CN208848166U - 一种基于ssvep脑机接口系统的视觉刺激装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置，该视觉刺激装置上的视觉诱发源的数量、布局、颜色和亮度可以通过物理连接进行调整，能调整诱发源的闪烁频率同时保证其闪烁频率的精度。本实用新型还通过NRF24L01无线模块实现与脑电信号处理计算机之间的数据通信，通过SSVEP脑电信号采集实验和数据分析，可以快速地设计出有效的视觉刺激范式。该装置通过在视觉上呈现一个频率固定的闪烁刺激，从而在大脑皮层中诱发一个与刺激频率相关的SSVEP信号序列。该装置通过硬件设计和物理连接实现，具有体积小、能耗低、易扩展、可编程的特点。

Description

一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置

技术领域

本实用新型涉及脑机接口系统技术领域，具体涉及一种基于稳态视觉诱发电位(Steady-state visual evoked potentials,SSVEP)脑机接口系统的视觉刺激装置。

背景技术

稳态视觉诱发电位(Steady-state visual evoked potentials,SSVEP)脑机接口系统需要外部装置提供频率固定的闪烁诱发源。由于LCD显示屏可以通过计算机程序灵活地设计诱发源的频率、形状、颜色、布局或者翻转模式，因而大多数脑机接口系统的视觉刺激装置采用LCD显示屏为载体。但是LCD显示屏所能产生的刺激频率精度较低，且诱发源的可选刺激频率不能超过屏幕刷新率的一半，所能呈现的视觉刺激较为有限。以LED灯为载体的视觉刺激装置的可选频率范围则不受该限制，配合微型计算机系统能够非常精确地控制每一个诱发源的闪烁频率。为结合两种诱发方式的优点，需要设计一种能够简便地对脑电刺激范式进行修改、参数可调的LED灯视觉刺激装置，并配合脑机接口系统的其他模块稳定地运作。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置，所述的视觉刺激装置包括视觉诱发源、主控开发板、无线通信模块和信号处理计算机，所述的视觉刺激装置能够通过修改视觉诱发源的物理连接和对主控开发板进行参数设置灵活地对视觉诱发源的数量、布局、颜色、亮度和频率进行调整，并配合脑机接口系统的其他组成模块稳定地工作。

所述的视觉诱发源采用若干个高亮全彩共阳LED灯，其公共端与所述的主控开发板的5V或3.3V电源输出端进行连接；其控制端低电平有效，与所述的主控开发板的GPIO接口进行连接，并通过控制PWM输出能够产生不同的颜色变化。

进一步地，所述的视觉诱发源采用12个10mm高亮全彩共阳LED灯。

进一步地，所述的视觉诱发源固定在软木板上，均匀地分布在一个直径为22cm的圆圈上，并在同一个发光面上提供闪烁刺激。所述的视觉诱发源能通过改变LED灯的物理连接简便地调整其数量和布局。

进一步地，所述的视觉诱发源通过更换LED灯上的电阻或者改变LED灯公共端的电压对其亮度进行调整。

进一步地，所述的主控开发板采用MiniSTM32开发板，该MiniSTM32开发板上的MCU采用STM32F103RBT6，其GPIO的输出模式为推挽输出，最大输出速度为50MHz。所述的主控开发板能通过TIM定时器精确地设置所述视觉诱发源的闪烁频率，其控制精度能精确到百分位。

所述的主控开发板通过USB转串口提供电源和实现程序下载。

所述的无线通信模块由两块NRF24L01芯片组成，nRF24L01芯片是由NORDIC生产的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。

其中一块NRF24L01芯片搭载在所述的主控开发板中，通过SPI方式与MiniSTM32开发板上的MCU进行通信，SPI最大传输速率能够达到10MHz。另外一块NRF24L01芯片通过SPI转串口的方式与所述的信号处理计算机进行连接。

所述的无线通信模块采用16位CRC校验，波特率设置为9600bps，能够提供快速、可靠的无线通信功能。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)、本实用新型通过硬件设计和物理连接开发出一套体积小、能耗低、易扩展、可编程的基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置。该视觉刺激装置上的视觉诱发源的数量、布局、颜色、亮度和频率可以通过物理连接和对主控开发板进行参数设置进行调整，同时保证诱发源的闪烁频率精度。

2)、本实用新型还通过NRF24L01无线模块实现与脑电信号处理计算机之间的数据通信，通过SSVEP脑电信号采集实验和数据分析，可以快速地设计出有效的视觉刺激范式。

附图说明

图1是本实用新型公开的一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置的结构组成图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

图1为本实用新型公开的一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置的结构组成图。该视觉刺激装置采用LED阵列作为视觉诱发源，在人的视觉上提供频率固定的闪烁刺激，从而在大脑皮层中诱发一个与刺激频率相关的SSVEP信号序列，将采集到的信号序列进行放大、A/D转换后传送给信号处理计算机进行信号预处理、特征提取和目标分类等解码得到用户的实际观测目标。

本实施例中，信号预处理采用巴特沃斯滤波器，该巴特沃斯滤波器具体可参考《基于SSVEP的脑-机接口系统设计与开发[D].》华东理工大学,2015，赵明。

本实施例中，特征提取采用典型相关分析或功率谱密度分析，其中，典型相关分析具体可参考《基于SSVEP的脑机接口系统设计与研究[D].》南昌大学，2014，邹霞；其中，功率谱密度分析具体可参考《基于SSVEP的脑机接口系统研究与设计[D].》南京邮电大学,2015，杨俊宇。

本实施例中，目标分类采用支持向量机，其中，支持向量机具体可参考《基于运动想象的脑电信号识别算法的研究[D].》华东理工大学，2013，王东洋。

由此可见，信号处理计算机进行信号预处理、特征提取和目标分类的方法步骤都属于已有的技术手段。

由于SSVEP的刺激范式直接影响了脑电信号的解码难度，因此需要设计出一个能够简便地对视觉诱发源的各种参数进行调整的视觉刺激装置，同时还要保证视觉诱发源的刺激频率有较大的可选范围和精度。本实用新型可以通过物理连接简便地调整视觉诱发源的数量，布局和亮度等，通过在主控开发板上进行参数设置能够灵活地调整视觉诱发源的频率和颜色。

主控开发板采用MiniSTM32开发板，该开发板上有着丰富的IO接口资源，输出电平为5V兼容，能够驱动数量较多的LED灯。将TIM定时器的中断频率设置为10kHz，就能够将所述视觉诱发源的闪烁频率精确到百分位。

主控开发板要与信号处理计算机进行协调工作，就必须建立数据传输的通道。本实用新型采用两块NRF24L01芯片构成无线通信模块提供数据传输的功能。NRF24L01芯片是由NORDIC生产的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。

其中一块NRF24L01芯片通过SPI接口与主控开发板进行通讯，另外一块NRF24L01芯片通过SPI转串口的方式与信号处理计算机进行连接。NRF24L01芯片具有自动应答和重发机制，能保证快速、可靠的数据传输性能。

当信号处理计算机需要采集SSVEP信号时，便发送指令给主控开发板，主控开发板接收到指令后便通过GPIO接口驱动视觉诱发源提供闪烁刺激，从而在用户的大脑皮层中诱发SSVEP信号。

综上所述，本实用新型公开的基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置通过简单地修改物理连接和参数设置便能对视觉诱发源的数量、布局、颜色、亮度和频率进行调整，可以帮助SSVEP脑机接口系统研发人员快速地设计出有效的视觉刺激范式。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置，其特征在于，所述的视觉刺激装置包括视觉诱发源、主控开发板、无线通信模块和信号处理计算机，

所述的视觉诱发源采用若干个高亮全彩共阳LED灯，其公共端与所述的主控开发板的5V或3.3V电源输出端进行连接；其控制端低电平有效，与所述的主控开发板的GPIO接口进行连接，并通过控制PWM输出能够产生不同的颜色变化；

所述的主控开发板采用MiniSTM32开发板；

所述的无线通信模块由两块NRF24L01芯片组成，其中一块NRF24L01芯片搭载在所述的主控开发板中，通过SPI方式与所述的MiniSTM32开发板上的MCU进行通信，SPI最大传输速率能够达到10MHz，另外一块NRF24L01芯片通过SPI转串口的方式与所述的信号处理计算机进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置，其特征在于，

所述的MiniSTM32开发板上的MCU采用STM32F103RBT6，其GPIO的输出模式为推挽输出，最大输出速度为50MHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置，其特征在于，所述的视觉诱发源采用12个10mm高亮全彩共阳LED灯，固定在软木板上，均匀地分布在一个直径为22cm的圆圈上，并在同一个发光面上提供闪烁刺激。

4.根据权利要求1所述的一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置，其特征在于，所述的视觉诱发源通过更换LED灯上的电阻或者改变LED灯公共端的电压对其亮度进行调整。

5.根据权利要求1所述的一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置，其特征在于，所述的视觉诱发源通过改变物理连接调整视觉诱发源中LED灯的数量和布局。

6.根据权利要求1所述的一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置，其特征在于，通过在主控开发板上进行参数设置调整视觉诱发源的频率和颜色。

7.根据权利要求1所述的一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置，其特征在于，所述的主控开发板能通过TIM定时器设置所述视觉诱发源的闪烁频率，当TIM定时器的中断频率设置为10kHz，其控制精度精确到百分位。

8.根据权利要求1所述的一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置，其特征在于，所述的主控开发板通过USB转串口提供电源和实现程序下载。

9.根据权利要求1所述的一种基于SSVEP脑机接口系统的视觉刺激装置，其特征在于，所述的无线通信模块采用16位CRC校验，波特率设置为9600bps，提供无线通信功能。