专利名称：基于脑电稳态诱发响应的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于脑电稳态诱发响应的控制装置，属自动控制技术领域。
基于脑电稳态诱发响应的控制装置是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道。通过这种通道，人就可以直接通过人脑来表达想法或操纵设备，而不需要通过语言或肢体的动作。
基于脑电稳态诱发响应的控制装置和那些普通的人机接口的主要差别在于，前者不需要任何种类的肌肉响应，只需要检测反映脑的响应性或目的性活动的信号。
已有的实现基于脑电稳态诱发响应的控制装置的比较直接的方法有(1)利用眼部运动控制alpha波alpha波是自发脑电信号中一种特定频率成分的信号。当眼球向上翻时，alpha波的幅度会变大；而睁眼注视面前的物体或闭眼注视前方一个想象中的点可以使alpha波的幅度变小或阻断alpha波。基于这个现象，就可以通过睁眼或闭眼来产生或减小alpha波，然后通过区分alpha波的大小来实现某种控制功能。
(2)基于事件相关脑电信号的方法例如，在人的自主运动发生之前，脑电中存在与该运动关联的称为事件相关去同步的成分，它本质上是一种诱发脑电信号。人们可在记录的脑电信号中识别事件相关信号，并利用它去实现某种控制。
(3)基于自主控制脑电信号的方法这种思路建立在操作性条件反射基础上，认为人可以通过生物反馈来学习控制脑电信号的某些成分。通过自主控制产生相应的脑电信号，以实现某些控制。
(4)基于诱发脑电信号的方法这种方法的基本做法是给受试者以某种刺激，记录不同刺激下诱发的脑电信号，加以识别，然后用识别出的信号实现某种控制。
脑电信号是一种非常微弱的电生理信号。因此，要想借助脑电信号实现某种控制是非常困难的。特别是要在控制中达到较高的正确率，并保证有实时控制的效果，这就更加不容易。上述方法在判断的正确率与实时的效果方面都存在问题。用上述方法的判断正确率虽然优于随便猜测的正确率，但离实际应用都有相当远的距离。
本发明的目的是提供一种可靠的基于脑电稳态诱发响应的控制装置，它不仅能达到很高的判断正确率，而且能保证在使用中的实时性。
本发明的基于脑电稳态诱发响应的控制装置，包括以下各部分(1)闪光刺激器，为一光源，闪烁的频率控制在4-25赫兹；(2)电极，置于人体脑部，记录人体视觉经灯光刺激后产生的脑电信号；(3)脑电信号放大器，将脑电信号通过头皮电极引入后，进行放大；(4)频率分析器，将放大后的脑电信号经A/D转换后，对脑电进行预处理，分析出能量的频率值，并将其与闪光刺激器的闪烁频率相比较，判断出对应的动作，最后对控制设备发出控制信号。
本发明的优点及用途是(1)为思维正常但有运动功能障碍的人提供一种对外界环境进行交流和控制的途径。例如，他们可以通过人脑-计算机接口来控制自己的轮椅、功能性电刺激系统或计算机。
(2)为人们提供一种在特殊环境下附加的控制外界设备的途径。如高加速度下的飞行员等；(3)为人们提供一种全新的娱乐方式。如用思维玩电子游戏，合成音乐等。
图1是本发明的结构框图。
图2是闪光刺激器的电路图。
图3是脑电信号放大器的电路图。
图4是频率放大器程序框图。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。图1所示是本发明的结构框图。其信号处理过程是频率分析器给出闪光刺激器的闪烁频率，人体脑部的电极记录人体视觉，经灯光刺激后产生的脑电信号，并通过头皮电极引入脑电放大器，Vout为放大后的脑电信号。放大后的脑电信号经A/D后输入微处理器或数字信号处理器(DSP)系统，处理系统进行如下软件处理1).对脑电进行预处理，滤除干扰(如工频，肌电，基线)。
2).频率分析器分析出能量的频率值(fmax)。
3).根据fmax和闪光刺激器的闪烁频率，判断出对应的控制动作，最后对被控制设备发出控制信号。
闪光刺激器是按一定频率闪烁的光源。它可以是闪光灯、其他有一定亮度的光源。或者是计算机屏幕上闪烁的光斑。闪烁的频率控制在4赫兹到25赫兹之间。图2是闪光刺激器的电路图。输入信号是一个1MHz的方波信号，由一片可编程器件EPM7128SLC84产生4种不同频率的脉冲信号。这4路脉冲信号经过74LS373驱动后送到输出电路，该电路由一片MC1413和4个发光二极管组成。最后的结果是4个发光二极管L1～L4分别按一定的频率进行闪烁。
电生理实验证明，当给人体的视觉系统一定频率的灯光刺激时，只要受试者的视觉系统是健康的，就可以在受试者的枕部头皮上记录到特征明显的诱发脑电信号。记录信号的特征主要表现在频率域上，即记录信号中有明显的刺激频率及其谐波成分。例如，刺激频率(即灯光的闪烁频率)为8赫兹，则在记录到的脑电信号中就会发现明显的8赫兹与16赫兹的成分。
因为记录到的脑电信号非常微弱，因此在进行特征识别之前必需将其放大。放大后的脑电信号由模拟/数字转换器转换为数字信号，然后就可以送入计算机作进一步的分析与特征提取工作。图3是典型的脑电信号放大器，它是由若干个运算放大器组成的典型的电生理信号放大器。放大器的主要参数是增益1000-4000，通带1-30Hz。
考虑到诱发脑电中包含刺激频率及其谐波成分，为了要得到这些频率成分就必需对信号做频谱分析，这就是频率分析器的功能。
由于计算机的广泛使用，频谱分析通常是由计算机完成的，回此，这是一个数字信号处理的过程。用于完成频谱分析的算法是快速傅里叶变换法(Fast FourierTransform，简称FFT)，它的计算公式是X(k)=Σn=0N-1x(n)·(e-j2πN)nk]]>上式中x(n)是数字化的脑电信号，n＝0～N-1；X(k)就是x(n)的离散傅里叶变换，k＝0～N-1。
为了实现不同要求的控制，可以设计灯光刺激器以不同的频率闪烁。当受试者根据需要注视某一个闪烁灯时，其诱发脑电中就应该包含该闪烁灯闪烁的频率及其谐波成分。只要能从频率分析器中分辨出不同的频率成分，就可以实现相应的控制。图4是频率分析器的程序框图，经过放大后的脑电信号被送入计算机、微处理器或数字信号处理器(DSP)系统完成频谱分析，得到相应的频率成分，再通过计算机编程实现对鼠标的控制。
本发明的基于脑电稳态诱发响应的控制装置的一个典型应用是供残疾人实现对周围环境的控制，例如，开/关灯、开/关电视、开/关风扇等。由信号分析器的输出，我们能得知受试者注视哪一个闪烁灯，于是也就知道他想完成的控制。只要把这一信息传给环境控制器，接通相应的电路，就可以实现对周围电器的控制。
作为一个实施的例子，已在实验室完成了利用视觉诱发电位控制计算机鼠标的实验。
首先在计算机屏幕上设计了一个模拟鼠标，在计算机旁边放着一个刺激盒。盒子上安装着4个分别按不同频率闪烁的发光二极管，表示往4个不同方向的控制。实验的过程中只要受试者注视特定的发光二极管，他的脑电信号中就会出现某一频率的特征。由脑电信号分析器采集受试者的诱发脑电信号，并进行分析就可以识别出受试者所注视的目标。再把分析结果送到计算机中，用软件控制计算机鼠标向既定的方向移动。
实验中所用的脑电信号分析器是一台现成的脑电图机，脑电图机主要由脑电放大器组成。实验获得了成功。不同的受试者都能用同样方法达到既定的目的。鼠标移动平稳，移动的速度已经达到了实际使用的要求。
权利要求
1.一种基于脑电稳态诱发响应的控制装置，其特征在于，该装置包括(1)闪光刺激器，为一光源，闪烁的频率控制在4-25赫兹；(2)电极，置于人体脑部，记录人体视觉经灯光刺激后产生的脑电信号；(3)脑电信号放大器，将脑电信号通过头皮电极引入后，进行放大；(4)频率分析器，将放大后的脑电信号经A/D转换后，对脑电进行预处理，分析出能量的频率值，并将其与闪光刺激器的闪烁频率相比较，判断出对应的动作，最后对控制设备发出控制信号。
全文摘要
本发明涉及一种基于脑电稳态诱发响应的控制装置,包括闪光刺激器,电极,脑电信号放大器和频率分析器。人对闪光刺激产生的脑电信号经放大、A/D转换后,对脑电进行预处理,分析出能量的频率值,并将其与闪光刺激器的闪烁频率相比较,判断出对应的动作,最后对控制设备发出控制信号。本发明的优点及用途是:为思维正常但有运动功能障碍的人提供一种对外界环境进行交流和控制的途径。
文档编号A61B5/0476GK1248426SQ9912216
公开日2000年3月29日 申请日期1999年10月29日 优先权日1999年10月29日
发明者高小榕, 高上凯 申请人:清华大学