[实用新型]基于脑电信号的残疾人环境控制装置

说明书

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；