专利名称：脑机接口短消息发送控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种通信控制装置，尤其是一种利用脑机接口发送短消息的控制
直O
背景技术：
脑机接口 BCI (brain-computer interface)是一种新的人机接口方式，它是不依赖大脑正常输出通路(外周神经和肌肉)的通讯系统，可以为人们提供全新的通讯和控制方式，尤其是可以帮助思维正常但严重瘫痪的病人实现与外界进行信息交流和设备控制。当神经系统接受视觉刺激(如图形或闪光刺激)时会产生特定的电活动。受试者注视想要选择的刺激图形，将测得的脑电信号与事先记录的模板相比较，就可以判断出受试者所注视的目标，从而产生与受试者选择内容相关的控制信号。利用瞬态视觉诱发电位可以实现脑机接口控制信号的提取。中国专利“基于瞬态视觉诱发电位提取脑机接口控制信号的方法”(200310121033. 3)介绍了提取脑机接口控制信号的信号处理方法，但不涉及瞬态视觉诱发电位脑机接口的应用及控制装置。目前，基于脑机接口的应用研究日益受到重视，中国专利“脑机接口家电遥控装置”(200510014575. X)介绍了利用脑机接口实现家用电器开关与功能切换的遥控。中国专利“智能型瘫痪病人辅助康复系统”(200610014884.1) 介绍了利用脑机接口实现对功能性电刺激的控制。现有技术脑机接口实现对外界设备的控制，但不能通过脑机接口实现短消息发送的控制。对于严重瘫痪的病人尤其是同时存在有语言障碍残疾人来说，难以用通话模式进行信息传送。本实用新型通过脑机接口控制短信息发送，这将为他们提供一种交流方式，有助于提高其生活质量。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术脑机接口不能对存在语言障碍的残疾人提供信息交流的缺陷，提供一种脑机接口短消息发送控制装置，利用脑机接口选择发送消息的对象及发送消息内容并发送短消息，从而使不方便使用手机的残疾人能够实现与他人通讯。为解决上述技术问题，本实用新型的脑机接口短消息发送控制装置，包括脑电信号采集单元，脑机接口视觉刺激器，信号处理及控制单元和无线通信模块。脑电信号采集单元包括脑电头皮电极、前置放大器、高通滤波器、低通滤波器及放大电路、A/D转换器、光隔离电路。置于大脑枕部的脑电头皮电极采集包含视觉诱发电位的脑电信号，通过滤波电路、放大电路处理，送到A/D转换器转换为数字信号，数字信号通过数字光隔离电路送到信号处理及控制单元进行处理。脑机接口视觉刺激器可采用计算机显示器，通过编程在显示器上设置脑机接口人机界面，脑机接口人机界面上产生多个闪烁的方块作为图形视觉刺激模块，每个视觉刺激模块表示脑机接口不同的选择项目，使用者在一定时间内保持注视某一个视觉刺激模块实现选择发送对象与发送内容并控制。视觉刺激模块可以是矩形图形(方块或长方块)，刺激模块背景颜色变化引发视觉刺激，背景模块可以是单一颜色(如黑色白色)，也可以是拆2黑白相间的棋盘格。在刺激模块上标注相应文字来选择需要发送的信息，比如选择发送短消息的对象或发送内容。在本实用新型中脑机接口人机界面设计了短消息发送对象选择界面、短消息内容选择界面及确认取消界面，用于使用者选择短消息的发送对象及内容。瞬态视觉诱发电位与刺激之间具有严格的锁时关系(在刺激后固定的时间段内出现视觉诱发电位)，具有一一对应的关系。不同的视觉刺激模块，采用闪烁或模块颜色交替变化等刺激方式刺激模块，虽然模块上标注符号不同，但刺激模式相同，不同的刺激模块所产生的视觉诱发电位信号波形基本相同。为了能对多个刺激信号进行分辨，区分不同刺激模块所引起的刺激，对视觉刺激模块的时序进行区分，各个刺激模块采用不同的闪烁时刻。本实用新型采用同频次复合刺激方式，在单位时间内各个刺激模块闪烁的次数相同，即在一时间段内，存在多个视觉刺激，在一个刺激周期内，所有的刺激模块在不同的闪烁时刻都分别闪烁一次。刺激模块每秒闪烁次数小于5次。在各个模块闪烁时，分别产生不同的刺激标志(不同模块闪烁时产生不同的数字信号)，刺激标志数字信号与脑电信号同步记录，信号处理及控制单元根据同步记录的标记区分不同刺激产生的时刻，通过分析脑电信号判断各个刺激模块是否产生视觉诱发电位，识别使用者所注视的刺激模块，即可判断使用者实现的脑机接口选择项目。信号处理控制单元包括视觉诱发电位的提取与识别两部分，提取视觉诱发电位信号包括对脑电信号采集单元采集的信号进行累加平均，去直流(去除脑电信号均值)，再进行低通滤波信。能提高信噪比，获得视觉诱发电位信号。视觉诱发电位识别部分将待测试视觉诱发电位信号与视觉刺激模块提供的视觉诱发电位模板进行比较，确定其是否为视觉诱发电位，产生脑机接口控制信号。信号处理及控制单元根据脑机接口控制信号(即通过脑机接口选择的短消息发送对象、内容)，向通信控制模块发送短消息的号码及发送内容等控制代码，控制短消息的发送。无线通信模块包括AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。无线通信模块 TC35与信号处理及控制单元采用RS232串口通信，获取发送的手机号码及短消息内容，完成短消息的发送。信号处理控制单元是具有信号处理功能的嵌入式系统，比如可编程门阵列FPGA实现。无线通信模块可由无线通信GSM模块TC35构成。与现有技术相比，本实用新型能实现无须任何肢体动作的短消息发送控制，可以让全身性重症瘫痪但思维正常的残疾人实现对外界的消息发送(如问候、报平安、求救等)， 提高其生存质量，具有重要的社会意义。
图1本实用新型系统结构框图；图2脑电信号采集单元原理框图；图3所示脑机接口视觉刺激器；图4选择短消息发送对象的刺激界面；图5选择短消息内容的刺激界面；[0020]图6确认或取消短消息发送的刺激界面。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的详细说明，如图1所示为本实用新型系统结构框图，包括脑电信号采集单元，脑机接口视觉刺激器，信号处理及控制单元和无线通信模块。脑电头皮电极置于大脑枕部采集包含视觉诱发电位的脑电信号，脑电信号通过滤波电路、放大电路处理，送到A/D转换器转换为数字信号，数字信号通过数字光隔离电路送到信号处理及控制单元进行处理。脑机接口视觉刺激器采用计算机控制在监视器上产生图形视觉刺激模块，在预测试阶段，让使用者注视某个视觉刺激模块，获取脑电信号，通过提取视觉诱发电位信号处理提取视觉诱发电位模板。对于同一使用者其视觉诱发电位波形相对一致，通过对脑电信号去直流、累加平均、低通滤波等信号处理得到视觉诱发电位模板。视觉刺激模块可为矩形图形(方块或长方块)，以刺激模块背景颜色变化方式引起视觉刺激，背景模块可以是单一颜色(如黑色白色)，也可以是拆2黑白相间的棋盘格。在刺激模块上标注相应文字来选择需要发送的信息，比如选择发送短消息的对象或发送内容。脑机接口视觉刺激器同时也是脑机接口人机界面，在脑机接口人机界面设置短消息发送人选择界面，短消息内容选择界面及确认取消界面，供使用者选择控制。视觉刺激采用瞬态视觉刺激方式，刺激频率为3. 3Hz，采用同频次复合刺激的时序。本实用新型的优选实施例中脑机接口视觉刺激器采用计算机监视器，在Cyclone IIEP2C35 FPGA芯片中采用VHDL编程实现VGA控制，如图3所示脑机接口视觉刺激器，包括，VGA控制器包括分频模块、扫描时序产生模块、图像描述模块、刺激频率控制模块、光标控制模块，产生包括行同步HS信号、场同步VS信号和数字RGB信号等图形刺激信号。数字 RGB信号经VGA数模转换器转换为RGB模拟信号，RGB模拟信号与行同步HS信号和场同步 VS信号均送入VGA接口。HS、VS信号和模拟RGB信号经VGA接口驱动VGA显示设备生成视觉刺激图形实现视觉刺激。VGA显示控制器输出的刺激图形格式为640X480，场频60Hz。采用矩形图形(方块或长方块)作为视觉刺激模块，以刺激模块背景颜色变化方式引起视觉刺激，背景模块可以是单一的颜色(如黑色、白色)，也可以是拆2黑白相间的棋盘格，在刺激模块上标注文字来选择需要表达的信息，比如用于选择短消息发送的人或短消息发送内容。脑机接口视觉刺激器设置短消息发送人选择界面，短消息内容选择界面及确认取消界面，供使用者选择控制。信号处理及控制单元由现场可编程门阵列FPGA实现，FPGA芯片可采用Cyclone IIEP2C35 FPGA, FPGA中设计了 AD7683控制器，设置AD7683的工作频率为5kHz，一次转换为25个时钟周期，采样频率则为200Hz，采用分频模块计数分频产生控制器的时钟50kHz。 在FPGA中设计VGA控制器，VGA控制器包括分频模块，扫描时序产生模块，图像描述模块， 刺激频率控制模块，光标控制模块。图像格式可为640X480，场频60Hz。分频模块产生像素输出频率和刺激所需的频率。如IOOMHz的时钟用锁相环进行四分之一分频，得到像素输出频率25MHz，扫描时序产生模块提供VGA行扫描和场扫描的时序，对像素输出频率计数分频，产生行扫描频率，行扫描频率为31. 469KHZ，然后，对行扫描频率计数分频，得到场扫描频率，场频为59. 94Hz。该模块产生包括行同步信号i_hs、行消隐信号v_hs、场同步信号i_vs、场消隐信号v_vs，场同步用行同步为计数单位。刺激频率控制模块设计了刺激的模式， 采用同频次复合刺激方式，控制在单位时间内各个视觉刺激模块闪烁的次数相同，但各个刺激模块闪烁的时刻相互交错，通过计数器分频产生模块闪烁的时钟，对3. 3KHz分频得到 3.3Hz的刺激频率，控制相位延时器实现闪烁时刻的错开。采用系统时钟产生计数器，通过计数器计数控制延时，达到精确定时的要求。当闪烁的时钟信号为低电平时，触发背景模块中方块呈现黑色；当时钟信号为高电平时，触发背景模块中方块呈现白色，可以实现不同刺激模式的视觉刺激器。脑机接口人机界面有短消息发送人选择界面，短消息内容选择界面及确认取消界面，如图5、图6、图7所示，供使用者选择控制。使用者首先通过短消息发送人选择界面选择发送人即确定了发送短消息的电话号码，然后通过短消息内容选择界面选择短消息的内容，通过确认取消界面确定发送或取消发送。信号处理控制单元包括视觉诱发电位的提取与识别两部分，视觉诱发电位提取部分对脑电信号采集单元采集的信号进行累加平均，去直流(去除脑电信号均值)，低通滤波等处理提取强背景噪声中微弱信号，获得待测试视觉诱发电位信号；视觉诱发电位识别部分将待测试视觉诱发电位信号与视觉刺激模块提供的视觉诱发电位模板进行比较，确定其是否为视觉诱发电位，产生脑机接口控制信号，控制信号对应于使用者选择的短消息发送对象(对应其电话号码)及短消息的内容。信号处理及控制单元根据脑机接口控制信号，向通信控制模块发送控制代码。无线通信模块包括AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。无线通信模块TC35与信号处理及控制单元采用RS232串口通信，获取发送的手机号码及短消息内容，完成短消息的发送。信号处理控制单元是具有信号处理功能的嵌入式系统，比如可编程门阵列FPGA 实现。无线通信模块可由无线通信GSM模块TC35构成。如图2所示为脑电信号采集单元原理框图，所述的脑电信号采集单元包括脑电头皮电极、前置放大器、高通滤波器、放大器及低通滤波器、A/D转换器、光隔离电路。脑电头皮电极置于大脑枕部采集包含视觉诱发电位的脑电信号，通过前置放大器及高通滤波器放大滤波后送到A/D转换器转换为数字信号，由数字光隔离电路送到信号处理及控制单元进行处理。信号处理及控制单元由计算机或者是具有信号处理功能的嵌入式系统(比如可编程门阵列FPGA)实现。信号处理部分包括视觉诱发电位的提取与识别两部分，视觉诱发电位提取部分获取脑电信号，对脑电信号进行处理，可采用包括累加平均，脑电信号去直流(去除脑电信号均值)，低通滤波等方式，提取出强背景噪声中比较微弱的视觉诱发电位。采用模板匹配方法对视觉诱发电位进行识别，即在预测试阶段，让使用者注视某个视觉刺激模块，提取受到视觉刺激模块刺激后产生的脑电信号，处理得到视觉诱发电位模板，将待检测的视觉诱发电位信号与视觉诱发电位模板进行比较匹配，确定其是否为视觉诱发电位，进而判断出受试者所注视的目标，产生脑机接口控制信号。信号处理及控制单元根据脑机接口控制信号， 向通信控制模块发送控制代码。无线通信模块由无线通信GSM模块构成(可采用无线通信GSM模块TC35)，可以快速安全可靠地实现系统方案中的短消息服务，模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。无线通信模块TC35与信号处理及控制单元采用RS232串口通信，获取发送的手机号码及短消息内容，完成短消息的发送。脑电信号采集单元中头皮电极可采用银-氯化银电极，头皮电极包括记录电极和参考电极，记录电极置于枕部头皮表面(Oz)，参考电极置于头顶部(Cz)，地电极置于耳后。 电极可涂抹少许导电胶以增加导电性，降低头皮电阻。前置放大器采用医用放大器如AD620，以增加输入阻抗，提高共模抑制比，后接高通滤波器，放大器及低通滤波器。放大电路可采用增益6000-12000，频带l-25Hz。A/D 转换器可采用AD公司生产的低功耗高精度16位高速串行A/D转换器AD7683，采样频率为 200Hz，脑电信号采集单元采用电池供电。为了保证采集脑电信号的安全，同时减小高频数字干扰，脑电信号采集单元与信号处理及控制单元之间采用光耦隔离电路，光耦隔离电路设置在A/D转换电路之后，光耦隔离采用高速光耦芯片6N136。采用FPGA实现对脑电信号的处理，提取脑电信号中视觉诱发电位，判断受试者所注视的目标。使用者在预订时间内保持注视短消息发送人选择界面的视觉刺激模块，选择短消息发送对象，然后通过保持注视短消息内容选择界面的视觉刺激模块选择短消息发送内容，最后通过短时间保持注视确认取消界面的视觉刺激模块确定或取消短消息的发送。这样通过脑机接口就可以获取受试者所选择的发送短消息的对象(对应相应的电话号码，发送对象及电话号码可进行预设置)及发送短消息的内容。FPGA与TC35通信模块之间的串口采用RS232标准。FPGA可以向TC35通信模块选发不同的手机号码及短消息内容，达到控制TC35发送短消息的目的。TC35无线通信模块有AT命令集接口，支持文本和协定数据单元PDU模式的短消息。AT即Attention, AT命令集是从终端设备TE(Terminal Equipment)或数据终端设备 DTE (Data Terminal Equipment)向终端适配器 TA CTerminal Adapter)或数据电路终端设备 DCE (Data Circuit Terminating Equipment)发送的。通过 TA，TE 发送 AT 命令来控制移动台MS (Mobile Station)的功能与GSM网络业务进行交互，用户可以通过AT命令进行短信方面的控制。FPGA作为终端设备，通过串口与终端适配器TC35通信，向TC35发送AT指令。AT指令集是工业界广泛采用的协议标准，AT指令定义了如何配置终端适配器，如何连接以及测试终端适配器，终端适配器在命令状态下接收并解释AT指令，从而完成对移动台的控制， 实现与GSM网络交换信息。除“A/”和“+++”外，所有的AT指令都以“AT”或“at”打头，以字符结束的字符串。每个指令执行成功与否都有相应的返回，接收端根据返回信息做出相应的下一步处理。AT命令测试连接是否正常，如果正常则返回“0K”，AT+CMGF，选择消息格式，这里设置AT+CMGF=0，即选择消息格式为PDU格式，此时，包括所有头信息的短消息，以二进制方式传送(写成十六进制的格式)。选择的消息格式存储在TC35的EEPROM里。发送短消息 AT+CMGS命令，发送短消息，采用协定数据单元PDU方式的命令格式为AT+CMGS=<length〉， PDU发送只能输入十六进制的字符0-9，A-F。以发送“我很好请放心”为例，说明FPGA控制TC35模块发送短消息的具体过程如下发送AT (检查是否连接)[0042]接收0K (已建立连接)发送AT+CMGF=0(选择 PDU 模式)接收OK发送AT+CMGS=27 (发送短消息的字节数，不包括最初9个短消息信元字节)接收> (允许上传数据)发送0891683108200305F011000D91685128166738F20008000C62115F88597D8BF7653E5 FC3 (按 CTRL+Z 发送)接收+CMGS 38OK (短消息发出成功)其中，最后一次接收到的数据中，“38”是由模块返回的消息参考值，在0-255之间循环，每发送一次消息递增1 (无论是否发送成功)。
权利要求1.一种脑机接口短消息发送控制装置，其特征在于，包括脑电信号采集单元，脑机接口视觉刺激器，信号处理及控制单元和无线通信模块，脑电信号采集单元采集包含视觉诱发电位的脑电信号，并对脑电信号进行处理后送到信号处理及控制单元，脑机接口视觉刺激器通过视觉刺激模块产生不同的刺激标志，与脑电信号同步记录产生同步记录标记，信号处理及控制单元根据同步记录标记区分不同刺激产生的时刻，及产生脑机接口控制信号， 根据脑机接口控制信号，控制无线通信控制模块发送短消息的号码及发送内容的控制代码，控制短消息的发送。
2.根据权利要求1所述的脑机接口短消息发送控制装置，其特征在于，脑电信号采集单元包括脑电头皮电极、前置放大器、高通滤波器、低通滤波器及放大电路、A/D转换器、光隔离电路，置于大脑枕部的脑电头皮电极采集包含视觉诱发电位的脑电信号，通过滤波电路、放大电路处理，送到A/D转换器转换为数字信号，通过数字光隔离电路送到信号处理及控制单元进行处理。
3.根据权利要求1或2所述的脑机接口短消息发送控制装置，其特征在于，信号处理控制单元包括视觉诱发电位的提取与识别部分，视觉诱发电位提取部分对脑电信号采集单元采集的信号进行累加平均，去直流，低通滤波，获得视觉诱发电位信号，视觉诱发电位识别部分将待测试视觉诱发电位信号与视觉刺激模块提供的视觉诱发电位模板进行比较，确定其是否为视觉诱发电位。
4.根据权利要求1或2所述的脑机接口短消息发送控制装置，其特征在于，所述信号处理及控制单元采用RS232与无线通信模块进行串口通信，控制短消息的发送。
专利摘要本实用新型涉及一种脑机接口短消息发送控制装置，脑机接口视觉刺激器采用计算机监视器，通过编程方式产生图形刺激信号，设置短消息发送人选择界面，短消息内容选择界面及确认取消界面，供使用者选择控制。视觉刺激采用瞬态视觉刺激方式，采用同频次复合刺激的时序。信号处理包括脑电信号去直流，累加平均、低通滤波，通过计算与模板间相关系数，判断出受试者所注视的目标，产生脑机接口控制信号。通过脑机接口实验获取发送的手机号码及短消息内容，向通信控制模块TC35发送控制代码，实现短消息的发送。该方法为那些不能通过肢体动作来表达想法和操作设备的人，提供一种新的通讯方式。
文档编号A61B5/0484GK202010156SQ20102068336
公开日2011年10月19日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者何庆华, 冯正权, 吴宝明, 吴海静, 王正国, 田逢春, 石锐, 闫庆广 申请人:中国人民解放军第三军医大学野战外科研究所