CN204631770U - 一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，属于人机交互技术领域。本实用新型包括脑电帽、脑电信号采集器、显示器、光纤传输线路、光纤转换器；其中戴在用户头上的脑电帽与脑电采集器通过光纤传输线路相连，光纤转换器安装在脑电采集器的一侧用于光电转换，显示器与脑电采集器连接传输数据；脑电帽中的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器把采集的电压信号进行处理，通过光纤传输线路传输给显示器。本实用新型可以快速的采集到脑电信号；用户通过装置提供的神经反馈技术，可以择性地增强或抑制某一种特征的神经生理信号，达到调节脑功能；用户可以快速轻松的适应该装置，得到显著的脑电特征。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，属于人机交互技术领域。
背景技术
脑机接口技术是一种新型的人机交互技术，这种技术可以让大脑在不依赖于肌肉的参与，利用中枢神经装置的思维活动，通过采集脑电特征把脑活动的生物信号转化为电信号，实现大脑直接与外部设备进行通信与控制。目前BCI已经成为国际重大前言研究的热点。
在各类BCI中，基于运动想象（Motor imagery，MI）脑电（Electroencephalogram，EEG）的脑-计算机接口是一类重要的BCI，通常报道的“意念控制”或“思维控制”主要指该类BCI。该类脑机接口，通过运动想象心理策略绕过外周神经和肌肉，实现大脑直接与外部设备进行通信和控制。该技术不仅可以战略性地应用于军事上，还可用于控制服务机器人或康复机器人，如智能机器人轮椅、机械手、智能车辆、仿人机器人等以开启或增强严重运动残疾人控制外部设备或机器人的能力，从而改善其生活质量。
现如今已有若干基于运动想象脑电的BCI文献以及研发的原型样机装置。但在实用中，由于用户难于产生不同运动想象心理活动之间差异显著的脑电特征，使得在线实时装置并不能有效的提取不到稳定的特征信号，从而使得模式识别困难，故通信和控制的效果不理想。正因为如此，BCI技术仍然没有从实验室走向实际应用。
综上所述，针对现有基于运动想象相关脑电特征的装置存在的缺点，本专利面向运动想象脑机接口设计出一种高效用户训练装置，使用户在装置的帮助下进行神经反馈训练，自己控制自己的脑电活动，从而得到一个训练效果好，训练时间短，并进一步达到快速提高该类BCI装置性能，快速提高用户操控该类BCI 的能力。
发明内容
为了克服现有的装置，由于用户对于不同运动产生的想象心理活动，即生成的脑电特征不存在显著的、稳定的差异，得不到研发人员所需的信号特征现象。本实用新型提供一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，能够使得用户在短时间内通过这个装置的训练、适应后，有效的控制自己思维活动,产生出显著差异的脑电特征。
本实用新型的技术方案是：一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，包括脑电帽1、脑电信号采集器2、显示器3、光纤传输线路4、光纤转换器5；其中戴在用户头上的脑电帽1与脑电采集器2通过光纤传输线路4相连，光纤转换器5安装在脑电采集器5的一侧用于光电转换，显示器3与脑电采集器2连接传输数据；脑电帽1中的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器2把采集的电压信号进行处理，通过光纤传输线路4传输给显示器3。
所述脑电帽1的型号为BrainCap MR。
所述脑电信号采集器2的型号为BrainAmp MR Plus。
所述光纤转换器5的型号为OPTU232L1或HS130-SSC。
本实用新型的使用过程是：
用户根据装置的提示，登陆自己的账号，进行训练。用户以正确的方式带上脑电帽，双手平放在桌上，确保无左右手的肢体运动，此时用户可以开始进行左右手的运动想象任务。用户戴上脑电帽1，脑电帽中1的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器2把采集的电压信号进行信号的预处理，过滤掉由于肌电等干扰所产生信号，得到洁净的数据并放大，通过光纤传输线路4传输给显示器设备3通过EEGLAB软件对数据进行处理。
最后通过先进的闭环神经反馈技术，即把处理后的数据可视化为简单的实时动态图形呈现给用户，用户可以选择增强或抑制某一神经生理信号，使得与图形的运动规律一致，从而达到调节脑功能的目的，得到显著的脑电特征。例如：光标的左右运动的检测，用户根据光标实时的左右运动来调节自己的想象活动，实现先进的闭环神经反馈训练，达到调节脑功能的目的。
其中，脑电帽1中的电极分布主要包括FC3、C3、CP3；FZ、FCZ、CZ；FC4、C4、CP4；采集脑电信号，Fpz为接地电极。电极主要置于运动感觉区，包含C3、C4、CZ、FCZ四处，CZ为头部中央区，C3位于CZ左侧，称为左中央，C4 位于CZ右侧，称为右中央，FCZ为CZ前侧10%处。
脑电采集器2采用低噪声差动电路，配置好EEG的各项参数，才能得到高质量的数据。除了9个EEG通道FC3、C3 和CP3; Fz、FCz 和Cz；FC4、C4 和CP4（如图2示）和眼电（EOG） 外，为了脉冲伪迹校正，两个心电（Electrocardiogram，ECG）通道从胸部记录心电。低通滤波器设置为40Hz，对于EEG 和EOG，高通滤波器设置为0.01Hz。Fpz为接地电极，记录眼电（与EEG具有相同的带通和采样率）用于剔除眼动污染的伪迹，保持电极阻抗低于5KΩ，排除干扰。
所述的显示器3为一台脑信号处理和模式识别的计算机，是基于MATLAB的EEGLAB平台，应用其内部已有相应的算法工具箱进行数据分析与处理。EEGLAB是MATLAB的一个工具箱，是一种专门用于设计、测试、实验和评估脑-机接口的平台，内含有多种脑电数据处理算法，如脑电数据预处理算法、特征提取算法和模式分类算法等，可以进行脑电数据的分析与处理。
所述的光纤传输线路4是一种即以光导纤维为介质进行的数据、信号传输的线路。
该实用新型可采用USB/串口光纤转换器OPTU232L1，传输速率0.1152Mbps，接口类型USB，ST/FC；光纤转换器5也可采用HS130-SSC。
在图3中，为了减轻用户训练的负重。实现机器与人的双向训练，即机器学习，采用无监督学习的方法聚类出特定的脑电数据。以判断用户想象是否正确。该装置提取出出现的大概率数据，可视化为光标的左右运动。用户即可根据前一刻的光标运动情况来继续调节想象活动，使光标始终保持在左运动或者右运动。
为了验证该装置的有效性：
试验主要包括运动想象训练和EEG记录脑电特征。首先，我们选择10名志愿者来参加此次试验。这10名志愿者有以下要求：
1、都是男性；
2、身体健康；
3、手运动正常；
4、年龄都在25岁；
5、之前没有过任何疾病；
6、没有任何BCI知识背景。
这10名志愿者随机被分成两组，每组5个人，其中一组称为A组，另一组称作B组。
A、B组按照要求带上脑电帽来进行运动想象任务，本此实验中主要进行的是左右手运动想象任务。在进行运动想象任务之前对两组成员都只进行EEG测量。并保存数据。A要求成员戴上脑电帽，坐在正对电脑的椅子上，双手伸直放在桌上，根据EEG脑电特征，并经过计算机可视化后形成图形（光标的左右运动检测）。用户要求根据图形的变化来训练自己，调节自己的思维活动（想象左手运动或者想象右手运动）进行神经反馈训练，并再次保存测试的数据。而B组成员前后都一样，未经过神经反馈训练，直接测试脑电特征并保存测试的数据。测试后，可以开始对数据进行分析，可以做成图表的形式便于直观的观察！通过数据分析，可以很明显的得出基于运动想象脑电的脑—计算机接口高效用户训练装置有助于科研人员得到显著，稳定的脑电特征！
本实用新型的有益效果是：
1、通过该装置可以快速的采集到脑电信号。
2、用户通过装置提供的神经反馈技术，可以择性地增强或抑制某一种特征的神经生理信号，达到调节脑功能。
3、通过该装置，用户可以快速轻松的适应该装置，得到显著的脑电特征，即实现对动态图形的有效控制。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型中电极放置示意图；
图3为本实用新型中光标左右运动检测图；
图中各标号：1-脑电帽；2-脑电采集器；3-显示器；4-光纤传输线路；5-光电转换器。
具体实施方式
实施例1：如图1-3所示，一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，包括脑电帽1、脑电信号采集器2、显示器3、光纤传输线路4、光纤转换器5；其中戴在用户头上的脑电帽1与脑电采集器2通过光纤传输线路4相连，光纤转换器5安装在脑电采集器5的一侧用于光电转换，显示器3与脑电采集器2连接传输数据；脑电帽1中的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器2把采集的电压信号进行处理，通过光纤传输线路4传输给显示器3。
所述脑电帽1的型号为BrainCap MR。
所述脑电信号采集器2的型号为BrainAmp MR Plus。
所述光纤转换器5的型号为OPTU232L1。
实施例2：如图1-3所示，一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，包括脑电帽1、脑电信号采集器2、显示器3、光纤传输线路4、光纤转换器5；其中戴在用户头上的脑电帽1与脑电采集器2通过光纤传输线路4相连，光纤转换器5安装在脑电采集器5的一侧用于光电转换，显示器3与脑电采集器2连接传输数据；脑电帽1中的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器2把采集的电压信号进行处理，通过光纤传输线路4传输给显示器3。
所述脑电帽1的型号为BrainCap MR。
所述脑电信号采集器2的型号为BrainAmp MR Plus。
所述光纤转换器5的型号为HS130-SSC。
实施例3：如图1-3所示，一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，包括脑电帽1、脑电信号采集器2、显示器3、光纤传输线路4、光纤转换器5；其中戴在用户头上的脑电帽1与脑电采集器2通过光纤传输线路4相连，光纤转换器5安装在脑电采集器5的一侧用于光电转换，显示器3与脑电采集器2连接传输数据；脑电帽1中的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器2把采集的电压信号进行处理，通过光纤传输线路4传输给显示器3。
实施例4：如图1-3所示，一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，包括脑电帽1、脑电信号采集器2、显示器3、光纤传输线路4、光纤转换器5；其中戴在用户头上的脑电帽1与脑电采集器2通过光纤传输线路4相连，光纤转换器5安装在脑电采集器5的一侧用于光电转换，显示器3与脑电采集器2连接传输数据；脑电帽1中的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器2把采集的电压信号进行处理，通过光纤传输线路4传输给显示器3。
所述脑电帽1的型号为BrainCap MR。
所述脑电信号采集器2的型号为BrainAmp MR Plus。
实施例5：如图1-3所示，一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，包括脑电帽1、脑电信号采集器2、显示器3、光纤传输线路4、光纤转换器5；其中戴在用户头上的脑电帽1与脑电采集器2通过光纤传输线路4相连，光纤转换器5安装在脑电采集器5的一侧用于光电转换，显示器3与脑电采集器2连接传输数据；脑电帽1中的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器2把采集的电压信号进行处理，通过光纤传输线路4传输给显示器3。
所述脑电帽1的型号为BrainCap MR。
所述光纤转换器5的型号为OPTU232L1。
实施例6：如图1-3所示，一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，包括脑电帽1、脑电信号采集器2、显示器3、光纤传输线路4、光纤转换器5；其中戴在用户头上的脑电帽1与脑电采集器2通过光纤传输线路4相连，光纤转换器5安装在脑电采集器5的一侧用于光电转换，显示器3与脑电采集器2连接传输数据；脑电帽1中的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器2把采集的电压信号进行处理，通过光纤传输线路4传输给显示器3。
所述脑电信号采集器2的型号为BrainAmp MR Plus。
所述光纤转换器5的型号为OPTU232L1。
实施例7：如图1-3所示，一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，包括脑电帽1、脑电信号采集器2、显示器3、光纤传输线路4、光纤转换器5；其中戴在用户头上的脑电帽1与脑电采集器2通过光纤传输线路4相连，光纤转换器5安装在脑电采集器5的一侧用于光电转换，显示器3与脑电采集器2连接传输数据；脑电帽1中的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器2把采集的电压信号进行处理，通过光纤传输线路4传输给显示器3。
所述脑电帽1的型号为BrainCap MR。
所述光纤转换器5的型号为HS130-SSC。
实施例8：如图1-3所示，一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，包括脑电帽1、脑电信号采集器2、显示器3、光纤传输线路4、光纤转换器5；其中戴在用户头上的脑电帽1与脑电采集器2通过光纤传输线路4相连，光纤转换器5安装在脑电采集器5的一侧用于光电转换，显示器3与脑电采集器2连接传输数据；脑电帽1中的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器2把采集的电压信号进行处理，通过光纤传输线路4传输给显示器3。
所述脑电信号采集器2的型号为BrainAmp MR Plus。
所述光纤转换器5的型号为HS130-SSC。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，其特征在于：包括脑电帽（1）、脑电信号采集器（2）、显示器（3）、光纤传输线路（4）、光纤转换器（5）；其中戴在用户头上的脑电帽（1）与脑电采集器（2）通过光纤传输线路（4）相连，光纤转换器（5）安装在脑电采集器（5）的一侧用于光电转换，显示器（3）与脑电采集器（2）连接传输数据；脑电帽（1）中的电极在头皮记录脑电电位变化，脑电信号采集器（2）把采集的电压信号进行处理，通过光纤传输线路（4）传输给显示器（3）。
2.根据权利要求1所述的用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，其特征在于：所述脑电帽（1）的型号为BrainCap MR。
3.根据权利要求1所述的用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，其特征在于：所述脑电信号采集器（2）的型号为BrainAmp MR Plus。
4.根据权利要求1所述的用于运动想象脑电的脑机接口高效用户训练装置，其特征在于：所述光纤转换器（5）的型号为OPTU232L1或HS130-SSC。
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Granted publication date: 20150909 Termination date: 20180415 |
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