[发明专利]前额脑电与血氧信息融合的人机交互装置

说明书

技术领域

本发明涉及脑-机接口技术领域，具体讲，涉及前额脑电与血氧信息融合的人机交互装置。

背景技术

第一次脑-机接口(Brain-Computer Interface，BCI)国际会议给出的BCI的定义是：“BCI是一种不依赖于大脑外围神经与肌肉正常输出通道的通讯控制系统。”目前的研究成果中，它主要是通过采集和分析不同状态下人的脑电信号，然后使用一定的工程技术手段在人脑与计算机或其它电子设备之间建立起直接的交流和控制通道，从而实现一种全新的信息交换与控制技术，可以为残疾人特别是那些丧失了基本肢体运动功能但思维正常的病人提供一种与外界进行信息交流与控制的途径。即可以不需语言或肢体动作，直接通过控制脑电来表达意愿或操纵外界设备。为此，BCI技术也越来越受到重视。

到目前为止，最常用的BCI系统大都是基于脑电信息的，近年来出现了基于脑血氧信息的BCI系统。其技术原理是一致的。如图1所示，含有操作控制意图的脑电信息(血氧信息)通过电极(探测器)从头皮或颅内获得，经过信号处理提取反映使用者意图的脑电信息(血氧信息)特征，并将之转化为控制外部设备的操作命令。并且BCI研究的主要应用目标是帮助肢体严重瘫痪的残疾人操纵和使用周边日常生活工具，以实现对外界的信息交流和设备控制。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的主旨是提出一种新的将想象动作诱发的前额脑电与脑血氧两类信息的变化特征相结合来实现对不同动作模式的识别的研究方法，以及设计一种新的同步采集这两类信息变化特征的人-机交互装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：前额脑电与血氧信息融合的人机交互装置，包括：

近红外光光源，用于发光照射到大脑皮层；

光电探测器，用于探测反射回的光强，光强信息发生的变化间接反映脑血氧的变化；

滤波和后级放大电路，用于对光电探测器输出的信号进行滤波和放大，滤波和放大后的信号经数据采集卡输入到计算机；

脑电电极，用于探测功率谱比率下降ERD信号；

脑电放大器，用于对脑电电极输出信号进行放大和滤波，滤波和放大后的信号经数据采集卡输入到计算机；

计算机包括：

时频分析短时傅里叶变换模块，用于以短时傅里叶变换方法得到脑电信号的二维时频图谱；

对不同模式的想象动作之间的可分性作离散Fisher分析，得到Fisher系数的二维时频图谱，从图谱上找到Fisher系数明显较大的位置对应的时间段和频率段，这样取得的时频窗以及它对应到短时傅里叶变换得到的二维时频图的时频窗后得到功率谱密度值作为提取到的一个特征；

对数字信号进行离散Fourier变换分析，经过变换之后，时域的脑血氧信号转换为频域信号，从得到的频域信号，也就是频谱图上寻找频率段的特征；

提取到的特征用来训练SVM分类器，训练后得到一个模型，然后再利用这个模型来对未知模式类型的想象动作进行分类，得到的结果即为未知模式想象动作的模式识别结果以及得到识别正确率。

近红外光光源发出的近红外光波长为760nm和850nm。

所述滤波和后级放大电路，其中的后级放大电路为可调增益的同相比例运算电路；滤波为采用二阶巴特沃斯低通滤波器。

脑电电极附着在成人头部前额叶皮层的背外侧和部分腹外侧脑区，外侧用特殊遮光材料将表面除光源和探测器之外其余部分都覆盖，源标距设定为2.89cm。

本发明特点在于：实验过程在前额上进行，方便操作的同时，也避免了头发及头皮对信号采集的影响，也可让身体瘫痪但头脑功能正常的残疾人在使用该装置时避免了使用前后洗头的必要。进一步研究可以得到完善的脑-机接口系统，有望获得可观的社会效益和经济效益。

附图说明

图1BCI系统及其控制。

图2本发明装置的结构框图。

图3HbO2和Hb在近红外光谱区的吸收系数。

图4蒙特卡洛仿真示意图。

图5恒流源电路设计。

图6前额探测装置布局。

图7后级放大滤波电路图。

图8想象动作任务时段分布图。

图9想象动作任务静息期界面。

图10想象动作任务提示期界面。

图11想象动作任务想象期界面。

图12实验采集程序的流程框图。

具体实施方式