脑机接口处理系统及其实现方法与流程

本发明属于脑电信号采集及应用领域，具体涉及一种脑机接口处理系统及其实现方法。

背景技术：

目前，脑电信号的采集、处理、存储及显示技术是脑电监护的核心技术，该技术借助脑电监护仪将所监护病人的脑电信号实时地连续不断显示出来，供神经科的医生观察该病人脑电图的变化情况，以提供及时的抢救和治疗。

而进行脑电监护的对象主要是患有癫痫、颅脑感染、以及影响大脑生理代谢的疾病的病人，但是该类病情很多时候是间歇突发的，并不是一直都在发生的，同时医用的脑电监护仪设备价格贵、体积大，长时间的住院监护，不仅会给病人带来巨大的经济负担，还会耗费巨大的医疗资源，同时由于电信网络结构和协议以及网络技术的变化，科研人员在调用使用者脑电信号时，需要频繁更换各种不同软件进行操作，从而加重了工作量，带来了工作负担。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够方便使用者携带脑电监测设备，便利医生、家属对使用者的看护，并通过开放的API为科研人员调用使用者的脑电信息提供便利的脑机接口处理系统及其实现方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，本发明提供一种脑机接口处理系统，包括脑机接口处理装置和软件应用平台，所述脑机接口处理装置包括依次连接的干电极、脑电信号采集及解析模块、微处理器、无线通信模块和具有无线通信功能的处理及显示终端，所述软件应用平台包括脑电信号存储模块、脑电信号在线反馈模块和开放的API接口，其中：

所述干电极用于与使用者的大脑连接，实时采集使用者的原始脑电信号信号；

所述脑电信号采集及解析模块为ASIC芯片，用于对所述原始脑电信号信号的采集、放大、模数转换以及信号分析；

所述微处理器分别与无线通信模块、脑电信号存储模块、脑电信号在线反馈模块和开放的API接口进行信息交互；

所述无线通信模块与处理及显示终端进行信息交互。

进一步的，所述微处理器采用MSP430单片机，所述无线通信模块为蓝牙模块，所述处理及显示终端为移动电脑或手机。

进一步的，所述脑机接口处理装置还包括报警模块和电源模块，所述报警模块的信号输入端与所述微处理器的报警信号输出端连接，所述电源模块用于为脑电信号采集及解析模块、微处理器、无线通信模块和报警模块提供电源。

进一步的，所述报警模块包括至少一个声光报警器，所述处理及显示终端具有自动拨号功能。

另一方面，本发明还提供一种上述脑机接口处理系统的实现方法，包括：

步骤1：将所述干电极与使用者的大脑连接，所述干电极实时采集使用者不同位置的原始脑电信号，并传输至所述脑电信号采集及解析模块；

步骤2：所述脑电信号采集及解析模块将所述原始脑电信号进行采集、放大、模数转换以及信号分析，并将最终得到的脑电信号传输至所述微处理器；

步骤3：所述微处理器将所述脑电信号传输至所述无线通信模块、脑电信号存储模块、脑电信号在线反馈模块和开放的API接口；

步骤4：所述无线通信模块将所述脑电信号传输至所述处理及显示终端进行显示，所述脑电信号在线反馈模块判断所述脑电信号是否正常，如果正常，则返回步骤1，如果不正常，则执行步骤5；

步骤5：所述脑电信号在线反馈模块通过微处理器将脑电信号不正常的信号传输至所述报警模块和无线通信模块，所述报警模块发出报警信号，所述无线通信模块将脑电信号不正常的信号传输至处理及显示终端，所述处理及显示终端启用自动拨号功能通知医生和家属。

进一步的，步骤5之后还包括：

步骤6：科研人员通过所述软件应用平台调用采集到的脑电信号。

进一步的，所述开放的API接口采用基于API安全属性隐藏的软件保护方法进行保护，所述API安全属性隐藏包括API安全属性集、基础模块构建和文件重构，其中：

所述API安全属性集包括API名字、API调用位置、API参数、API入口点和API返回值；

所述基础模块构建包括变形传参代码块、新入口代码块和返回值加密功能模块，所述变形传参代码块用于将所述API参数所指向的代码用目标代码混淆器进行混淆，所述新入口代码块用于将程序导入模块动态转储到一个新的地址中，并将新地址处的API入口地址作为对应API的新入口点，所述返回值加密功能模块用于采用伪随机数生成器生成密钥，并采用加密算法加密返回值；

所述文件重构包括API名字清除、基础模块嵌入和陷阱指令插入，所述API名字清除用于将软件应用平台中所有被保护的文件中的API名字进行清除，所述基础模块嵌入用于嵌入到被保护的文件中，依次执行所述变形传参代码块、新入口代码块和返回值加密功能模块，进而生成保护后的新文件，所述陷阱指令插入包含陷阱处理函数，用于解密所述返回值加密功能模块，获取解密密钥。

进一步的，所述步骤6中，所述开放的API接口进行保护后，科员人员通过所述软件应用平台调用采集到的脑电信号时需进行安全认证，包括：

步骤61：所述开放的API接口接收并响应科员人员通过电脑服务器所发送的调用采集到的脑电信号的API请求，然后根据所述API请求提取出API调用位置，并得到所述API调用位置的API名字、API参数、API入口点和API返回值，然后进入所述基础模块构建依次执行变形传参代码块、新入口代码块和返回值加密功能模块，同时执行所述API名字清除以清除所述API名字，进而生成保护后的文件，即实现应用平台的安全保护；

步骤62：当执行至所述API返回值时，预先设置的所述陷阱指令被触发，跳入陷阱处理函数中解密所述返回值加密功能模块，进而可判断解密的返回值与程序中所存在的API解密返还值是否对应，若是，转到步骤63，否则转到步骤64；

步骤63：所述软件应用平台将API响应信息发送给电脑服务器，科研人员得到所需要的用户脑电信息；

步骤64：所述软件应用平台将认证失败信息发送给电脑服务器，停止API响应。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的脑机接口处理系统及其实现方法使用干电极对使用者的脑电信号进行采集，并采用ASIC芯片作为脑电信号采集及解析模块进行信号采集和处理，ASIC芯片集成了采集、放大、模数转换以及脑电信号分析等功能，功能强大，体积小，重量轻，实现了脑机接口处理装置的便携性，同时本发明的脑机接口处理系统还具有脑电信号异常报警功能，可以在使用者犯病时发出报警信号；软件应用平台使用脑电信号存储模块可以存储长时间脑电信号，使用无线通信模块传输采集到的脑电信号，方便处理及显示终端对脑电信号进行显示监控；本发明的脑机接口处理系统大大缩小了设备的体积，方便病人随身携带使用，降低了监护成本，同时存储的数据有利于医生事后对病情的诊断；本发明的脑机接口处理系统及其实现方法中的软件应用平台使用开放的API接口，为科研人员调用使用者脑电信号提供了方便。

附图说明

图1为本发明的脑机接口处理系统的基本系统框架示意图；

图2为本发明的脑机接口处理系统的实现方法的流程示意图；

图3为本发明的脑机接口处理系统的实现方法的软件应用平台安全认证的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种脑机接口处理系统，如图1所示，包括脑机接口处理装置100和软件应用平台200，脑机接口处理装置100包括依次连接的干电极101、脑电信号采集及解析模块102、微处理器103、无线通信模块104和具有无线通信功能的处理及显示终端105，软件应用平台200包括脑电信号存储模块201、脑电信号在线反馈模块202和开放的API接口203，其中：

干电极101用于与使用者的大脑连接，实时采集使用者的原始脑电信号信号；

脑电信号采集及解析模块102为ASIC芯片，用于对原始脑电信号信号的采集、放大、模数转换以及信号分析；

微处理器103分别与无线通信模块104、脑电信号存储模块201、脑电信号在线反馈模块202和开放的API接口203进行信息交互；

无线通信模块104与处理及显示终端105进行信息交互。

本发明的脑机接口处理系统使用干电极101对使用者的脑电信号进行采集，并采用ASIC芯片作为脑电信号采集及解析模块102进行信号采集和处理，ASIC芯片集成了采集、放大、模数转换以及脑电信号分析等功能，功能强大，体积小，重量轻，实现了脑机接口处理装置的便携性，同时本发明的脑机接口处理系统还具有脑电信号异常报警功能，可以在使用者犯病时发出报警信号；软件应用平台200使用脑电信号存储模块201可以存储长时间脑电信号，使用无线通信模块104传输采集到的脑电信号，方便处理及显示终端105对脑电信号进行显示和监控；本发明的脑机接口处理系统大大缩小了设备的体积，方便病人随身携带使用，降低了监护成本，同时存储的数据有利于医生事后对病情的诊断；本发明的脑机接口处理系统中的软件应用平台200使用开放的API接口203，为科研人员调用使用者脑电信号提供了方便。

优选的，微处理器可以采用MSP430单片机，无线通信模块104为蓝牙模块，处理及显示终端为移动电脑或手机。MSP430单片机体积小、功耗低，蓝牙模块具备高速稳定安全的信号传输特点，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换，移动电脑或手机可以随身携带，方便医生或使用者家属随时了解使用者的病情。

进一步的，脑机接口处理装置100还可以包括报警模块107和电源模块106，报警模块107的信号输入端与微处理器103的报警信号输出端连接，电源模块106用于为脑电信号采集及解析模块102、微处理器103、无线通信模块104和报警模块107提供电源。电源模块优选采用3.7V聚合物锂电池，体积小，供电时间长。

优选的，报警模块107包括至少一个声光报警器，处理及显示终端105具有自动拨号功能。当使用者的脑电信号发生异常是，声光报警器在接收到报警信号时能够同时发出声、光两种报警信号，并且处理及显示终端105启动自动拨号功能通知医生和使用者家属。

另一方面，本发明还提供一种上述脑机接口处理系统的实现方法，如图2至图3所示，包括：

步骤S1：将干电极101与使用者的大脑连接，干电极101实时采集使用者不同位置的原始脑电信号，并传输至脑电信号采集及解析模块102；

步骤S2：脑电信号采集及解析模块102将接原始脑电信号进行采集、放大、模数转换以及信号分析，并将最终得到的脑电信号传输至微处理器103；

步骤S3：微处理器103将脑电信号传输至无线通信模块104、脑电信号存储模块201、脑电信号在线反馈模块202和开放的API接口203；

步骤S4：无线通信模块104将脑电信号传输至处理及显示终端105进行显示，脑电信号在线反馈模块202判断脑电信号是否正常，如果正常，则返回步骤S1，如果不正常，则执行步骤S5；

步骤S5：脑电信号在线反馈模块202通过微处理器103将脑电信号不正常的信号传输至报警模块107和无线通信模块104，报警模块107发出报警信号，无线通信模块104将脑电信号不正常的信号传输至处理及显示终端105，处理及显示终端105启用自动拨号功能通知医生和家属。

本发明的脑机接口处理系统的实现方法使用干电极101对使用者的脑电信号进行采集，并采用ASIC芯片作为脑电信号采集及解析模块102进行信号采集和处理，同时本发明的脑机接口处理系统还具有脑电信号异常报警功能，可以在使用者犯病时发出报警信号；软件应用平台200使用脑电信号存储模块201可以存储长时间脑电信号，使用无线通信模块104传输采集到的脑电信号，方便处理及显示终端105对脑电信号进行显示和监控；本发明的脑机接口处理系统的实现方法使得存储的数据有利于医生事后对病情的诊断。

进一步的，步骤S5之后还包括：

步骤S6：科研人员通过软件应用平台调用采集到的脑电信号。本发明的脑机接口处理系统中的软件应用平台200使用开放的API接口203，为科研人员调用使用者脑电信号提供了方便。

优选的，开放的API接口203采用基于API安全属性隐藏的软件保护方法进行保护，API安全属性隐藏包括API安全属性集300、基础模块构建400和文件重构500，其中：

API安全属性集300包括API名字301、API调用位置302、API参数303、API入口点304和API返回值305；

基础模块构建400包括变形传参代码块401、新入口代码块402和返回值加密功能模块403，变形传参代码块401用于将API参数所指向的代码用目标代码混淆器进行混淆，新入口代码块402用于将程序导入模块动态转储到一个新的地址中，并将新地址处的API入口地址作为对应API的新入口点，返回值加密功能模块403用于采用伪随机数生成器生成密钥，并采用加密算法加密返回值；

文件重构500包括API名字清除501、基础模块嵌入502和陷阱指令插入503，API名字清除501用于将软件应用平台中所有被保护的文件中的API名字301进行清除，基础模块嵌入502用于嵌入到被保护的文件中，依次执行变形传参代码块401、新入口代码块402和返回值加密功能模块403，进而生成保护后的新文件，陷阱指令插入503包含陷阱处理函数，用于解密返回值加密功能模块403，获取解密密钥。

本发明的软件应用平台200中的API接口203由于是开放式的，容易受到攻击，盗取使用者的信息。当攻击者攻击软件应用平台时，需要获取API的安全属性有：API名字、API参数和返回值，因此需对软件应用平台200进行保护，本发明采用基于API安全属性隐藏的软件保护方法，对API安全属性进行隐藏，攻击者不能提取出API名字、API参数和返回值镇邪内容，并且由于隐藏后，程序使用的是新的入口点，并对返回值进行加密处理，攻击者及时篡改了返回值，也不能使程序按照预期的流程来执行，本发明采用基于API安全属性隐藏的软件保护方法在一定程度上能够阻止API安全属性的获取。

作为本发明的另一种改进，步骤S6中，开放的API接口203进行保护后，科员人员可以通过软件应用平台200调用采集到的脑电信号时需进行安全认证，包括：

步骤S61：开放的API接口203接收并响应科员人员通过电脑服务器所发送的调用采集到的脑电信号的API请求，然后根据API请求提取出API调用位置302，并得到API调用位置302的API名字301、API参数303、API入口点304和API返回值305，然后进入基础模块构建400依次执行变形传参代码块401、新入口代码块402和返回值加密功能模块403，同时执行API名字清除501以清除API名字301，进而生成保护后的文件，即实现应用平台的安全保护；

步骤S62：当执行至API返回值305时，预先设置的陷阱指令503被触发，随后跳入陷阱处理函数中解密返回值加密功能模块403，进而可判断解密的返回值与程序中所存在的API解密返还值是否对应，若是，转到步骤S63，否则转到步骤S64；

步骤S63：软件应用平台200将API响应信息发送给电脑服务器，科研人员得到所需要的用户脑电信息；

步骤S64：软件应用平台200将认证失败信息发送给电脑服务器，停止API响应。

科员人员通过软件应用平台200调用采集到的脑电信号时进行需安全认证的方法，既方便科研人员对脑电信号的提取，又能防止攻击者窃取使用者的健康信息，保证了使用者健康信息的安全性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。