CN2525600Y - 基于脑电信号的残疾人环境控制装置 - Google Patents

Abstract

一种基于脑电信号的残疾人环境控制装置，属于生物医学工程技术领域，由脑传导电极、脑－计算机接口控制器、PC机及控制软件组成，脑传导电极与脑－计算机接口控制器输入口相联，脑计算机接口控制器与PC机通过串行口相联，PC机输出端接显示器和扬声器，脑电信号通过脑传导电极输入脑－计算机接口控制器，脑－计算机接口控制器对信号进行预处理后送入计算机，计算机对诱发脑电信号进行分析，得出结论后分别通过声卡及串行口发出控制指令，接口控制器收到计算机发来的控制命令即控制外围电器，本实用新型既可供思维正常有功能障碍的人对外界表达内心世界，对外界环境进行交流和控制，还可帮助健康的人们在特殊环境下控制外界环境，具有使用方便、控制稳定、识别率高、使脑电信号可用语言表达等优点。

Description

基于脑电信号的残疾人环境控制装置

所属技术领域

本实用新型属于生物医学工程技术领域。

背景技术

目前国外一些学者在实验室内研究基于脑电的脑-计算机接口技术，主要的目的是作为残疾人的障碍补助方式。其系统主要有，利用眼球运动控制alpha波，以实现对开关电路的控制；自主控制mu节律幅度，即受试者面对屏幕，屏幕中央有一个光标，设定mu节律的幅度超过某一阈值则光标上移，否则光标下移。上述两种方案均没有声音，且控制方式复杂，如：第一种方法只是控制开关电路；后一种方案要求受试者眼睛必须一直注视屏幕。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种能利用眼球运动时诱发脑电的规律来控制屏幕上的光标、同时与语音系统链接、使不能说话的残疾人能够将内心世界通过语言表达出来、且控制方式简单、更益于使用者使受试者眼睛更加自如的基于脑电信号的残疾人环境控制装置。

它是一种基于眼动时诱发的脑电信号来表达内心世界和控制周围环境的装置。该装置通过特制的硬件系统对诱发脑电进行采集，通过串行口将信息输入计算机中，再用PC机对其进行识别，最后根据在进行不同的眼球运动时，其诱发的脑电信号不同的形式来实现各种不同的功能，并通过特定的语音系统表达出来。从而达到将人脑与电脑连接起来，即做不同的眼球运动控制计算机的行为。

本实用新型由硬件和软件两部分组成。

硬件系统主要由一台PC机及脑-计算机接口控制器组成，计算机完成对眼动诱发脑电信号的分析，接口控制器实现对诱发脑电信号的预处理。信号通过电极采入接口控制器，在接口控制器对信号进行预处理后，送入计算机，计算机对诱发脑电信号进行分析。在得出处理结论后，分别可以通过声卡以及串行口发出控制指令。如接口控制器收到计算机发来的控制命令，即可动作，控制外围的电器。

脑-计算机接口控制器主要由五部分组成，分别为：输入保护部分，前级放大部分，信号隔离部分，后级信号放大滤波部分，以及微计算机(Intel80C196KC)采集控制部分。各部分的功能及构成如下：

I输入保护部分

本部分主要由稳压二极管和输入保护电阻组成，另外在输入前置放大器INA128的输入端也有一定的保护作用。

II前级放大部分

本部分有两功能模块，共三个部分，分别由INA128和LM324构成，前半部分的放大采用差动放大方法，以提高输入信号的共模抑制比。后半部放大使用的是负反馈放大电路。为了有效的抑制工频干扰，在两级放大器中间，设有一个双T网络滤波器，以避免工频信号在放大过程中使信号溢出，其增益在80dB附近可调。

III信号隔离部分

隔离级由TLP521-2构成，通过设置其输入电流大小，实现信号1∶1放大的隔离。由于隔离级的加入，使得前端的信号测量在电气上与后端完全隔离，来提高系统的安全性。同时也提高了信号的抗干扰性能。

IV信号放大滤波部分

放大器采用了LM324和OP07，前部是一个四阶的低通滤波器，由LM324构成。后部接一个负反馈放大电路，最后是一个电平调整电路，其增益在20dB附近可调。

V微计算机采集控制部分

此部分主要是利用微处理器的控制功能，来实现对信号的模数变换，把得到的数据通过串口通信的方法，送入PC机，让计算机来完成分析。其与计算机间采用的是双工的通信方式，同时也承担着控制外部用电器的功能。

脑-计算机接口控制器内部的信号预处理流程，嵌入了一块Intel80C196KC微处理器，负责完成信号的变换、通信、控制等功能。由于人体信号采集的特殊性，针对安全问题，采用了两级放大滤波的方案，在中间级插入了隔离单元，保证仪器的安全性。其信号的总体增益在100dB附近可调。本实用新型的软件部分是利用Microsoft Visual C++6.0设计实现的。软件的具体设计实现包括以下几个部分：用户界面设计、数据输入与存储、脑电数据的处理与显示等。其中核心是数据的输入与处理。数据可以通过保存在磁盘上的文件读入，也可以从串行口实时的读入。数据处理就是对脑电信号进行识别输出，这也是最为关键的一步，本实用新型的控制包括：

打开串口，将数据读入缓冲区buffer的输入装置；

判断串口是否有数据的判断装置，及处理判断结果的输出装置；

从buffer中读入DATA_Num个数据到数组m_data的读入装置；

求眼球运动诱发脑电信号的幅度阈值(及波形斜率和相关特征值)的计算器；

根据眼球运动诱发脑电信号的规律，判断是否为眨眼运动的判断装置，及处理判断结果的输出装置；

根据眼球运动诱发脑电信号的规律，判断是否为眼球向上运动的判断装置，及处理判断结果的输出装置；

根据眼球运动诱发脑电信号的规律，判断是否为眼球向下运动的判断装置，及处理判断结果的输出装置。

基于脑电信号的残废人环境控制装置是一种供残废人(特别是瘫痪病人)使用的电子机械的装置，即它可供思维正常但有运动功能障碍的人对外界表达内心世界，对外界环境进行交流和控制，如向外界表达想要吃饭、进行户外活动或听音乐等的想法，以及控制收音机和电扇等外界环境。实现一定程度上的生活自理。

如一受试者(思维正常)坐在计算机屏幕前，其诱发脑电信号用两个导联通过人脑与计算机的接口电路送入PC机内。这时受试者想让该计算机表达他要“请护士帮助活动一下”的想法，他只需将眼球向上看一下，这时候PC机屏幕上的光标向上移动并指向“护士，请帮我运动一下”的指示框，同时计算机发出“护士，请帮我运动一下”的声音。若受试者进行其它不同的眼球移动时，还可以将内心的其它想法表达出来，以及对常用电器的控制。

它还可以为健康的人们提供在特殊环境下控制外界的环境，如帮助人们在高辐射区外对该区内部设备的控制等。也可为人们提供一种新的娱乐方式，如思维玩电子游戏等。本实用新型在脑电信号采集中，仅采用了两个导联(Fp1-F7，Fp2-F8)就可得到所需的信号，这样方便于使用者，也就是便于普通老百姓使用。控制的硬件系统性能稳定，适合于残疾人；以PC机为平台的软件系统识别率高。该装置与特制的语音系统链接，使不同的脑电信号可以用语言表达出来。

附图说明

图1为本实用新型硬件组成示意图，

图2为本实用新型的脑-计算机接口控制器的组成示意图，

图3为本实用新型的脑-计算机接口控制器的线路原理图，

图4为本实用新型的控制软件流程图

具体实施方式

本实用新型由硬件和软件两部分组成。其硬件如图1所示，由一台PC机和脑-计算机接口控制器及脑传导电极组成。脑传导电极与脑-计算机接口控制器输入口相联，脑-计算机接口控制器与PC机通过串行口相联，PC机输出端接显示器和扬声器，受试者发出的脑电信号通过脑传导电极采入脑-计算机接口控制器，由脑-计算机接口控制器对信号进行预处理后，送入计算机，计算机对诱发脑电信号进行分析，在得出结论后，分别通过声卡以及串行口发出控制指令。如接口控制器收到计算机发来的控制命令，即可动作，控制外围的电器。脑-计算机接口控制器内部的信号预处理流程如图2所示，其中嵌入了一块Intel80C196KC微处理器，负责完成信号的变换、通信、控制等功能。脑-计算机接口控制器的线路原理如图3所示，由输入保护、前级放大、信号隔离、后级信号放大滤波以及微计算机(Intel80C196KC)采集控制五部分组成。输入保护部分由稳压二级管D1，D2，D3，D4和输入保护电阻R01，R02组成；前置放大采用两种功能模块由INA128和LM324构成，INA128放大模块采用差动放大电路，LM324放大模块使用负反馈放大电路，在两级放大器中间设有一个双T网络滤波器，其增益在80dB附近可调；信号隔离级由TLP521-2构成，通过设置其输入电流的大小，实现信号1∶1放大的隔离；信号放大滤波部分，前部是一个四阶的低通滤波器，由LM324构成，后部接一个负反馈放大电路，最后是一个电平调整电路，其增益在20dB附近可调；微计算机采集控制与计算机间采用双工通信方式。本实用新型的控制软件如图4所示，从串行口读取数据进行识别，则程序的执行步骤如下：

1、打开串口，从串口将数据读入缓冲区buffer中。

2、判断串口中是否有数据，若无，关闭串行口，程序结束；若有执行步骤3。

3、从buffer中读入DATA_NUM个数据到数组m_data中。

4、求眼球运动诱发脑电信号的幅度阈值(及相关特征值)。

5、根据眼球运动诱发脑电信号的规律，判断是否为眨眼运动。若是，输出结果，转入步骤2；否，转入步骤6。

6、根据眼球运动诱发脑电信号的规律，判断是否为眼球向上运动，若是，输出结果，转入步骤2；否，转入步骤7。

7、根据眼球运动诱发脑电信号的规律，判断是否为眼球向下运动，若是，输出结果，转入步骤2；否，转入步骤2。

Claims (3)

1、一种基于脑电信号的残疾人环境控制装置，其特征在于该装置由脑传导电极、脑-计算机接口控制器、PC机及控制装置组成，脑传导电极与脑-计算机接口控制器输入口相联，脑-计算机接口控制器与PC机通过串行口相联，PC机输出端接显示器和扬声器，脑电信号通过脑传导电极输入脑-计算机接口控制器，脑-计算机接口控制器对信号进行预处理后送入计算机，计算机对诱发脑电信号进行分析，得出结论后，分别通过声卡及串行口发出控制指令，接口控制器收到计算机发来的控制命令，即控制外围电器。

2、根据权利要求1所述的基于脑电信号的残疾人环境控制装置，其特征在于所说的脑-计算机接口控制器由输入保护、前级放大、信号隔离、后级信号放大滤波及微计算机采集控制五部分组成，输入保护电路由稳压二级管和输入保护电阻组成；前置放大采用两种功能模块由INA128和LM324构成，INA128放大模块采用差动放大电路，LM324放大模块使用负反馈放大电路，在两级放大器中间设有一个双T网络滤波器，其增益在80dB附近可调；信号隔离级由TLP521-2构成；信号放大滤波电路前部是一个四级的低通滤波器，由LM324构成，后部接一个负反馈放大电路，最后是一个电平调整电路，其增益在20dB附近可调；微计算机采集控制与计算机间采用双工通信方式。

3、根据权利要求1或2所述的基于脑电信号的残疾人环境控制装置，其特征在于所说的控制装置包括：

打开串口，从串口将数据读入缓冲区buffer中的输入装置；

判断串口是否有数据的判断装置，及处理判断结果的输出装置；

从buffer中读入DATA_Num个数据到数组m_data的读入装置；

求眼球运动诱发脑电信号的幅度阈值及相关特征值的计算器；

根据眼球运动诱发脑电信号的规律，判断是否为眨眼运动的判断装置，及处理判断结果的输出装置；

根据眼球运动诱发脑电信号的规律，判断是否为眼球向上运动的判断装置，及处理判断结果的输出装置；

根据眼球运动诱发脑电信号的规律，判断是否为眼球向下运动的判断装置，及处理判断结果的输出装置。

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