通道，并通过它实现和外部的信息交流和物质输送。作为当前最活跃的研究方向之一，脑-机交互技术对于生物医学、神经康复、智能机器人和人工视觉等领域具有重要的研究意义和巨大的应用潜力，因此，近年来脑-机交互技术得到了飞速发展，陆续发展出了多种侵入式和非侵入式的脑-机交互装置。非侵入式的脑-机交互装置存在精度低的问题、有线的脑-机交互装置存在线路繁杂的问题而全植入式无线脑-机交互系统存在对脑组织创伤大且脑-机交互芯片小型化困难的问题。因为与大脑实现信息交互和物质传输需要跨越颅骨这一重要的结构，而目前的脑-机交互技术主要在颅骨内和颅骨外，没有重视并有效利用颅骨这一结构。
发明内容
为了克服现有脑-机交互技术的局限性，本发明提供一种在颅骨上构建的智能交互平台，用于大脑与外部的信息交流和物质传输。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种在颅骨上构建的智能交互平台，包括可固定于颅骨上的颅骨替代支撑组件和集成安装于所述颅骨替代支撑组件上的多模联运的颅上实验室和中央片上系统；
所述多模联运的颅上实验室包括神经电极、神经传感器、超声窗口、微流控系统、光学窗口和微型显微镜，其中，所述神经电极用于感知脑部的神经电信号，所述神经传感器用于感知脑部的温度信号，所述微型显微镜用于观察脑部，所述微流控系统用于将物质传输至大脑内部或从大脑获取物质进行化学检测和分析，所述超声窗口用于辅助或增强超声成像，还用于辅助或增强聚焦超声治疗，所述光学窗口用于直接观察脑部状态，还用于进行各类光学刺激；
所述中央片上系统包括中央处理模块、图像处理模块、语音处理模块、存储模块、传输模块、脑机接口芯片模块、传感器模块和储能模块，其中，所述存储模块的作用是存储接收到的信息以便其它各模块和体外辅助设备调用，所述传输模块的作用是按照约定的规则传输从各模块或体外辅助设备中接收的信息，所述储能模块的作用是为整个智能交互平台提供电源，保证整个智能交互平台中所有电路系统的正常工作，所述传感器模块的作用是从外界获取传感信息，以辅助其它各个模块工作；所述图像处理模块用于处理图像信息，并将经处理的图像信息通过传输模块传输至对应的体外图像显示设备进行显示，和/或，传输至中央处理模块，由中央处理模块按照约定的规则实时处理编码为控制信号，和/或，传输至存储模块存储进行存储；所述语音处理模块用于处理语音信息并通过传输模块传输至存储模块存储，和/或，传输至中央处理模块，由中央处理模块按照约定的规则实时处理编码为控制信号；所述脑机接口芯片模块用于处理从与之建立了通讯的神经电极、神经传感器或微流控系统接收到的脑部的温度信号、电信号或化学信号，将处理后的信号经所述传输模块传输至存储模块存储，和/或，传输至所述中央处理模块，由所述中央处理模块按照约定的规则进一步处理编码为控制信号，还用于从根据中央处理系统或体外辅助设备的控制产生光和电信号传输至所述神经电极和神经传感器中对大脑进行刺激。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述一种在颅骨上构建的智能交互平台通过脑电信号、图像、语音三种信号单独或协同来控制其运作与否。
进一步，所述一种在颅骨上构建的智能交互平台可以拆卸和更换。
进一步，所述储能模块采用有线充电或无线充电方式。
进一步，所述颅骨替代支撑组件上开设有所述超声窗口、光学窗口和用于容纳所述神经电极和所述神经传感器的神经电极和神经传感器窗口。
进一步，所述颅骨替代支撑组件包括顶盖、填充物、刚性支架和用于将所述顶盖和刚性支架固定于颅骨上的固定元件，所述顶盖固定在所述刚性支架的顶部，所述填充物填充在所述刚性支架的空隙处。
进一步，所述中央片上系统的基板采用刚性基板或柔性基板。
进一步，所述顶盖上安装有控制开关。
进一步，所述固定元件包括螺钉和固定于所述顶盖和刚性支架上的螺孔。
进一步，所述固定元件为固定在刚性支架的底部的凸起结构。
本发明的有益效果是：
本发明重视并有效利用了颅骨这一重要结构，将多模联运的颅上实验室和中央片上系统集成在了颅骨替代支撑组件上，一方面有助于降低手术难度和减小脑组织创伤，相比于脑内植入来说颅骨上允许安装更大面积的电路系统，减小了芯片的小型化的压力；另一方面，该平台能够辅助实现脑部与外界的光声电等多种信息的智能交互和物质输运。此外该平台也可以作为信息处理和控制中心与人工视觉系统、可穿戴设备或其它外部设备进行通讯。
附图说明
图1是本发明一实施例中一种在颅骨上构建的智能交互平台替代部分颅骨示意图；
图2是本发明一实施例中一种在颅骨上构建的智能交互平台的三维结构示意图；
图3是本发明一实施例中一种在颅骨上构建的智能交互平台的三维结构底视图；
图4是本发明一实施例中一种在颅骨上构建的智能交互平台替代部分颅骨通过螺钉固定；
图5是本发明一实施例中一种在颅骨上构建的智能交互平台嵌于磨薄颅骨的侧面凹槽固定；
图6为本发明一实施例中的中央片上系统的结构示意图。
图中，1-智能交互平台，2-顶盖，3-中央片上系统，4-神经电极和神经传感器窗口，5-超声窗口，6-微流控系统，7-填充物，8-光学窗口，9-微型显微镜，10-刚性支架，11-固定元件，12-螺钉，13-颅骨，14-螺孔，15-颅骨侧边凹槽，16-凸起结构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参照图1，在本发明一具体实施例中，一种在颅骨上构建的智能交互平台1包括颅骨替代支撑组件、多模联运的颅上实验室和中央片上系统三部分。颅骨支撑组件为脑组织提供保护并为多模联运的颅上实验室和中央片上系统提供集成和安装空间，颅骨替代支撑组件应具有接近目标用户颅骨的机械强度，能提供对脑部组织的保护。多模联运的颅上实验室为大脑与外部的声、光、电、图像、药物或化学物质等提供传输通道。中央片上系统是信息处理和控制中心，负责采集汇总、存储、处理大脑与外部交互过程中的所有信息并执行指令以直接完成目标功能，或给出决策指令来控制与之建立了通讯的其它设备完成目标功能。
本发明实施例提供的一种在颅骨上构建的智能交互平台，可以通过脑电信号、图像、语音单独或协同来直接控制其运作，并且，中央片上系统的模块组成、多模联运的颅上实验室和颅骨替代支撑组件均可根据用户需求进行个性化设计，整个智能交互平台的功能也可以定制。分别具体说明如下：
参照图2和图3，颅骨替代支撑组件由刚性支架10、填充物7、顶盖2和用于将顶盖2和刚性支架10固定于颅骨13上的固定元件11组成，其中，顶盖2固定在刚性支架10的顶部，固定方式可采用螺丝固定、螺纹连接、粘合等多种方式；刚性支架10可采用网状结构，填充物7填充在刚性支架10的空隙处，填充物7具有两方面的作用，一方面是对刚性支架10与多模联运的颅上实验室的各组件及中央片上系统3各模块中间的空隙进行填充，可为大脑提供封闭保护，另一方面用来提供一些特殊功能，比如光致形变、自愈合、气体交换等，相应的也会应用对应的材料来充当填充物，如仿生材料、自愈合材料、骨组织工程产物及各类聚合物。
多模联运的颅上实验室和中央片上系统3均集成安装于颅骨替代支撑组件中，具体的位置分布可以根据用户的需求进行个性化设计。整个颅骨替代支撑组件的形状、结构、尺寸和组成材料均可以根据目标用户的需求进行个性化定制。
多模联运的颅上实验室可以集成神经电极、神经传感器、超声窗口5、微流控系统6、光学窗口8和微型显微镜9，其中，神经电极、神经传感器设置于颅骨替代支撑组件上开设的神经电极和神经传感器窗口4中，此外，超声窗口5和光学窗口8也开设于颅骨替代支撑组件上。多模联运的颅上实验室中具体集成何种器件或窗口以及不同器件或窗口的位置分布均可以根据用户的需求进行个性化设计。
具体的，神经电极用于感知脑部的神经电信号，神经传感器用于感知脑部的温度等信号；微型显微镜用于观察脑部的皮质血管、组织状态已经荧光成像；微流控系统6用于将化学物质、染料或药物传输至大脑内部或从大脑获取物质进行化学检测和分析；超声窗口5一方面可以辅助或增强超声成像，另一方面还可以辅助或增强聚焦超声治疗；光学窗口8可以直接观察脑部状态，还可以用于进行光刺激、光致形变刺激、光电刺激等各类光学刺激。
中央片上系统3包括但不限于中央处理模块、图形处理模块、语音处理模块、存储模块、传输模块、脑机接口芯片模块、传感器模块和储能模块，其具体的模块组合可以根据用户的需求进行性化的选择和设计。
图6为本发明实施例提供的中央片上系统的结构示意图，如图6所示，中央处理模块、图形处理模块、语音处理模块、存储模块、脑机接口芯片模块和传感器模块均与传输模块连接。各个模块的功能原理介绍如下：
具体的，存储模块的作用是存储接收到的信息以便其它各模块和体外辅助设备调用；传输模块的作用是按照约定的规则传输从各模块或体外辅助设备中接收的信息；储能模块的作用是为整个智能交互平台提供电源，保证整个智能交互平台中所有电路系统的正常工作，储能模块的充电方式可以是有线的也可以是无线的；传感器模块的作用是从外界获取图像、语音、温度、湿度等信息，以辅助其它各个模块工作。
图像处理模块处理智能交互平台获取的脑内或外界图像信息，经图像处理模块处理的图像信息可以通过传输模块传输至对应的体外图像显示设备进行显示；可以传输至中央处理模块由中央处理模块按照约定的规则实时处理编码为控制信号控制对应的人工视觉系统、传感器模块、体外传感设备或可穿戴设备工作；还可以传输至存储模块存储进行存储，以便在需要的时候由体外图形显示设备或中央处理模块调用。
语音处理模块处理智能交互平台获取的语音信息并通过传输模块传输至存储模块存储或传输至中央处理模块由中央处理模块按照约定的规则实时处理编码为控制信号来控制顶盖、传感器模块、体外传感设备、可穿戴设备或脑机接口工作。
另外，中央片上系统的基板可以是刚性基板，也可以是柔性基板。
总体来说，中央片上系统3是信息处理和控制中心，其可以与多模联运的颅上实验室、颅骨替代支撑组件、人工视觉系统、各类可穿戴传感设备及其它外部设备之间建立通讯，从而在处理完收集到的信息后发出控制指令，对应的控制多模联运的颅上实验室、颅骨替代支撑组件、中央片上系统中的传感器、人工视觉设备、各类可穿戴器件及其他外部设备中的一个或多个部分完成目标功能。
可选地，在该实施例中，所述颅骨替代支撑组件的顶盖2上安装有控制开关，可以通过中央控制系统来自动控制其开和关的状态，另外，也可以通过脑电信号、图像、语音单独或协同来直接控制其运作与否。
可选地，参照图4和图5，本发明实施例提供的一种在颅骨上构建的智能交互平台1与颅骨的结合方式有两种。一种结合方式如图4所示，是将一种在颅骨上构建的智能交互平台1完全替代部分颅骨13之后利用螺钉12穿过预先在颅骨替代支撑组件上设计好的螺孔14并固定在颅骨13上，从而将智能交互平台1与颅骨13固定在一起。另一种结合方式如图5所示，是根据智能交互平台1的尺寸将部分区域的颅骨13打薄，然后将整个智能交互平台1镶嵌至打薄的颅骨所产生的凹槽中，具体的，通过将智能交互平台1的颅骨替代支撑组件中用于固定的凸起结构16卡在颅骨侧边凹槽15中来将智能交互平台1与颅骨13固定在一起。以上两种结合方式均为可拆卸结构，便于拆卸和更换智能交互平台。
与现有脑-机交互技术相比，本发明所述一种在颅骨上构建的智能交互平台重视并有效利用了颅骨这一重要结构，将多模联运的颅上实验室和中央片上系统集成在了颅骨替代支撑组件上，一方面有助于降低手术难度和减小脑组织创伤，相比于脑内植入来说颅骨上允许安装更大面积的电路系统，减小了芯片的小型化的压力；另一方面，该平台能够辅助实现脑部与外界的光声电等多种信息的智能交互和物质输运。此外该平台也可以作为信息处理和控制中心与人工视觉系统、可穿戴设备或其它外部设备进行通讯。本发明适用于多种应用场景，可用于基础的颅骨修复、也可用于人机结合、脑科学研究和疾病治疗中。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种在颅骨上构建的智能交互平台，其特征在于，包括可固定于颅骨上的颅骨替代支撑组件和集成安装于所述颅骨替代支撑组件上的多模联运的颅上实验室和中央片上系统(3)；
所述多模联运的颅上实验室包括神经电极、神经传感器、超声窗口(5)、微流控系统(6)、光学窗口(8)和微型显微镜(9)，其中，所述神经电极用于感知脑部的神经电信号，所述神经传感器用于感知脑部的温度信号，所述微型显微镜(9)用于观察脑部，所述微流控系统(6)用于将物质传输至大脑内部或从大脑获取物质进行化学检测和分析，所述超声窗口(5)用于辅助或增强超声成像，还用于辅助或增强聚焦超声治疗，所述光学窗口(8)用于直接观察脑部状态，还用于进行各类光学刺激；
所述中央片上系统(3)包括中央处理模块、图像处理模块、语音处理模块、存储模块、传输模块、脑机接口芯片模块、传感器模块和储能模块，其中，所述存储模块的作用是存储接收到的信息以便其它各模块和体外辅助设备调用，所述传输模块的作用是按照约定的规则传输从各模块或体外辅助设备中接收的信息，所述储能模块的作用是为整个智能交互平台提供电源，保证整个智能交互平台中所有电路系统的正常工作，所述传感器模块的作用是从外界获取传感信息，以辅助其它各个模块工作；所述图像处理模块用于处理图像信息，并将经处理的图像信息通过传输模块传输至对应的体外图像显示设备进行显示，和/或，传输至中央处理模块，由中央处理模块按照约定的规则实时处理编码为控制信号，和/或，传输至存储模块存储进行存储；所述语音处理模块用于处理语音信息并通过传输模块传输至存储模块存储，和/或，传输至中央处理模块，由中央处理模块按照约定的规则实时处理编码为控制信号；所述脑机接口芯片模块用于处理从与之建立了通讯的神经电极、神经传感器或微流控系统(6)接收到的脑部的温度信号、电信号或化学信号，将处理后的信号经所述传输模块传输至存储模块存储，和/或，传输至所述中央处理模块，由所述中央处理模块按照约定的规则进一步处理编码为控制信号，还用于从根据中央处理系统或体外辅助设备的控制产生光和电信号传输至所述神经电极和神经传感器中对大脑进行刺激。
2.根据权利要求1所述的在颅骨上构建的智能交互平台，其特征在于，所述一种在颅骨上构建的智能交互平台通过脑电信号、图像、语音三种信号单独或协同来控制其运作与否。
3.根据权利要求1所述的在颅骨上构建的智能交互平台，其特征在于，所述一种在颅骨上构建的智能交互平台可以拆卸和更换。
4.根据权利要求1所述的在颅骨上构建的智能交互平台，其特征在于，所述储能模块采用有线充电或无线充电方式。
5.根据权利要求1所述的在颅骨上构建的智能交互平台，其特征在于，所述颅骨替代支撑组件上开设有所述超声窗口(5)、光学窗口(8)和用于容纳所述神经电极和所述神经传感器的神经电极和神经传感器窗口(4)。
6.根据权利要求1所述的在颅骨上构建的智能交互平台，其特征在于，所述颅骨替代支撑组件包括顶盖(2)、填充物(7)、刚性支架(10)和用于将所述顶盖(2)和刚性支架(10)固定于颅骨上的固定元件(11)，所述顶盖(2)固定在所述刚性支架(10)的顶部，所述填充物(7)填充在所述刚性支架(10)的空隙处。
7.根据权利要求1所述的在颅骨上构建的智能交互平台，其特征在于，所述中央片上系统(3)的基板采用刚性基板或柔性基板。
8.根据权利要求1所述的在颅骨上构建的智能交互平台，其特征在于，所述顶盖(2)上安装有控制开关。
9.根据权利要求1所述的在颅骨上构建的智能交互平台，其特征在于，所述固定元件(11)包括螺钉(12)和固定于所述顶盖(2)和刚性支架(10)上的螺孔(14)。
10.根据权利要求1所述的在颅骨上构建的智能交互平台，其特征在于，所述固定元件(11)为固定在刚性支架的底部的凸起结构(16)。
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| CN107693962A (zh) * | 2017-08-31 | 2018-02-16 | 深圳先进技术研究院 | 一种头戴式超声传导装置 |
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2021
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Patent Citations (5)
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