TWI542323B - 腦電波處理裝置及腦機介面系統 - Google Patents

Description

腦電波處理裝置及腦機介面系統

本發明是有關於一種腦電波(electroencephalogram；EEG)訊號處理技術，且特別是有關於一種腦電波處理裝置及腦機介面(brain computer interface；BCI)系統。

早在一世紀以前，人們便得知，腦神經細胞的活動可透過偵測神經電訊號而取得腦波。而隨著生醫技術的發展，已有多種醫學儀器被開發來記錄腦電波(EEG)訊號。透過分析腦電波訊號，可輔助診斷腦部相關疾病(例如，癲癇、腦血管疾病等)。而在處理腦電波訊號的技術中，動物腦部與外部裝置(例如，個人電腦、筆記型電腦等)間溝通的途徑被稱為腦機介面，其可轉譯動物的神經活動成為控制訊號以控制外部裝置。此外，多種神經活動或腦電波特徵(例如，穩態視覺誘發電位(Steady State Visual Evoked Potential；SSVEP)、P300電位等)已經廣泛作為腦機介面控制訊號來使用。

在現今的腦機介面中，通常是先利用量測腦電波的儀器將多通道(multi-channel)的腦電波訊號全部紀錄後，再將所有多通道的腦電波訊號傳送到後端外部裝置，而後端外部裝置便進行後續運算處理。然而，前述將所有多通道的腦電波訊號進行傳輸及運算，不僅造成傳輸上的負擔，更增加後端運算的複雜度。據此，有需要提供一種改善系統傳輸量及後端運算負擔的腦機介面系統。

本發明提供一種腦電波處理裝置及腦機介面系統，其透過前端的腦電波處理裝置進行類比式空間濾波處理，並進行通道選擇，以將後續接收的腦電波訊號僅選擇輸出通道對應的部份腦電波訊號而傳送至後端電子裝置，從而減少系統的傳輸量並降低後端電子裝置的運算負擔。

本發明提供一種腦電波處理裝置，包括訊號感測模組、訊號接收電路及處理模組。各訊號感測模組包括數個訊號感測器，且這些訊號感測器用以感測腦電波訊號。訊號接收電路耦接訊號感測模組，並用以對透過數個訊號通道接收的腦電波訊號執行類比式空間濾波處理。處理模組耦接訊號接收電路。處理模組接收經類比式空間濾波處理的腦電波訊號，並比較這些腦電波訊號以自訊號通道中選擇輸出通道。

在本發明的一實施例中，上述的訊號接收電路包括空間 濾波電路及放大器電路。空間濾波電路用以對透過訊號通道接收的腦電波訊號進行類比式空間濾波處理。放大器電路耦接空間濾波電路，並用以對經類比式空間濾波處理的腦電波訊號進行濾波放大處理。

在本發明的一實施例中，上述的處理模組計算各訊號通道之運動想像前腦電波訊號及運動想像中腦電波訊號的平均能量，依據運動想像前腦電波訊號的平均能量及運動想像中腦電波訊號的平均能量計算訊號通道的腦波律動值，比較對應於各訊號感測模組的訊號通道的腦波律動值，並藉以自各訊號感測模組中選擇這些訊號感測器的其中一者對應的訊號通道，且將選擇的訊號通道作為輸出通道的其中一者。

在本發明的一實施例中，上述的處理模組自各訊號感測模組對應的訊號通道中，選擇運動想像中腦電波訊號的平均能量與對應的運動想像前腦電波訊號的平均能量間差異最大者，並將此差異最大者作為輸出通道中的其中一者。

在本發明的一實施例中，更包括無線通訊模組。無線通訊模組耦接處理模組，並用以無線傳送對應於輸出通道的部份腦電波訊號。

另一觀點而言，本發明提出一種腦機介面系統，包括腦電波處理裝置及後端電子裝置。腦電波處理裝置透過腦電波處理裝置的訊號感測模組中的數個訊號感測器來感測腦電波訊號，對透過訊號通道接收的腦電波訊號執行類比式空間濾波處理，且比 較經類比式空間濾波處理的腦電波訊號以自訊號通道中選擇輸出通道。後端電子裝置用以接收透過輸出通道輸出的部份腦電波訊號，並對部份腦電波訊號進行運算處理。

在本發明的一實施例中，上述的腦電波處理裝置包括空間濾波電路及放大器電路。空間濾波電路用以對透過訊號通道接收的腦電波訊號進行類比式空間濾波處理。放大器電路耦接空間濾波電路，並用以對經類比式空間濾波處理的腦電波訊號進行濾波放大處理。

在本發明的一實施例中，上述的空間濾波電路包括加法器電路、類比開關及儀表放大器。加法器電路用以計算全部的腦電波訊號之平均值。類比開關耦接加法器電路，並用以切換是否輸出平均值。儀表放大器耦接類比開關，並用以將各腦電波訊號減去平均值。

在本發明的一實施例中，上述的腦電波處理裝置計算各訊號通道之運動想像前腦電波訊號及運動想像中腦電波訊號的平均能量，依據運動想像前腦電波訊號的平均能量及運動想像中腦電波訊號的平均能量計算訊號通道的腦波律動值，比較對應於各訊號感測模組的訊號通道的腦波律動值，並藉以自各訊號感測模組中選擇這些訊號感測器的其中一者對應的訊號通道，且將選擇的訊號通道作為輸出通道的其中一者。

在本發明的一實施例中，上述的腦電波處理裝置自各訊號感測模組對應的訊號通道中，選擇運動想像中腦電波訊號的平 均能量與對應的運動想像前腦電波訊號的平均能量間差異最大者，並將此差異最大者作為輸出通道中的其中一者。

在本發明的一實施例中，上述的腦電波處理裝置無線傳送對應於輸出通道的部份腦電波訊號至後端電子裝置。

基於上述，本發明實施例中的腦電波處理裝置是先將接收的腦電波訊號進行類比式空間濾波處理，再進行通道選擇以決定輸出通道，並將後續接收的腦電波訊號僅選擇輸出通道對應的部份腦電波訊號輸出至後端電子裝置(例如，平板電腦、筆記型電腦、行動手機或其他可持式裝置)。藉此，便能大幅減少傳輸至後端電子裝置的資料量，進而減少後端電子裝置的運算量。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10、20‧‧‧腦機介面系統

110、210、450‧‧‧腦電波處理裝置

111、311、312、411‧‧‧訊號感測模組

111₁~111_m、311a~311d、312a~312d‧‧‧訊號感測器

113、453‧‧‧訊號接收電路

115、455‧‧‧無線通訊模組

117、457‧‧‧處理模組

150‧‧‧後端電子裝置

250‧‧‧筆記型電腦

270‧‧‧使用者

410‧‧‧腦電波感測裝置

435_1、535_3‧‧‧類比開關

435_3‧‧‧空間濾波電路

435_4‧‧‧前端放大器電路

435_5‧‧‧放大器

435_6‧‧‧高通濾波器

435_9‧‧‧阻抗測試電路

453‧‧‧訊號接收電路

455‧‧‧無線通訊模組

457‧‧‧處理模組

457_1‧‧‧類比至數位轉換器

457_5‧‧‧訊號處理電路

535_1‧‧‧加法器電路

535_2‧‧‧運算放大器

535_5‧‧‧參考電極

535_6‧‧‧儀表放大器

S610~S650‧‧‧步驟

701‧‧‧停止符號

703‧‧‧左箭頭符號

705‧‧‧右箭頭符號

v₁~v_n、v_1,CAR~v_n,CAR‧‧‧腦電波訊號

R₁~R_N、R_A、R_B‧‧‧電阻

V_ref‧‧‧平均值

F3、P4、C3、C4、O1、O2、P3、F4、C_Z‧‧‧位置

MODE1~MODE3‧‧‧模式

圖1是依據本發明一實施例說明一種腦機介面系統的方塊圖。

圖2是腦機介面系統的範例。

圖3A是腦電波處理裝置的範例。

圖3B是圖3A中訊號感測器於頭皮的位置示意圖。

圖4是圖1之腦電波處理裝置的細部方塊圖。

圖5是空間濾波電路及前端放大器電路之細部電路方塊圖。

圖6是依據本發明一實施例說明輸出通道的選擇方法流程圖。

圖7是一個訓練週期內訓練指示的範例。

在腦機介面的技術中，運動想像(motor imagery；MI)可視為無須任何實際運動輸出的運動動作之神經控制，其是基於感測運動想像或運動所產生的事件相關同步(event-related synchronization；ERS)及事件相關非同步(event-related desynchronization；ERD)之腦波律動(rhythm)(例如，μ律動(8-13赫茲(Hz))、β律動(13-30Hz))值。另一方面，諸如共平均參考(common average reference；CAR)、拉普拉斯微分(laplacian derivation)、獨立成份分析(independent component analysis；ICA)及共空間模式(common spatial pattern；CSP)等多種類型的空間濾波器已廣泛應用於增強相關於運動想像或運動的腦電波(EEG)特徵，其可增強特定腦電波特徵在本地空間分佈的訊雜比(signal-to-noise ratio；SNR)。據此，本發明實施例的腦機介面系統即是在前端腦電波處理裝置結合類比式空間濾波器及運動想像技術，以進行空間濾波處理及通道選擇，進而將後續接收的腦電波訊號僅選擇輸出通道對應的部份腦電波信號傳送至後端電子裝置(例如，平板電腦、筆記型電腦、行動手機或其他可持式裝置)，並藉以減少傳輸量及後端運算量。以下提出符合本發明之精神的 多個實施例，應用本實施例者可依其需求而對這些實施例進行適度調整，而不僅限於下述描述中的內容。

圖1是依據本發明一實施例說明一種腦機介面系統的方塊圖。請參照圖1，腦機介面系統10包括腦電波處理裝置110及後端電子裝置150。後端電子裝置150可以是桌上型電腦、筆記型電腦(例如，圖2的筆記型電腦250)、智慧型手機、平板電腦等電子裝置。舉例而言，圖2是腦機介面系統的範例。請參照圖2，腦機介面系統20包括使用者270頭部配戴的腦電波處理裝置210及筆記型電腦250。需說明的是，圖2中腦電波處理裝置210僅為範例，在其他實施例中，腦電波處理裝置210可能具有不同樣式及大小，本發明不以此為限。

腦電波處理裝置110包括數個訊號感測模組111、訊號接收電路113、無線通訊模組115及處理模組117。各訊號感測模組111包括數個訊號感測器(例如，訊號感測器111₁~111_m，m為正整數)，且這些訊號感測器用以感測腦電波訊號。訊號感測器111₁~111_m可以是任何形狀之乾電極(dry electrode)、非接觸電極或塗上導電膠(electrically conductive adhesive)之傳統腦電極等感測腦電波訊號的感測器。

舉例而言，圖3A是腦電波處理裝置的範例。請參照圖3A，腦電波處理裝置310中配置兩組訊號感測模組311、312的主體例如是設計成方便頭部配戴的可穿戴式(wearable)機構設計，此可穿戴式機構設計例如可由四個可調整的帶狀物所構成，而訊 號感測模組311、312分別包括訊號感測器311a~311d、312a~312d。訊號感測器311a~311d、312a~312d例如是主動式針狀乾電極。請接著參照圖3B，圖3B是圖3A中訊號感測器311a~311d、312a~312d於頭皮的位置示意圖。訊號感測模組311的訊號感測器311a~311d例如分別設置於右腦區域的位置F4、C4、P4及O2，而訊號感測模組312的訊號感測器312a~312d例如分別設置於左腦區域的位置F3、C3、P3及O1。需說明的是，圖3A的可穿戴式機構設計及圖3B的訊號感測器311a~311d、312a~312d的位置僅為範例，在其他實施例中，圖3A可能是不同樣式的機構設計，而訊號感測器311a~311d、312a~312d可能具有不同數量、大小及位置，且本發明實施例不以此為限。

訊號接收電路113耦接訊號感測模組111。在一實施例中，訊號接收電路113包括空間濾波電路及放大器電路。空間濾波電路用以對透過訊號通道接收的腦電波訊號進行類比式空間濾波處理(例如，共平均參考(CAR)、拉普拉斯微分等)。放大器電路耦接空間濾波電路，並用以對經類比式空間濾波處理的腦電波訊號進行濾波放大處理。詳細敘述待稍後實施例說明。

無線通訊模組115例如是至少支援藍芽(Bluetooth)、紅外線(infrared ray；IR)、WiFi、近場通訊(near field communication；NFC)、射頻識別(radio frequency identification；RFID)或其他具備無線傳輸功能其中之一或其組合的任何類型無線通訊模組。無線通訊模組115無線傳送腦電波訊號，其詳細敘述待稍後實施 例說明。

處理模組117例如是中央處理器(central processing unit；CPU)，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(microprocessor)、數位訊號處理器(digital signal processor；DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(application specific integrated circuit；ASIC)、系統單晶片(system on chip；SoC)或其他類似元件或上述元件的組合。處理模組117耦接訊號接收電路113及無線通訊模組115。處理模組117用以進行通道選擇、類比至數位轉換處理等訊號處理功能以及執行訓練程序(例如，儲存於韌體(firmware)中，並由處理模組117載入韌體以執行功能)，其詳細敘述待稍後實施例說明。

舉例而言，圖4是圖1之腦電波處理裝置110的細部方塊圖。請參照圖4，腦電波處理裝置110包括腦電波感測裝置410及訊號處理電路450。腦電波感測裝置410包括數個訊號感測模組411。訊號處理電路450包括訊號接收電路453、處理模組457及無線通訊模組455。

訊號接收電路453包括類比開關435_1、空間濾波電路435_3、數個包括放大器435_5(例如，儀表放大器(instrumentation amplifier))及高通濾波器(high-pass filter；HPF)435_6的前端放大器電路435_4及阻抗測試電路435_9。類比開關435_1用以對訊號感測模組411所接收的腦電波訊號進行不同模式的切換。例如，模式MODE1為腦電波訊號不經過空間濾波電路435_3，模式 MODE2為腦電波訊號經過空間濾波電路435_3，而模式MODE3為皮膚電極接觸面之阻抗測試(例如是經過阻抗測試電路435_9)。

在一實施例中，空間濾波電路435_3為共平均參考空間濾波器。舉例而言，圖5是空間濾波電路435_3及前端放大器電路435_4之細部電路方塊圖。請參照圖5，空間濾波電路435_3包括加法器電路535_1、類比開關535_3、參考電極535_5及儀表放大器535_6(例如，圖4的放大器435_5)。分別透過N個訊號通道(N為正整數)接收的腦電波訊號v₁~v_n分別經過電阻R₁~R_N，而電阻R₁~R_N用以決定未經處理之腦電波訊號的權重。

利用運算放大器535_2組成的加法器電路535_1用以加總N個訊號通道的腦電波訊號，以計算全部N個訊號通道的腦電波訊號v₁~v_n之平均值。因此，在運算放大器535_2的輸出端可得到所有輸入腦電波訊號的平均值V_ref。其中，加法器電路535_1中的電阻R_A、R_B用以調整加法器電路535_1的增益(gain)。此外，類比開關535_3耦接加法器電路535_1，其用以切換是否輸出加法器電路535_1所計算之平均值，即，平均值V_ref與參考電極535_5(即，不使用平均值V_ref)之間作切換。接著，在前端放大器電路435_4中的儀表放大器535_6將各腦電波訊號v₁~v_n減去所有腦電波訊號v₁~v_n的平均值(即，平均值V_ref)，並得到空間濾波處理後的腦電波訊號v_i,CAR(t),i=1,2,3,...,N。

舉例而言，請同時參照圖4及圖5，訊號接收電路113例如是可透過下方公式(1)來計算第i個訊號通道在時間t時空間 濾波後的腦電波訊號v _i,CAR (t)。

在其他實施例中，本發明實施例訊號接收電路113亦可透過拉普拉斯微分、獨立成份分析(ICA)及共空間模式(CSP)等空間濾波技術來對腦電波訊號進行空間濾波處理，且本發明不以此為限。

此外，阻抗測試電路435_9是用以利用皮膚電極接觸面之阻抗測試，以監測腦電波感測裝置410中各訊號感測模組411與接觸物(例如，頭皮)間是否正常接觸，從而避免雜訊的產生。

接著，請繼續參照圖4，前端放大器電路435_4的個數可分別對應至訊號通道之數量，以分別將各訊號通道的腦電波訊號透過放大器435_5進行放大處理，且透過高通濾波器435_6進行濾波處理。處理模組457包括類比至數位轉換器(analog-to-digital converter；ADC)457_1及訊號處理電路457_5。類比至數位轉換器457_1例如是利用取樣率為512、1024、2048等赫茲(Hz)而將類比腦電波訊號進行12、16或20等位元的數位轉換。訊號處理電路457_5例如是執行通道選擇功能，以選擇最具顯著反應的訊號通道，其詳細步驟待稍後實施例說明。

為了幫助理解本發明的操作流程，以下將舉一實施例說明本發明實施例輸出通道的選擇方法。圖6是依據本發明一實施例說明一種輸出通道的選擇方法流程圖。請參照圖6，本實施例的 選擇方法適用於圖1的腦機介面系統10，且亦可作為程式碼、軟體或韌體形式，而此程式碼、軟體或韌體儲存於腦電波處理裝置110的儲存單元(未繪示)(例如，動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory，簡稱DRAM)、靜態隨機存取記憶體(staic random access memory，簡稱SRAM)等)中，且處理模組117可載入此程式碼、軟體或韌體以執行輸出通道的選擇方法。下文中，將搭配腦機介面系統10中的各項元件說明本發明實施例所述之處理方法。本方法的各個流程可依照實施情形而隨之調整，且並不僅限於此。

在步驟S610中，處理模組117提供對應於腦電波處理裝置110的訊號感測模組111的訓練指示。具體而言，在運動想像基礎的腦電波分析處理中，人們可透過偵測例如是左腦部份與右腦部份所反應的事件相關同步(ERS)及事件相關非同步(ERD)之腦波律動(例如，μ律動、β律動等)值，而得知受檢測者是想像左方或右方之運動想像或實際運動。例如，受檢測者舉起左手，則右腦部份可偵測到明顯反應的事件相關同步及事件相關非同步之腦波律動。或者，受檢測者以右手拿取物品，則左腦部份可偵測到明顯反應的事件相關同步及事件相關非同步之腦波律動。

而為了要分別檢測右腦部份及左腦部份的腦電波訊號，本發明實施例的訊號感測模組例如是配置成圖3B般，分別在對應於左腦部份配置訊號感測模組312以及在對應於右腦部份配置訊 號感測模組311。然而，不同受檢測者所偵測出明顯反應的事件相關同步及事件相關非同步之腦波律動的位置並不相同。例如，以圖3B為範例，受檢測者A在位置O2偵測到的事件相關同步腦波律動值較位置F4、C4及P4所偵測的還高，而受檢測者B在位置C4偵測到的事件相關同步腦波律動值較位置F4、O2及P4所偵測的還高。若為了減低後端電子裝置150的運算量而減少訊號感測器111₁~111_m的數量，則僅在一個或兩個特定位置上配置的訊號感測器111₁~111_m將不適用於所有的受檢測者。

據此，本發明實施例便是透過訓練程序來紀錄反應於不同腦部區域(例如，左腦部份、右腦部份等)的腦波律動，並自所有紀錄的腦電波訊號中選擇反應最為明顯的腦波律動對應的訊號通道，從而透過訓練程序來決定適用於不同受檢測者的組態設定(例如，選擇將位置C4上的訊號檢測器311b及位置O1上的訊號檢測器312d所對應的訊號通道作為輸出通道，並將後續接收的腦電波訊號僅選擇輸出通道所對應的部份腦電波訊號進行輸出)。

在一實施例中，腦電波處理裝置110可包括內建或外接的液晶顯示器(liquid crystal display；LCD)、有機電激發光顯示器(organic electro-luminescent display；OELD)等顯示器、具備至少一個發光二極體(light emitting diode；LED)的燈光模組及具備單聲道或立體聲揚聲器的揚聲器模組其中之一或其組合(未繪示於圖)。

在一個訓練程序的範例中，假設腦電波處理裝置110外 接液晶顯示器，處理模組117可每隔特定訓練週期(例如，10秒、15秒等)在液晶顯示器上顯示左箭頭或右箭頭。例如，圖7是一個訓練週期內訓練指示的範例。請參照圖7，假設一個訓練週期時間為10秒，0~4秒中，處理模組117將停止標示(例如，停止符號701)顯示於液晶顯示器上。4~7秒中，處理模組117將方向標示(例如，左箭頭符號703及右箭頭符號705)顯示於液晶顯示器上。而7~10秒中，液晶顯示器不顯示標示。需說明的是，本發明實施例不侷限於訓練序列(例如，第一訓練週期時間指示右箭頭符號、第二訓練週期時間指示左箭頭符號等)，端視設計需求可對訓練序列進行變動。

在另一個訓練程序的範例中，假設腦電波處理裝置110外接燈光模組，處理模組117可提供不同顏色(例如，紅色及綠色等)、閃爍頻率(例如，60Hz、120Hz等)、位置(例如，兩個發光二極體)的燈光，以分別指示左方及右方(例如，紅色代表左方，綠色燈代表右方等)。

再一訓練程序的範例中，假設腦電波處理裝置110內建揚聲器模組，處理模組117可提供不同音色、音調、音量、語音提示等方式，以分別指示左方及右方(例如，發出“左邊”的語音提示代表左方，發出“右邊”的語音提示代表右方等)。

需說明的是，本發明實施例不僅限於偵測左腦部份及右腦部份兩個區域，端視設計需求，訊號感測器111₁~111_m可設置於圖3B中任何位置，處理模組117亦可提供對應於不同腦部位置 的特定訓練指示(例如，影像、聲音等)，本發明實施例不受限於此訓練指示的內容。

在步驟S630中，訊號接收電路113取得腦電波訊號經類比式空間濾波處理且對應於訓練指示的訓練資料。訊號接收電路113對腦電波訊號進行類比式空間濾波處理以及濾波放大處理的詳細說明可參照圖4之相關說明，於此不再贅述。

在步驟S650中，處理模組117依據訓練資料分別自各訊號感測模組111中選擇訊號感測器111₁、111₂…或111_m的其中一者對應的訊號通道。在一實施例中，訓練資料包括對應於各訊號感測模組111的訊號通道之運動想像前腦電波訊號與運動想像中腦電波訊號。而處理模組117更計算各訊號通訊之運動想像前腦電波訊號及運動想像中腦電波訊號的平均能量，依據運動想像前腦電波訊號的平均能量及運動想像中腦電波訊號的平均能量計算訊號通道的腦波律動值，比較對應於各訊號感測模組111的訊號通道的腦波律動值，並藉以自各訊號感測模組111中選擇這些訊號感測器111₁、111₂…或111_m的其中一者對應的訊號通道，且將選擇的訊號通道作為輸出通道的其中一者。

舉例而言，以圖7為範例，處理模組117計算各訓練週期(即，圖7中10秒為一個訓練週期時間)中例如是前四秒所偵測到的腦電波訊號可對應至運動想像前腦電波訊號，而4~7秒所偵測到的腦電波訊號可對應至運動想像中腦電波訊號。接著，處理模組117便可計算各訓練週期中前四秒過程各訊號通道所偵測 到的腦電波訊號的平均能量，並將運動想像前腦電波訊號的平均能量做為基線(baseline)，且計算各訓練週期中4~7秒過程各訊號通道所偵測到的腦電波訊號的平均能量，並將運動想像中腦電波訊號的平均能量作為事件相關非同步腦波律動的特徵。

之後，處理模組117可透過下方公式(2)來計算事件相關非同步腦波律動的量化值： 其中，Power _ERD 及Power _baseline 分別代表訓練週期中運動想像中腦電波訊號(例如，圖7中訓練週期中4~7秒過程各訊號通道所偵測到的腦電波訊號的平均能量)的平均能量及運動想像前腦電波訊號的平均能量(例如，圖7中訓練週期中前四秒過程各訊號通道所偵測到的腦電波訊號的平均能量)。

在一實施例中，處理模組117自各訊號感測模組111對應的訊號通道中，選擇運動想像中腦電波訊號的平均能量與對應的運動想像前腦電波訊號的平均能量間差異最大者，並將此差異最大者作為輸出通道中的其中一者。具體而言，由上述公式(2)可計算出事件相關非同步腦波律動的量化值，而由此量化值亦得知運動想像中腦電波訊號的平均能量與對應的運動想像前腦電波訊號的平均能量間的差異。並且，由於本案實施例係要找出反應最為明顯的腦波律動值所對應的訊號通道，因此處理模組117便可選擇差異最大者所對應的訊號通道作為輸出通道。

舉例而言，依據公式(2)，假設用於左方想像及右方想像的第i個訊號通道的ERD量化值可分別標示成ERD_L,i及ERD_R,i。而用於左方想像及右方想像最佳通道則可藉由分別尋找ERD_L,i及ERD_R,i的最小值，如公式(3)及公式(4)：CH_L=find(i==min(ERD_L,i)) (3)

CH_R=find(i==min(ERD_R,i)) (4)其中find()的函式是用以尋找元素的指標(index)。

處理模組117經過完成所有通道選擇程序後，便將能提供ERD之最小平均量化值的訊號通道(例如，分別對應於左耳與右耳的訊號通道)作為輸出通道。

在其他範例中，處理模組117亦可依據事件相關同步(ERS)腦波律動的特性，計算出ERS量化值，並藉以選擇輸出通道。

接著，處理模組117便可將後續接收腦電波訊號僅選擇輸出通道對應的部份腦電波訊號進行輸出。具體而言，由於步驟S650中處理模組117可計算出各訊號感測模組111中最具明顯反應的腦電波訊號對應的訊號通道，因此處理模組117僅將這些受選擇的輸出通道對應的腦電波訊號輸出。例如，將圖3B中位置P4對應的訊號通道所感測的腦電波訊號作為右腦部份的腦電波訊號，而將圖3B中位置F3對應的訊號通道所感測的腦電波訊號作為左腦部份的腦電波訊號，因此最後僅有兩個訊號通道的腦電波訊號會被輸出。也就是說，處理模組117最後選擇用以輸出腦電 波訊號的訊號通道與訊號感測模組111之個數相同。藉此，便能大幅降低輸出至後端電子裝置150的傳輸量。

在一實施例中，處理模組117可透過無線通訊模組115無線傳送對應於輸出通道的部份腦電波訊號至後端電子裝置150(例如，圖1的後端電子裝置150、圖2的筆記型電腦250)。接著，後端電子裝置150接收透過輸出通道輸出的部份腦電波訊號，並對這些部份腦電波訊號進行運算處理(例如，顯示、儲存及分析處理等)。

需說明的是，後端電子裝置150可包括支援相同或相似無線通訊技術的無線通訊模組，以透過無線傳輸方式與腦電波處理裝置110相互傳送資料。而在其他實施例中，腦電波處理裝置110亦可透過有線方式(例如，內部積體電路(inter-integrated circuit；I2C)介面、串列周邊介面(derial peripheral interface；SPI)、通用型非同步收發器(universal asynchronous receiver-transmitter；UART)或通用序列匯流排(universal serial bus；USB)等)，將對應於選擇的訊號通道的部份腦電波訊號傳送至後端電子裝置150。

綜上所述，本發明實施例的所述腦電波處理裝置及腦機介面系統，透過類比空間濾波處理器將各訊號感測模組所接收的腦電波訊號進行空間濾波處理，再經由通道選擇來決定最具明顯反應的腦電波訊號對應的訊號通道，並將後續接收的腦電波訊號僅選擇輸出通道對應的部份腦電波訊號透過無線傳輸傳送至後端 電子裝置。藉此，本發明實施例在前端腦電波處理裝置結合類比式空間濾波處理及通道選擇功能，除了能透過空間濾波處理增強腦電波訊號的特徵而提高準確率，通道選擇功能亦可減少參與運算之通道數量，更能有效減少腦機介面系統傳輸及後端電腦運算的負擔。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧腦電波處理裝置

410‧‧‧腦電波感測裝置

411‧‧‧訊號感測模組

435_1‧‧‧類比開關

435_3‧‧‧空間濾波電路

435_4‧‧‧前端放大器電路

435_5‧‧‧放大器

435_6‧‧‧高通濾波器

435_9‧‧‧阻抗測試電路

450‧‧‧腦電波處理裝置

453‧‧‧訊號接收電路

455‧‧‧無線通訊模組

457‧‧‧處理模組

457_1‧‧‧類比至數位轉換器

457_5‧‧‧訊號處理電路

Claims (10)

1. 一種腦電波處理裝置，包括：多個訊號感測模組，其中各該些訊號感測模組包括多個訊號感測器，且該些訊號感測器用以感測多個腦電波(electroencephalogram；EEG)訊號；一訊號接收電路，耦接該些訊號感測模組，包括：一空間濾波電路，用以對透過多個訊號通道接收的該些腦電波訊號執行一類比式空間濾波處理，且包括：一加法器電路，用以計算全部的該些腦電波訊號之平均值；一類比開關，耦接該加法器電路，用以切換是否輸出該平均值；以及一儀表放大器，耦接該類比開關，用以將各該些腦電波訊號減去該平均值；以及一處理模組，耦接該訊號接收電路，其中該處理模組接收經該類比式空間濾波處理的該些腦電波訊號，並比較該些腦波訊號以自該些訊號通道中選擇多個輸出通道。
2. 如申請專利範圍第1項所述的腦電波處理裝置，其中該訊號接收電路包括：多個放大器電路，耦接該空間濾波電路，用以對經該類比式空間濾波處理的該些腦電波訊號進行一濾波放大處理。
3. 如申請專利範圍第1項所述的腦電波處理裝置，其中該處 理模組計算各該些訊號通道之運動想像前腦電波訊號及運動想像中腦電波訊號的平均能量，依據該運動想像前腦電波訊號的該平均能量及該運動想像中腦電波訊號的該平均能量計算該些訊號通道的腦波律動值，比較對應於各該些訊號感測模組的該些訊號通道的該腦波律動值，並藉以自各該些訊號感測模組中選擇該些訊號感測器的其中一者對應的該訊號通道，且將選擇的該訊號通道作為該些輸出通道的其中一者。
4. 如申請專利範圍第3項所述的腦電波處理裝置，其中該處理模組自各該些訊號感測模組對應的該些訊號通道中，選擇該運動想像中腦電波訊號的該平均能量與對應的該運動想像前腦電波訊號的該平均能量間差異最大者，並將該差異最大者作為該些輸出通道中的其中一者。
5. 如申請專利範圍第1項所述的腦電波處理裝置，更包括：一無線通訊模組，耦接該處理模組，用以無線傳送對應於該些輸出通道的部份該些腦電波訊號。
6. 一種腦機介面(brain computer interface；BCI)系統，包括：一腦電波處理裝置，透過該腦電波處理裝置的多個訊號感測模組中的多個訊號感測器來感測多個腦電波訊號，藉由該腦波處理裝置的一空間濾波電路對透過多個訊號通道接收的該些腦電波訊號執行一類比式空間濾波處理，且比較經該類比式空間濾波處理的該些腦波訊號以自該些訊號通道中選擇多個輸出通道，其中 該空間濾波電路包括：一加法器電路，用以計算全部的該些腦電波訊號之平均值；一類比開關，耦接該加法器電路，用以切換是否輸出該平均值；以及一儀表放大器，耦接該類比開關，用以將各該些腦電波訊號減去該平均值；以及一後端電子裝置，用以接收透過該些輸出通道輸出的部份該些腦電波訊號，並對部份該些腦電波訊號進行運算處理。
7. 如申請專利範圍第6項所述的腦機介面系統，其中腦電波處理裝置包括：多個放大器電路，耦接該空間濾波電路，用以對經該類比式空間濾波處理的該些腦電波訊號進行一濾波放大處理。
8. 如申請專利範圍第7項所述的腦機介面系統，其中該腦電波處理裝置計算各該些訊號通道之運動想像前腦電波訊號及運動想像中腦電波訊號的平均能量，依據該運動想像前腦電波訊號的該平均能量及該運動想像中腦電波訊號的該平均能量計算該些訊號通道的腦波律動值，比較對應於各該些訊號感測模組的該些訊號通道的該腦波律動值，並藉以自各該些訊號感測模組中選擇該些訊號感測器的其中一者對應的該訊號通道，且將選擇的該訊號通道作為該些輸出通道的其中一者。
9. 如申請專利範圍第8項所述的腦機介面系統，其中該腦電 波處理裝置自各該些訊號感測模組對應的該些訊號通道中，選擇該運動想像中腦電波訊號的該平均能量與對應的該運動想像前腦電波訊號的該平均能量間差異最大者，作為該些輸出通道中的其中一者。
10. 如申請專利範圍第6項所述的腦機介面系統，其中該腦電波處理裝置無線傳送對應於該些輸出通道的部份該些腦電波訊號至該後端電子裝置。