[发明专利]基于原子磁强计的脑机接口系统及其使用方法

说明书

本发明公开了基于原子磁强计的脑机接口系统及其使用方法。本发明结合原子磁强计的工作特点，设计了具备实用性的脑磁帽、磁屏蔽装置；采用原子磁强计探头与光源分离的方案提高系统集成度，强化系统便携性；给出了可以大幅提高运速度、减少处理流程复杂度的脑磁信号处理流程；并就该系统可能应用的场景，给出了可行的通信和外围支持系统的方案。采用本发明提出的脑机接口系统，可以方便地通过脑磁信号完成对本地和远程应用系统的控制，具备实用性和很好的扩展性能。

技术领域

本发明涉及脑机接口研究领域中，应用脑磁信号开发脑机接口技术的方向，具体涉及一种基于原子磁强计的脑机接口系统及其使用方法。

背景技术

脑机接口(Brain-ComputerInterface，BCI)指的是在人或者动物脑与外部设备间建立的直接连接通路。该技术主要通过探测神经活动信号并分析提取来作为控制外部设备的指令，其潜在的应用价值在人工智能、学术研究、康复医疗以及军事作战等领域内正得到越来越广泛的关注。

目前，国内外相关的研究团队已经对基于各种脑成像手段的脑机接口实现方案进行了研究，包括使用功能磁共振成像(fMRI)、正电子发射断层扫描(PET)、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)和皮层脑电图(ECoG)。其中，fMRI与PET技术需要大型的仪器才能开展对大脑信号的测量，在实际应用中较难展开，时间分辨率也较低。ECoG技术能够有效探测脑电信号，但是需要开颅内置电极，是一种有创的技术，不适宜在大范围地在BCI应用中推广。EEG可以无损地记录到高频的神经活动信号且便携性好，因而在各种BCI技术中对脑电信号的研究和应用是最广泛的。但是大脑的组织对于电信号是各向异性的且颅骨的导电性极差，使得脑电信号传播到头皮外被大大扭曲，这直接导致其具有较低的空间分辨率和较差的信噪比。并且EEG采用传统的接触式测量方式，需要一些辅助处理(如涂抹导电膏)来提高信号采集质量，实验准备过程复杂，实验舒适性差，维持性不佳。由于磁场信号在不同脑组织、颅骨以及头皮差别很小，磁场的传播可以近似认为是无视介质的距离平方反比衰减规律，这规避了电场在大脑中扭曲带来的误差，因而用脑磁信号作为BCI中用于检测脑信号的手段有望大大提高信号的信噪比和空间分辨率以提高信号特征提取的识别率，并且作为一种无损的测量方式，实验舒适度较高。但是现阶段MEG设备的磁敏感元件超导量子干涉仪(Superconducting quantum interference device,SQUID)需要液氦维持低温条件，使得脑磁图的成本非常高昂，系统庞大且必须在大型屏蔽室内测量以排除外界磁场的干扰，这也使得现有的脑磁图无法成为实用的BCI技术的检测手段。

原子磁强计(Atomic magnetometer,AM)是一种无需使用液氦就能测量极微弱磁场的技术，其工作原理是将被极化的碱金属原子作为外磁场的探测物质，并使用激光作为碱金属原子因为做拉莫进动而带有的外磁场信号的调制载体，来探测外磁场。AM技术近年来在文献中也有人把它称为光泵磁强计(Optically-pumped magnetometer,OPM)，为方便起见，本说明书将统一使用AM或者原子磁强计表述这一技术。

目前，原子磁强计可以做到在探头体积小于7cm³(尺寸1.2cm×1.2cm×6cm)的条件下，实现了优于15fTHz^-1/2的磁场灵敏度，已经用于大脑神经活动和心脏磁场的测量研究。与现有的脑磁图相比，原子磁强计无需在液氦低温区下工作，从而探测元件的购置和运行成本很低，没有了杜瓦瓶的限制，磁探头与头皮的距离可以更小，这可以使得脑磁测量的信噪比大幅度提高，进而可以提升整个系统信号质量和空间分辨率。最重要的是，由于极大简化了系统构造，磁强计阵列可以通过设计成合适的载体轻松地佩戴在受试者头部，有望实现便携式的脑磁测量和BCI应用，从而可以克服目前传统MEG系统用于BCI技术的技术限制并进行大规模地推广。

虽然目前对于原子磁强计的基础技术验证工作已经完成，但是尚未有完整的、具备实用性的基于原子磁强计的脑机接口系统方案被提出；同时，目前已经提出的一些便携式原子磁强计探测方案中没有给出外界磁场信号屏蔽方案，也没有提出针对脑机接口提出具体的方案和使用方法。