專利名稱：基于腦電穩態誘發響應的控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于腦電穩態誘發響應的控制裝置，屬自動控制技術領域。
基于腦電穩態誘發響應的控制裝置是在人腦與計算機或其它電子設備之間建立的直接的交流和控制通道。通過這種通道，人就可以直接通過人腦來表達想法或操縱設備，而不需要通過語言或肢體的動作。
基于腦電穩態誘發響應的控制裝置和那些普通的人機接口的主要差別在于，前者不需要任何種類的肌肉響應，只需要檢測反映腦的響應性或目的性活動的信號。
已有的實現基于腦電穩態誘發響應的控制裝置的比較直接的方法有(1)利用眼部運動控制alpha波alpha波是自發腦電信號中一種特定頻率成分的信號。當眼球向上翻時，alpha波的幅度會變大；而睜眼注視面前的物體或閉眼注視前方一個想象中的點可以使alpha波的幅度變小或阻斷alpha波。基于這個現象，就可以通過睜眼或閉眼來產生或減小alpha波，然后通過區分alpha波的大小來實現某種控制功能。
(2)基于事件相關腦電信號的方法例如，在人的自主運動發生之前，腦電中存在與該運動關聯的稱為事件相關去同步的成分，它本質上是一種誘發腦電信號。人們可在記錄的腦電信號中識別事件相關信號，并利用它去實現某種控制。
(3)基于自主控制腦電信號的方法這種思路建立在操作性條件反射基礎上，認為人可以通過生物反饋來學習控制腦電信號的某些成分。通過自主控制產生相應的腦電信號，以實現某些控制。
(4)基于誘發腦電信號的方法這種方法的基本做法是給受試者以某種刺激，記錄不同刺激下誘發的腦電信號，加以識別，然后用識別出的信號實現某種控制。
腦電信號是一種非常微弱的電生理信號。因此，要想借助腦電信號實現某種控制是非常困難的。特別是要在控制中達到較高的正確率，并保證有實時控制的效果，這就更加不容易。上述方法在判斷的正確率與實時的效果方面都存在問題。用上述方法的判斷正確率雖然優于隨便猜測的正確率，但離實際應用都有相當遠的距離。
本發明的目的是提供一種可靠的基于腦電穩態誘發響應的控制裝置，它不僅能達到很高的判斷正確率，而且能保證在使用中的實時性。
本發明的基于腦電穩態誘發響應的控制裝置，包括以下各部分(1)閃光刺激器，為一光源，閃爍的頻率控制在4-25赫茲；(2)電極，置于人體腦部，記錄人體視覺經燈光刺激后產生的腦電信號；(3)腦電信號放大器，將腦電信號通過頭皮電極引入后，進行放大；(4)頻率分析器，將放大后的腦電信號經A/D轉換后，對腦電進行預處理，分析出能量的頻率值，并將其與閃光刺激器的閃爍頻率相比較，判斷出對應的動作，最后對控制設備發出控制信號。
本發明的優點及用途是(1)為思維正常但有運動功能障礙的人提供一種對外界環境進行交流和控制的途徑。例如，他們可以通過人腦-計算機接口來控制自己的輪椅、功能性電刺激系統或計算機。
(2)為人們提供一種在特殊環境下附加的控制外界設備的途徑。如高加速度下的飛行員等；(3)為人們提供一種全新的娛樂方式。如用思維玩電子游戲，合成音樂等。
圖1是本發明的結構框圖。
圖2是閃光刺激器的電路圖。
圖3是腦電信號放大器的電路圖。
圖4是頻率放大器程序框圖。
下面結合附圖，詳細介紹本發明的內容。圖1所示是本發明的結構框圖。其信號處理過程是頻率分析器給出閃光刺激器的閃爍頻率，人體腦部的電極記錄人體視覺，經燈光刺激后產生的腦電信號，并通過頭皮電極引入腦電放大器，Vout為放大后的腦電信號。放大后的腦電信號經A/D后輸入微處理器或數字信號處理器(DSP)系統，處理系統進行如下軟件處理1).對腦電進行預處理，濾除干擾(如工頻，肌電，基線)。
2).頻率分析器分析出能量的頻率值(fmax)。
3).根據fmax和閃光刺激器的閃爍頻率，判斷出對應的控制動作，最后對被控制設備發出控制信號。
閃光刺激器是按一定頻率閃爍的光源。它可以是閃光燈、其他有一定亮度的光源。或者是計算機屏幕上閃爍的光斑。閃爍的頻率控制在4赫茲到25赫茲之間。圖2是閃光刺激器的電路圖。輸入信號是一個1MHz的方波信號，由一片可編程器件EPM7128SLC84產生4種不同頻率的脈沖信號。這4路脈沖信號經過74LS373驅動后送到輸出電路，該電路由一片MC1413和4個發光二極管組成。最后的結果是4個發光二極管L1～L4分別按一定的頻率進行閃爍。
電生理實驗證明，當給人體的視覺系統一定頻率的燈光刺激時，只要受試者的視覺系統是健康的，就可以在受試者的枕部頭皮上記錄到特征明顯的誘發腦電信號。記錄信號的特征主要表現在頻率域上，即記錄信號中有明顯的刺激頻率及其諧波成分。例如，刺激頻率(即燈光的閃爍頻率)為8赫茲，則在記錄到的腦電信號中就會發現明顯的8赫茲與16赫茲的成分。
因為記錄到的腦電信號非常微弱，因此在進行特征識別之前必需將其放大。放大后的腦電信號由模擬/數字轉換器轉換為數字信號，然后就可以送入計算機作進一步的分析與特征提取工作。圖3是典型的腦電信號放大器，它是由若干個運算放大器組成的典型的電生理信號放大器。放大器的主要參數是增益1000-4000，通帶1-30Hz。
考慮到誘發腦電中包含刺激頻率及其諧波成分，為了要得到這些頻率成分就必需對信號做頻譜分析，這就是頻率分析器的功能。
由于計算機的廣泛使用，頻譜分析通常是由計算機完成的，回此，這是一個數字信號處理的過程。用于完成頻譜分析的算法是快速傅里葉變換法(Fast FourierTransform，簡稱FFT)，它的計算公式是X(k)=Σn=0N-1x(n)·(e-j2πN)nk]]>上式中x(n)是數字化的腦電信號，n＝0～N-1；X(k)就是x(n)的離散傅里葉變換，k＝0～N-1。
為了實現不同要求的控制，可以設計燈光刺激器以不同的頻率閃爍。當受試者根據需要注視某一個閃爍燈時，其誘發腦電中就應該包含該閃爍燈閃爍的頻率及其諧波成分。只要能從頻率分析器中分辨出不同的頻率成分，就可以實現相應的控制。圖4是頻率分析器的程序框圖，經過放大后的腦電信號被送入計算機、微處理器或數字信號處理器(DSP)系統完成頻譜分析，得到相應的頻率成分，再通過計算機編程實現對鼠標的控制。
本發明的基于腦電穩態誘發響應的控制裝置的一個典型應用是供殘疾人實現對周圍環境的控制，例如，開/關燈、開/關電視、開/關風扇等。由信號分析器的輸出，我們能得知受試者注視哪一個閃爍燈，于是也就知道他想完成的控制。只要把這一信息傳給環境控制器，接通相應的電路，就可以實現對周圍電器的控制。
作為一個實施的例子，已在實驗室完成了利用視覺誘發電位控制計算機鼠標的實驗。
首先在計算機屏幕上設計了一個模擬鼠標，在計算機旁邊放著一個刺激盒。盒子上安裝著4個分別按不同頻率閃爍的發光二極管，表示往4個不同方向的控制。實驗的過程中只要受試者注視特定的發光二極管，他的腦電信號中就會出現某一頻率的特征。由腦電信號分析器采集受試者的誘發腦電信號，并進行分析就可以識別出受試者所注視的目標。再把分析結果送到計算機中，用軟件控制計算機鼠標向既定的方向移動。
實驗中所用的腦電信號分析器是一臺現成的腦電圖機，腦電圖機主要由腦電放大器組成。實驗獲得了成功。不同的受試者都能用同樣方法達到既定的目的。鼠標移動平穩，移動的速度已經達到了實際使用的要求。
權利要求
1.一種基于腦電穩態誘發響應的控制裝置，其特征在于，該裝置包括(1)閃光刺激器，為一光源，閃爍的頻率控制在4-25赫茲；(2)電極，置于人體腦部，記錄人體視覺經燈光刺激后產生的腦電信號；(3)腦電信號放大器，將腦電信號通過頭皮電極引入后，進行放大；(4)頻率分析器，將放大后的腦電信號經A/D轉換后，對腦電進行預處理，分析出能量的頻率值，并將其與閃光刺激器的閃爍頻率相比較，判斷出對應的動作，最后對控制設備發出控制信號。
全文摘要
本發明涉及一種基于腦電穩態誘發響應的控制裝置,包括閃光刺激器,電極,腦電信號放大器和頻率分析器。人對閃光刺激產生的腦電信號經放大、A/D轉換后,對腦電進行預處理,分析出能量的頻率值,并將其與閃光刺激器的閃爍頻率相比較,判斷出對應的動作,最后對控制設備發出控制信號。本發明的優點及用途是:為思維正常但有運動功能障礙的人提供一種對外界環境進行交流和控制的途徑。
文檔編號A61B5/0476GK1248426SQ9912216
公開日2000年3月29日 申請日期1999年10月29日 優先權日1999年10月29日
發明者高小榕, 高上凱 申請人:清華大學