專利名稱：基于高頻穩態視覺誘發電位的腦－機接口裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于生物醫學信號處理和醫療器械領域。
背景技術：
腦-機接口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。
腦-機接口和那些普通的人-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。
已有的實現人腦-計算機接口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。
在現有的腦-機接口系統中，比較成功的實現方法是基于穩態視覺誘發電位的方法。該方法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。
基于穩態視覺誘發電位的腦-機接口系統是讓受試者注視以一定頻率的閃光刺激，系統通過檢測誘發腦電信號中特定的頻率成分，由此判斷受試者正在注視的目標。
在已有的基于穩態視覺誘發電位的腦-機接口系統中，刺激器的閃爍頻率均設定在4-25赫茲之間。這主要是擔心當刺激頻率高于25赫茲后，由于人體的視覺殘留效應，使得人體感覺不到閃爍刺激，怕由此影響視覺誘發電位的產生。但是，在使用這樣的系統中，當受試者長時間注視閃爍目標時就會感到視覺疲勞和不適。
實用新型內容本實用新型的目的在于提供一種基于高頻穩態視覺誘發電位的腦-機接口裝置。
在我們的研究中發現，當受試者注視目標的閃爍頻率高于25赫茲時，雖然受試者自己感覺不出閃爍刺激，但在他的腦電信號中仍然可以檢測到與刺激頻率相同的節律成分。雖然在高頻刺激下，誘發信號的強度變小，但是與低頻刺激下記錄到的信號相比較，其信噪比并沒有明顯的降低(見附圖1)。因此完全可以采用這種高頻“閃爍”的刺激器來代替現有系統中閃爍頻率較低的刺激器。這樣做的明顯的好處是減小了閃爍刺激對受試者造成的不適。
本實用新型的特征在于，該裝置包括(1)閃光刺激器，為一光源，閃爍頻率控制在25赫茲以上；(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，對腦電信號進行預處理，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。
本實用新型的實現由以下三部分組成(參見圖2)(1)閃光刺激器閃光刺激器是一組按一定頻率閃爍的光源。它可以是各種具有較好開關特性的發光元件，例如各種常見的發光二極管等。發光器件的閃爍頻率設置在25赫茲以上。
(2)腦電信號分析器電生理實驗證明，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30赫茲，則在記錄到的腦電信號中就會發現明顯的30赫茲及其諧波成分。由于本實用新型中采用的高頻閃爍刺激，受試者實際上感覺不到刺激器的閃爍，因此在使用中不會產生視覺疲勞。
基于上述要求，圖2中腦電信號分析器中的主要功能模塊是(i)腦電信號放大器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。
(ii)頻率分析器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，因此，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 Fourier Transform，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發光器時，其誘發腦電中就應該包含該閃爍發光器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。
(3)環境控制器腦-機接口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。
本實用新型能夠用計算機對放大后的腦電信號進行頻譜分析，從中取出特征信號，用于對家用電器的控制。
圖1不同頻率刺激下記錄的穩態視覺誘發電位的信噪比圖2本實用新型的系統構成示意圖圖3發光二極管控制電路圖4腦電信號放大器具體實施方式
圖2所示實際上就是我們設計的一個實施例。
系統中的視覺刺激器采用的是普通的發光二極管。20個發光管以不同的頻率閃爍。產生發光二極管控制信號的電路圖見附圖3。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。只要重復制作這樣的電路，就可以得到更多的以不同頻率閃爍的發光二極管視覺刺激器。
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。圖4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。經過放大后的腦電信號被送入計算機，由計算機完成頻譜分析，得到相應的頻率成分(方法見本說明書第4頁中的“頻率分析器”)。再通過計算機編程實現對一些家用電器的控制。
權利要求1.一種基于高頻穩態視覺誘發電位的腦—機接口裝置，其特征在于，該裝置包括(1)閃光刺激器，為一光源，閃爍頻率控制在25赫茲以上；(2)頭皮電極，置于人體頭部，記錄人體視覺經所述閃光刺激器輸出的燈光刺激后，產生的腦電信號；(3)腦電信號放大器，將所述頭皮電極產生的腦電信號引入后，進行放大；(4)頻率分析器，將所述放大后的腦電信號經A/D轉換后，對腦電信號進行處理，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。
專利摘要本實用新型涉及一種基于高頻穩態視覺誘發腦電響應的控制裝置，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，對腦電信號進行處理，分析出能量的頻率值，并將其與閃光刺激器閃爍的頻率相比較，判斷出對應的動作，最后對控制設備發出控制信號。本實用新型的優點是采用了高閃爍頻率的刺激器(閃爍頻率高于25赫茲)。由于受試者實際上感覺不到刺激器的閃爍，因此在使用中不會產生視覺疲勞。
文檔編號G06F3/00GK2888524SQ20052013650
公開日2007年4月11日 申請日期2005年12月8日 優先權日2005年12月8日
發明者高上凱, 高小榕, 張志廣, 洪波 申請人:清華大學