一种用于基于运动想象和P300相结合的脑机接口控制虚拟现实的数据采集装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于基于运动想象和P300相结合的脑机接口控制虚拟现实的数据采集装置，属于人机交互技术领域。

背景技术：

目前，脑机接口技术是一种在人脑和计算机或其他电子设备之间建立不依赖于常规大脑信息输出通路( 外周神经和肌肉组织) 的全新对外信息交流和控制技术。近年来，脑机接口技术发展迅猛，技术越来越加成熟，器应用范围越加广泛。而对于虚拟现实技术则是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，它用计算机形成逼真的三维听觉、视觉、触觉、嗅觉等感觉，让用户借助特殊的输入、输出设备，自然地对虚拟世界进行体验，从而产生身临其境的感觉。在这种环境下，人们自然的、本能的身体动作会通过计算机与设备接口翻译成计算机指令。

虚拟现实技术是利用电脑等设备模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视、听、体等感官模拟体验，让用户如身临其境，可以随时随意地观察体验虚拟现实内的事物。因此，目前的虚拟现实技术都需要有多种接口设备来使用户和虚拟环境中的对象进行交互，如数据手套、触觉和力觉反馈装置等。虽然有这些装置增加用户的虚拟现实体验，但是这些交互设备都是针对某种单一的感觉设计，每种设备之间的相互独立，这样对于用户的虚拟现实的体验有很大的影响，并且由于设备数量多，对于用户的使用也有很大的不便。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种用于基于运动想象和P300相结合的脑机接口控制虚拟现实的数据采集装置，以用于实现用于基于运动想象和P300相结合的脑机接口控制虚拟现实的数据采集。

本实用新型的技术方案是：一种用于基于运动想象和P300相结合的脑机接口控制虚拟现实的数据采集装置，由无线脑电采集模块1、脑电信号预处理模块2、模数转换模块3和信号处理模块4组成；

所述无线脑电采集模块1将采集到的用户脑电信号发送到脑电信号预处理模块2进行滤波、放大处理，经过滤波、放大处理之后的信号再经过模数转换模块3转换成数字信号，数字信号再经信号处理模块4处理后作为采集装置的采集数据传递给虚拟现实模块5。

所述脑电信号预处理模块2由一级放大电路6、高通滤波电路7、二级放大电路8、三级可调放大电路9、50HZ工频滤波电路10组成；其中脑电信号经一级放大电路6放大100倍，通过高通滤波电路7过滤掉低于0.1Hz的频段；脑电信号经二级放大电路8放大50倍，再经三级可调放大电路9放大至符合模数转换模块3要求的倍数，经50Hz工频滤波电路10过滤掉50Hz工频干扰；最后信号传递至模数转换模块3。

所述无线脑电采集模块1为美国加州旧金山的神经科技公司开发的全新的Emotiv EPOC 无线脑电头盔。该脑电采集设备通过使用非侵入式传感器，能够测量脑电活动，并能够实时的将所测得的脑电数据传输出来。

所述第一级放大电路6选用Analog Devices公司生产的仪用差分放大器AD620。该放大器具有输入电压宽、共模抑制比高（最高可以达 100dB）、低输入噪声（峰峰值小于0.28μV）、低偏置电流输入和低功耗（最大电源电流仅 1.3mA）的特性。所示第一集放大电路采用同相并联的差动放大电路结构具有高输入阻抗和高共模抑制比等特性，这种同相并联差动放大结构能够有效发挥系统的抗干扰性，有效的抑制共模干扰，也就达到了降噪的功效。采用该放大器所采集到的脑电信号通过差分放大器放大后输出，闹电信号经过第一级放大电路后放大100倍。

所述高通滤波电路7采用阻容耦合电路。脑电信号经过放大后通过Vi输入进高通滤波电路，输出端为in。脑电信号经过高通滤波电路后过滤掉频率高于0.1Hz的脑电信号。

所述二级放大电路8采用AD210隔离放大级电路。它是一种低成本、高精度，新型隔离放大器。脑电信号经过第一集放大电路后，增幅可达到毫伏级，大约在几毫伏左右，因此需要进一步放大。高频滤波后的脑电信号通过输入端in输入进第二级放大电路，AD210会实现对信号和电源的隔离，省略掉外加直流-直流（DC-DC）变换器。并且其能够作为放大器，将脑电信号放大50倍，并通过输出端out输出。

所述三级可调放大电路9，脑电信号经过第二级放大之后，输入进第三级可调放大电路。这里加入一个10K可调电阻RW，通过调节电阻值的大小来调节放大倍数，以方便脑电信号满足A/D转换的要求。脑电信号经过TL602放大器放大后由v0输出。

所述50HZ工频滤波电路10为50HZ工频陷波器电路，用于过滤50HZ工频干扰。

所述信号处理模块4包括特征提取模块和特征分类模块；其中特征提取模块采用基于小波熵算法对脑电信号进行特征提取，特征分类模块则采用基于SFFS-PLN法进行脑电信号特征选择。（引自：孙宇舸，脑机接口系统中脑电信号处理方法的研究，D，2012年）。

所述虚拟现实模块5，选用索尼公司生产的虚拟现实眼镜PlayStation VR以及显示用户进入虚拟现实环镜情况的显示器14。目前，虚拟现实与BCI相结合已经成功实现。因此这里将运动想象和P300控制结合虚拟现实是可以实现的。（引自：孔丽文，基于虚拟现实环境的脑机接口技术研究进展，J,电子测量与仪器学报，2015年）。

本实用新型的使用过程是：

用户按照正确的佩戴方式佩戴上便携的无线脑电帽，中央沟大概位置是分别沿CP_Z – C₂– C₄ 和CP_Z – C₁– C₃ 间的线佩戴。选择适合的脑电电极，打上脑电膏，之后检测到的脑电传入脑电信号预处理模块2，对所接收到的脑电信号进行滤波以及放大处理。之后经过处理的信号经模数转换模块3转换后传输至信号处理模块4进行信号的特征提取以及分类识别。最后信号传入虚拟现实模块5，控制其在虚拟环境中进行相应的动作，以达到运用脑机接口技术控制虚拟现实的功能。而显示器14能够将用户在虚拟现实中的情况实时显示出来以便进行实时观测(在虚拟现实模块5中，显示器14通过内部嵌入的软件Virtools提供虚拟现实环境。用户通过头戴与显示器14相连的虚拟现实眼镜进入虚拟现实环境中。正常情况是用户在虚拟环境中根据环境需求如前进等做出相应的动作来沉浸在虚拟现实环境中。这里则是在信号传入虚拟现实模块5后，根据所接收到的信号直接对虚拟现实中的用户进行动作指令，不需要用户做相应的动作就可以实现在虚拟现实环境行动，从而达到了脑机接口技术控制虚拟现实的功能。并且显示器14能够将用户在虚拟现实中的情况实时显示出来以便进行实时观测。)。

图4为显示器14示意图。显示器14为一台脑信号处理和模式识别的计算机，是基于MATLAB的EEGLAB平台，应用其内部已有相应的算法工具箱进行数据分析与处理，并且将处理结果以命令的方式控制处于虚拟环境中的用户的行动。同时，该计算机内部安装了能够建立虚拟现实环境的软件Virtools。该软件能够按照用户需求建立相应的虚拟现实环境并能通过虚拟现实眼镜使得用户进入虚拟现实环境。比如如图显示的一个简单的走迷宫的虚拟现实环境。其中12为迷宫道路，用户需要通过迷宫到达终点11。该显示器也能够实时显示虚拟现实环境中的情况。并且能够实时显示虚拟现实环境中的情况。如图显示的一个简单的走迷宫的虚拟现实环境。其中12为迷宫道路，用户需要通过迷宫到达终点11。

图5为迷宫道路12，其上面会在循环的显示一个刺激图像13如一幅图。P300指ERP中潜伏期约300ms左右正波成分，常为大脑对稀少事件的认知反应。当BCI序列出现"目标刺激"( 通常目标在序列事件中出现概率较小) 时，则在该目标出现后大约300ms左右就可以在头皮顶区记录到P300信号。因此，这里诱发用户P300脑电信号的过程为用户在行走迷宫的时候，刺激图像会刺激用户大脑以产生P300脑电信号。从而达到P300控制虚拟现实的功能。

图6为脑电采集电位分布图。它是根据10-20国际体系的电极分布来选择的，它主要包括：FP_Z、FC_Z、C_Z、CP_Z、F_Z、P_Z、O_Z、P₃、P₄、PO₃、PO₄、PO₇、O₁、O₂、PO₈ 、C₃、C₄电位，FP_Z为接地电极。电极主要置于运动感觉区，包含C₃、C₄、C_Z、FC_Z四处，C_Z为头部中央区，C₃位于C_Z左侧，称为左中央，C₄位于C_Z右侧，称为右中央，FC_Z为C_Z前侧10%处采集脑电时用户首先佩戴上便携的无线脑电帽，按照正确的佩戴方式戴上，中央沟大概位置是分别沿CP_Z – C₂– C₄ 和CP_Z – C₁– C₃ 间的线佩戴。

本实用新型的有益效果是：

1、该装置通过无线脑电采集模块来快速的采集脑电，跟以前的有线脑电采集装置相比更方便，更快速，节省了大量的时间。

2、本实用新型将脑机接口技术和虚拟现实技术相结合，摒弃了现有的需要多种手持设备才能进行虚拟现实的条件，使得虚拟现实的应用更加方便，快捷。

3、将P300与运动想象相结合来控制用户在虚拟现实环境中的运动，能够使得控制更加精准，效率更加高效。其中，用户通过想象左右手运动，脚的运动等来控制人体行走，而P300则可以控制人体手臂的运动。这样使得脑机接口与虚拟现实技术结合的更加完美，功能更加多样化。

4、将P300的产生条件与虚拟现实环境完美结合，更加减少了用户的不适感，使得用户能够更好的沉浸在虚拟现实环境中。

附图说明

图1是本实用新型装置原理框图：

图2是本实用新型脑电信号预处理模块的电路原理图一；

图3是本实用新型脑电信号预处理模块的电路原理图二；

图4是本实用新型脑电信号预处理模块的电路原理图三；

图5是本实用新型脑电信号预处理模块的电路原理图四；

图6是本实用新型显示器示意图；

图7是本实用新型虚拟环境示意图；

图8是本使用新型脑电采集示意图；

图中各个标号：1-无线脑电采集模块、2-信号预处理模块、3-模数转换模块、4-信号处理模块、5-虚拟现实模块、6-一级放大电路、7-高通滤波电路、8-二级放大电路、9-三级可调放大电路、10-50HZ工频滤波电路、11-迷宫终点、12-迷宫道路、13-刺激图像、14-显示器。

具体实施方式

实施例1：如图1-8所示，一种用于基于运动想象和P300相结合的脑机接口控制虚拟现实的数据采集装置，由无线脑电采集模块1、脑电信号预处理模块2、模数转换模块3和信号处理模块4组成；

所述无线脑电采集模块1将采集到的用户脑电信号发送到脑电信号预处理模块2进行滤波、放大处理，经过滤波、放大处理之后的信号再经过模数转换模块3转换成数字信号，数字信号再经信号处理模块4处理后作为采集装置的采集数据传递给虚拟现实模块5。

所述脑电信号预处理模块2由一级放大电路6、高通滤波电路7、二级放大电路8、三级可调放大电路9、50HZ工频滤波电路10组成；其中脑电信号经一级放大电路6放大100倍，通过高通滤波电路7过滤掉低于0.1Hz的频段；脑电信号经二级放大电路8放大50倍，再经三级可调放大电路9放大至符合模数转换模块3要求的倍数，经50Hz工频滤波电路10过滤掉50Hz工频干扰；最后信号传递至模数转换模块3。

实施例2：如图1-8所示，一种用于基于运动想象和P300相结合的脑机接口控制虚拟现实的数据采集装置，由无线脑电采集模块1、脑电信号预处理模块2、模数转换模块3和信号处理模块4组成；

所述无线脑电采集模块1将采集到的用户脑电信号发送到脑电信号预处理模块2进行滤波、放大处理，经过滤波、放大处理之后的信号再经过模数转换模块3转换成数字信号，数字信号再经信号处理模块4处理后作为采集装置的采集数据传递给虚拟现实模块5。

上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。