CN2888524Y - 基于高频稳态视觉诱发电位的脑－机接口装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于高频稳态视觉诱发脑电响应的控制装置，包括闪光刺激器，电极，脑电信号放大器和频率分析器。人对闪光刺激产生的脑电信号经放大、A/D转换后，对脑电信号进行处理，分析出能量的频率值，并将其与闪光刺激器闪烁的频率相比较，判断出对应的动作，最后对控制设备发出控制信号。本实用新型的优点是采用了高闪烁频率的刺激器(闪烁频率高于25赫兹)。由于受试者实际上感觉不到刺激器的闪烁，因此在使用中不会产生视觉疲劳。

Description

基于高频稳态视觉诱发电位的脑-机接口装置

技术领域

本实用新型属于生物医学信号处理和医疗器械领域。

背景技术

脑-机接口是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道。通过这种通道，人就可以直接通过人脑来表达想法或操纵设备，而不需要通过语言或肢体的动作。

脑-机接口和那些普通的人-机接口的主要差别在于，前者不需要任何种类的肌肉响应，只需要检测反映脑的响应性或目的性活动的信号。

已有的实现人脑-计算机接口的比较直接的方法有：

(1)利用眼部运动控制alpha波

alpha波是自发脑电信号中一种特定频率成分的信号。当眼球向上翻时，alpha波的幅度会变大；而睁眼注视面前的物体或闭眼注视前方一个想象中的点可以使alpha波的幅度变小或阻断alpha波。基于这个现象，就可以通过睁眼或闭眼来产生或减小alpha波，然后通过区分alpha波的大小来实现某种控制功能。

(2)基于事件相关脑电信号的方法

例如，在人的自主运动发生之前，脑电中存在与该运动关联的称为事件相关去同步的成分，它本质上是一种诱发脑电信号。人们可在记录的脑电信号中识别事件相关信号，并利用它去实现某种控制。

(3)基于自主控制脑电信号的方法

这种思路建立在操作性条件反射基础上，认为人可以通过生物反馈来学习控制脑电信号的某些成分。通过自主控制产生相应的脑电信号，以实现某些控制。

(4)基于诱发脑电信号的方法

这种方法的基本做法是给受试者以某种刺激，记录不同刺激下诱发的脑电信号，加以识别，然后用识别出的信号实现某种控制。

在现有的脑-机接口系统中，比较成功的实现方法是基于稳态视觉诱发电位的方法。该方法不仅能达到很高的判断正确率，而且能保证在使用中的实时性。

基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口系统是让受试者注视以一定频率的闪光刺激，系统通过检测诱发脑电信号中特定的频率成分，由此判断受试者正在注视的目标。

在已有的基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口系统中，刺激器的闪烁频率均设定在4-25赫兹之间。这主要是担心当刺激频率高于25赫兹后，由于人体的视觉残留效应，使得人体感觉不到闪烁刺激，怕由此影响视觉诱发电位的产生。但是，在使用这样的系统中，当受试者长时间注视闪烁目标时就会感到视觉疲劳和不适。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于高频稳态视觉诱发电位的脑-机接口装置。

在我们的研究中发现，当受试者注视目标的闪烁频率高于25赫兹时，虽然受试者自己感觉不出闪烁刺激，但在他的脑电信号中仍然可以检测到与刺激频率相同的节律成分。虽然在高频刺激下，诱发信号的强度变小，但是与低频刺激下记录到的信号相比较，其信噪比并没有明显的降低(见附图1)。因此完全可以采用这种高频“闪烁”的刺激器来代替现有系统中闪烁频率较低的刺激器。这样做的明显的好处是减小了闪烁刺激对受试者造成的不适。

本实用新型的特征在于，该装置包括：

(1)闪光刺激器，为一光源，闪烁频率控制在25赫兹以上；

(2)电极，置于人体脑部，记录人体视觉经灯光刺激后产生的脑电信号；

(3)脑电信号放大器，将脑电信号通过头皮电极引入后，进行放大；

(4)频率分析器，将放大后的脑电信号经A/D转换后，对脑电信号进行预处理，分析出能量的频率值，并将其与闪光刺激器的闪烁频率相比较，判断出对应的动作，最后对控制设备发出控制信号。

本实用新型的实现由以下三部分组成(参见图2)：

(1)闪光刺激器

闪光刺激器是一组按一定频率闪烁的光源。它可以是各种具有较好开关特性的发光元件，例如各种常见的发光二极管等。发光器件的闪烁频率设置在25赫兹以上。

(2)脑电信号分析器

电生理实验证明，当给人体的视觉系统一定频率的灯光刺激时，只要受试者的视觉系统是健康的，就可以在受试者的枕部头皮上记录到特征明显的诱发脑电信号。记录信号的特征主要表现在频率域上，即记录信号中有明显的刺激频率及其谐波成分。例如，刺激频率(即灯光的闪烁频率)为30赫兹，则在记录到的脑电信号中就会发现明显的30赫兹及其谐波成分。由于本实用新型中采用的高频闪烁刺激，受试者实际上感觉不到刺激器的闪烁，因此在使用中不会产生视觉疲劳。

基于上述要求，图2中脑电信号分析器中的主要功能模块是：

(i)脑电信号放大器：

因为记录到的脑电信号非常微弱，因此在进行特征识别之前必需将其放大。放大后的脑电信号由模拟/数字转换器转换为数字信号，然后就可以送入计算机作进一步的分析与特征提取工作。

(ii)频率分析器

考虑到诱发脑电中包含刺激频率及其谐波成分，为了要得到这些频率成分就必需对信号做频谱分析，这就是频率分析器的功能。

由于计算机的广泛使用，频谱分析通常是由计算机完成的，因此，这是一个数字信号处理的过程。用于完成频谱分析的算法是快速傅里叶变换法(Fast Fourier Transform，简称FFT)，它的计算公式是

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\·{\left(e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}}\right)}^{\mathrm{nk}}$

上式中x(n)是数字化的脑电信号，n＝0～N-1；X(k)就是x(n)的离散傅里叶变换，k＝0～N-1。

为了实现不同要求的控制，可以设计灯光刺激器以不同的频率闪烁。当受试者根据需要注视某一个闪烁发光器时，其诱发脑电中就应该包含该闪烁发光器闪烁的频率及其谐波成分。只要能从频率分析器中分辨出不同的频率成分，就可以实现相应的控制。

(3)环境控制器

脑-机接口的一个典型应用是供残疾人实现对周围环境的控制，例如，开/关灯、开/关电视、开/关风扇等。由信号分析器的输出，我们能得知受试者注视哪一个闪烁灯，于是也就知道他想完成的控制。只要把这一信息传给环境控制器，接通相应的电路，就可以实现对周围电器的控制。

本实用新型能够用计算机对放大后的脑电信号进行频谱分析，从中取出特征信号，用于对家用电器的控制。

附图说明

图1不同频率刺激下记录的稳态视觉诱发电位的信噪比

图2本实用新型的系统构成示意图

图3发光二极管控制电路

图4脑电信号放大器

具体实施方式

图2所示实际上就是我们设计的一个实施例。

系统中的视觉刺激器采用的是普通的发光二极管。20个发光管以不同的频率闪烁。产生发光二极管控制信号的电路图见附图3。输入信号是一个1MHz的方波信号，由一片可编程器件EPM7128SLC84产生4种不同频率的脉冲信号。这4路脉冲信号经过74LS373驱动后送到输出电路，该电路由一片MC1413和4个发光二极管组成。最后的结果是4个发光二极管L1～L4分别按一定的频率进行闪烁。只要重复制作这样的电路，就可以得到更多的以不同频率闪烁的发光二极管视觉刺激器。

实验中所用的脑电信号分析器是一台现成的脑电图机。脑电图机主要由脑电放大器组成。图4是典型的脑电信号放大器，它是由若干个运算放大器组成的典型的电生理信号放大器。经过放大后的脑电信号被送入计算机，由计算机完成频谱分析，得到相应的频率成分(方法见本说明书第4页中的“频率分析器”)。再通过计算机编程实现对一些家用电器的控制。

Claims (1)

1、一种基于高频稳态视觉诱发电位的脑—机接口装置，其特征在于，该装置包括：

(1)闪光刺激器，为一光源，闪烁频率控制在25赫兹以上；

(2)头皮电极，置于人体头部，记录人体视觉经所述闪光刺激器输出的灯光刺激后，产生的脑电信号；

(3)脑电信号放大器，将所述头皮电极产生的脑电信号引入后，进行放大；

(4)频率分析器，将所述放大后的脑电信号经A/D转换后，对脑电信号进行处理，分析出能量的频率值，并将其与闪光刺激器的闪烁频率相比较，判断出对应的动作，最后对控制设备发出控制信号。

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