CN114343677A - 一种方向性实体面孔刺激的n170脑电信号采集分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，所述系统包括支撑平台，以及安装在支撑平台上的额托式调节架和实体面孔呈现装置，以及设在额托式调节架上的枕颞脑电采集带，以及控制模块；所述额托式调节架用于与被试者头部下颌、前额处贴合，所述控制模块用于控制实体面孔呈现装置为被试者提供方向性实体面孔刺激，所述枕颞脑电采集带用于采集被试者刺激后枕颞区域诱发出的视觉N170信号并传输给控制模块，以实现N170脑电信号的采集分析。本发明通过集成设置的座椅、额托式调节架、实体面孔呈现装置、面孔方向调控装置和控制模块高效率、高质量、无危害地实现了方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析。

Description

一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统
技术领域
本发明涉及脑机接口技术领域，具体涉及一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统。
背景技术
脑机接口技术(brain-computer interface，BCI)旨在建立一种脑与计算机(或其他机械电子设备)之间直接的信息交流和控制通道，是一种新型的脑与机器信息交流方法。脑电图(EEG)是目前BCI研究中使用最多的观测手段，相对于功能性磁共振成像(fMRI)、脑磁图(MEG)和正电子发射断层显像(PET)等方法具有时间分辨率高、数据采集便利、设备造价低和便携等优势。根据刺激/任务与EEG信号特征的对应关系，EEG-BCI包括感觉运动节律(SMR)、皮层慢电位(SCP)、稳态视觉诱发电位(SSVEP)、事件相关电位(ERPs)和混合脑机接口(Hybrid-BCI)等五种类型，其中，ERPs是对特定事件(刺激呈现或启动反应)具有锁时性的一种脑电活动变化，ERPs在事件发生后数百毫秒范围内发生，根据振荡峰谷出现的时间划分为P100、N100、N170、P200、N200、P300等多种信号成分。ERPs视觉刺激可在后梭状回和颞下回脑网络诱发生成N170脑电信号成分，N170信号在识别人脸方面占主导地位，并倾向于右半球枕颞区域偏侧化，其作为外源性脑电成分，在面孔失认症、自闭症等视觉认知障碍疾病中具有较大的应用潜力，通过面孔旋转，可以外源性调控大脑的人脸面孔结构编码难度，有助于开展面孔特异性信息精细加工能力的深入分析。
目前未见专用化视觉N170脑电信号采集系统，且主要是以科研级脑电信号放大器辅助以视觉图像呈现系统和座椅等为主，需要多名辅助人员参与调节被试者视角范围、监控被试者测试过程状态(注意力、头动等)和记录脑电信号，采集效率低。另外，传统视觉刺激以电子显示屏为媒介呈现人脸面孔、物体的二维或三维图片，图片交替刺激的黑屏期间，电子显示屏会遗留前幅刺激图片残影或镜面反射被试者面孔，从而引入P300等认知脑电信号成分，湮没或污染N170脑电信号成分。此外，电子显示屏图片刺激易引起被试者视觉疲劳，降低被试者任务注意力，并且长期测试存在视力危害。进一步，传统N170视觉刺激图片多采用直立或倒立二维图片，缺乏空间多维方向精细调整能力，不利于面孔识别任务的灵活设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，其解决了现有采集分析系统存在的效率低、便利性差、N170脑电信号质量会受电子式视觉刺激影响而降低、危害视力健康、无法精细调控人脸面孔呈现角度等问题。
本发明通过集成设置的座椅、额托式调节架、实体面孔呈现装置、面孔方向调控装置和控制模块高效率、高质量、无危害地实现了方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析。具体通过以下技术方案来实现上述目的：
一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，所述系统包括：
支撑平台；
安装在支撑平台上的额托式调节架和实体面孔呈现装置；
设在额托式调节架上的枕颞脑电采集带；
控制模块；
其中，所述额托式调节架用于与被试者头部下颌、前额处贴合，所述控制模块用于控制实体面孔呈现装置为被试者提供方向性实体面孔刺激，所述枕颞脑电采集带用于采集被试者刺激后枕颞区域诱发出的视觉N170信号并传输给控制模块，以实现N170脑电信号的采集分析。
进一步改进在于，所述系统还包括座椅。
进一步改进在于，所述系统还包括设在额托式调节架上的放大目镜，用于将方向性实体面孔刺激放大后提供给被试者。
进一步改进在于，所述实体面孔呈现装置包括公转筒、公转电机、转接座、升降台和升降电机；
所述升降台安装在支撑平台上，所述升降电机用于驱动升降台进行升降，所述公转筒设置有若干层，每层公转筒的外周边缘均匀间隔开设有孔洞，在每个孔洞内均设有实体面孔模型，每个实体面孔模型均连接有方向调节电机，用于驱动实体面孔模型进行自转，公转筒底端通过转接座连接在升降台上，所述公转电机位于公转筒的底端，用于驱动公转筒进行公转。
进一步改进在于，所述升降台包括丝杠、导杆、联轴器和安装底板，所述丝杠通过联轴器与升降电机的输出端连接，所述导杆有若干根，导杆分散竖直安装在安装底板上，所述转接座提供若干根支撑杆，所述支撑杆的汇集端通过丝杠螺母活动连接在丝杠上，支撑杆的分散端通过滑动轴承活动连接在各导杆上。
进一步改进在于，所述安装底板通过若干安装螺钉可拆卸安装在支撑平台上。
进一步改进在于，所述支撑杆有三根，相邻支撑杆之间的夹角均为120°。
进一步改进在于，所述公转筒的底端通过公转轴承和轴承挡圈连接在转接座上。
进一步改进在于，各层公转筒外周边缘上的孔洞位置相互错开。
进一步改进在于，各层公转筒之间通过筒间连接螺钉连接。
本发明的有益效果在于：通过额托式调节架，预设好被试者与实体面孔刺激间的视角范围，并且脑电信号采集电极集成在调节架上，被试者、电极均与调节架相对固定，缩短测试准备时间、减少测试辅助人员、提升脑电信号采集质量；采用低混淆实体面孔视觉刺激的机电式呈现装置，使用实体面孔三维模型，并且实体面孔呈现间隔随机，相对于电子式视觉刺激，减小内源性脑电信号干扰，并且避免潜在健康危害；采用实体面孔空间多维方向精细调整装置，通过绕X轴、Z轴的独立或联合旋转，实现人脸面孔角度的可控呈现。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为实体面孔呈现装置的外部结构示意图；
图3为实体面孔呈现装置的剖面图；
图4为视觉刺激N170脑电信号示意图，4a为直立人脸面孔，4b为倒立人脸面孔。
图中：1、座椅；2、支撑平台；3、额托式调节架；4、枕颞脑电采集带；5、实体面孔呈现装置；51、公转筒；511、实体面孔模型；512、方向调节电机；513、筒间连接螺钉；514、公转轴承；515、轴承挡圈；52、公转电机；53、转接座；531、丝杠螺母；532、滑动轴承；54、升降台；541、丝杠；542、导杆；543、联轴器；544、安装底板；545、安装螺钉；55、升降电机；6、控制模块；7、放大目镜。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，系统包括：
支撑平台2；
安装在支撑平台2上的额托式调节架3和实体面孔呈现装置5；
设在额托式调节架3上的枕颞脑电采集带4；
控制模块6；
其中，额托式调节架3用于与被试者头部下颌、前额处贴合，控制模块6用于控制实体面孔呈现装置5为被试者提供方向性实体面孔刺激，枕颞脑电采集带4用于采集被试者刺激后枕颞区域诱发出的视觉N170信号并传输给控制模块6，以实现N170脑电信号的采集分析。
本发明中，系统还包括座椅1，被试者坐在座椅1中，额托式调节架3与被试者头部下颌、前额处贴合，张紧枕颞脑电采集带4实现被试者头部与额托式调节架3之间的相对固定。另外，系统还包括设在额托式调节架3上的放大目镜7，用于将方向性实体面孔刺激放大后提供给被试者。
优选的，上述额托式调节架3中用于下颌、前额贴合的部件高度可调，同时枕颞脑电采集带4和放大目镜7在额托式调节架3上的高度也可调，以适用于不同的被试者。
再结合图2和图3所示，实体面孔呈现装置5包括公转筒51、公转电机52、转接座53、升降台54和升降电机55；其中，升降台54安装在支撑平台2上，升降电机55用于驱动升降台54进行升降，公转筒51设置有若干层，每层公转筒51的外周边缘均匀间隔开设有孔洞，在每个孔洞内均设有实体面孔模型511，每个实体面孔模型511均连接有方向调节电机512，用于驱动实体面孔模型511进行自转，公转筒51底端通过转接座53连接在升降台54上，公转电机52位于公转筒51的底端，用于驱动公转筒51进行公转。公转筒51可自由增减数量，以适配不同刺激方式所需要的实体面孔模型511，各层公转筒51之间通过筒间连接螺钉513连接。
具体的，升降台54包括丝杠541、导杆542、联轴器543和安装底板544，丝杠541通过联轴器543与升降电机55的输出端连接，导杆542有若干根，导杆542分散竖直安装在安装底板544上，转接座53提供若干根支撑杆，一般支撑杆有三根，相邻支撑杆之间的夹角均为120°，支撑杆的汇集端通过丝杠螺母531活动连接在丝杠541上，支撑杆的分散端通过滑动轴承532活动连接在各导杆542上。安装底板544通过若干安装螺钉545可拆卸安装在支撑平台2上。
优选的，公转筒51的底端通过公转轴承514和轴承挡圈515连接在转接座53上，保证转动的稳定性和流畅性。
优选的，各层公转筒51外周边缘上的孔洞位置相互错开，这样在层间转换的时候可以作为图片之间的随机黑屏。
在需要升降时，先由控制模块6控制升降电机55通过联轴器543将运动传递到丝杠541，带动丝杠螺母531沿丝杠541轴向上下移动，丝杠螺母531与转接座53上三根两两相隔120°的支撑杆汇集端相连，使转接座53跟随丝杠螺母531同步上下运动，并通过安装在三根两两相隔120°的支撑杆分散端的滑动轴承532与导杆542配合保持升降台54上下运动的平稳。通过上下移动调节，将初始层的公转筒51对齐到实体面孔模型511与放大目镜7平齐，则完成测试的初始化。开始测试后，由安装在转接座53中的公转电机52带动公转筒51公转，由方向调节电机512带动实体面孔模型511自转，公转和自转配合实现预先自转到需要的角度，然后进行公转，第二轮调整角度后再进行公转，或者在公转过程中进行自转调整这两种典型用法。
在具体测试时，控制模块6控制实体面孔呈现装置5将i类实体面孔模型511以0～360°任意角度快速呈现给被试者。实体面孔模型511呈现tp毫秒，间隔ti毫秒后呈现下一个实体面孔模型511。当i·m次实体面孔模型511刺激循环后，即公转电机52旋转m圈后，升降台54依次升高或降低公转筒51高度n次，然后重复上述实体面孔呈现过程。其中，i取值范围1～12，tp取值范围300～700，ti取400～900范围内随机值，m取值范围5～100，n取值范围1～4。
需要说明的是，测试过程中，控制模块6中内置脑电放大器对各通道脑电信号进行24位AD，采样率1kHz，采用0.1～100Hz带通滤波和50Hz陷波滤波。
测试结束后，从方向性实体面孔视觉刺激诱发的连续脑电信号中提取固定长度的数据分段，分段包含每个刺激事件开始前200毫秒和刺激事件结束后800毫秒的时段信号。计算刺激事件前时段的平均电压作为电压偏移，然后在分段中的每个时间点减去该电压偏移进行信号基线校正。波幅大于±75μV的信号视为伪迹自动剔除。将每个通道采集到的脑电数据分段分别进行时域平均，并将左、右侧枕颞区域所有电极通道处理后的脑电信号再次取平均，获得左、右侧枕颞区域方向性实体面孔视觉刺激N170脑电信号成分，计算其100～300毫秒时段内负向信号峰值作为N170信号幅值，针对该时间点两侧负向信号覆盖区域，计算获得能将该区域面积按50％比例划分的时间点，作为N170信号潜伏期值。
实施例采用两类实体面孔模型511，并以0°(直立)和180°(倒立)两种角度快速呈现给被试者，实体面孔模型511呈现500毫秒，间隔400～900毫秒范围内随机值后呈现下一个实体面孔模型511。公转电机52旋转50圈后，升降台54升高公转筒51高度1次，然后重复上述实体面孔呈现过程。获得如图4所示典型视觉刺激N170脑电信号。视觉刺激N170脑电信号作为外源性脑电成分，在面孔失认症、自闭症等视觉认知障碍疾病中具有较大的应用潜力，通过面孔旋转，可以外源性调控大脑的人脸面孔结构编码难度，有助于开展面孔特异性信息精细加工能力的深入分析。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，其特征在于，所述系统包括：
支撑平台(2)；
安装在支撑平台(2)上的额托式调节架(3)和实体面孔呈现装置(5)；
设在额托式调节架(3)上的枕颞脑电采集带(4)；
控制模块(6)；
其中，所述额托式调节架(3)用于与被试者头部下颌、前额处贴合，所述控制模块(6)用于控制实体面孔呈现装置(5)为被试者提供方向性实体面孔刺激，所述枕颞脑电采集带(4)用于采集被试者刺激后枕颞区域诱发出的视觉N170信号并传输给控制模块(6)，以实现N170脑电信号的采集分析。
2.根据权利要求1所述的一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，其特征在于，所述系统还包括座椅(1)。
3.根据权利要求1所述的一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，其特征在于，所述系统还包括设在额托式调节架(3)上的放大目镜(7)，用于将方向性实体面孔刺激放大后提供给被试者。
4.根据权利要求1所述的一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，其特征在于，所述实体面孔呈现装置(5)包括公转筒(51)、公转电机(52)、转接座(53)、升降台(54)和升降电机(55)；
所述升降台(54)安装在支撑平台(2)上，所述升降电机(55)用于驱动升降台(54)进行升降，所述公转筒(51)设置有若干层，每层公转筒(51)的外周边缘均匀间隔开设有孔洞，在每个孔洞内均设有实体面孔模型(511)，每个实体面孔模型(511)均连接有方向调节电机(512)，用于驱动实体面孔模型(511)进行自转，公转筒(51)底端通过转接座(53)连接在升降台(54)上，所述公转电机(52)位于公转筒(51)的底端，用于驱动公转筒(51)进行公转。
5.根据权利要求4所述的一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，其特征在于，所述升降台(54)包括丝杠(541)、导杆(542)、联轴器(543)和安装底板(544)，所述丝杠(541)通过联轴器(543)与升降电机(55)的输出端连接，所述导杆(542)有若干根，导杆(542)分散竖直安装在安装底板(544)上，所述转接座(53)提供若干根支撑杆，所述支撑杆的汇集端通过丝杠螺母(531)活动连接在丝杠(541)上，支撑杆的分散端通过滑动轴承(532)活动连接在各导杆(542)上。
6.根据权利要求5所述的一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，其特征在于，所述安装底板(544)通过若干安装螺钉(545)可拆卸安装在支撑平台(2)上。
7.根据权利要求5所述的一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，其特征在于，所述支撑杆有三根，相邻支撑杆之间的夹角均为120°。
8.根据权利要求4所述的一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，其特征在于，所述公转筒(51)的底端通过公转轴承(514)和轴承挡圈(515)连接在转接座(53)上。
9.根据权利要求4所述的一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，其特征在于，各层公转筒(51)外周边缘上的孔洞位置相互错开。
10.根据权利要求4所述的一种方向性实体面孔刺激的N170脑电信号采集分析系统，其特征在于，各层公转筒(51)之间通过筒间连接螺钉(513)连接。
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