一种多功能人脑计算机接口头盔的制作方法

本发明属于电磁技术及神经电生理技术领域，尤其是一种多功能人脑计算机接口头盔。

背景技术：

人脑计算机接口已经成为世界范围广泛研究的课题，如何简单有效地获取高精度、实时的人脑电信号已成为研究的重要内容之一。目前精确获得人脑电信号的方法通常为有创性的，如通过手术的方式在大脑皮层表面某一区域贴敷或植入微电极阵列，这种方法多处于实验阶段，而且人脑手术存在风险，很难被人们接受和推广。在头皮表面安装头皮电极来获取脑电信号的方法已被人们广泛应用于医疗检查及医学实验，但是目前的头皮电极普遍存在体积较大、结构材料单一、安装方法繁琐、电磁屏蔽效果欠佳等问题，而且能在头皮表面安装的电极数量及密度较低，无法获取更加精细的大脑电信号。

目前人脑计算机接口的研究仅仅限于人脑信息到计算机的单向接口研究。而如何将信息以无创的方式从计算机传入大脑并作用于神经细胞的研究及实际应用几乎是空白，现有相关研究及应用多为有创性的，如一些高端人工视觉是通过在大脑视觉皮层表面植入电极实现的，但这些方法均为有创性的，同样存在极大风险。如何无创地将人造感觉传入大脑并与大脑产生交互的研究仍是空白。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多功能人脑计算机接口头盔，解决头皮电极无法精细获得大脑信号的问题以及人脑双向信息交互的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种多功能人脑计算机接口头盔，包括头盔外壳，在头盔外壳上安装有皮层电信号读取单元和皮层磁信号写入单元；所述皮层电信号读取单元包括依次连接的超微头皮电极阵列、微型多通道信号放大器、微型多通道模数转换器和信号传输器，所述超微头皮电极阵列安装在头盔阵列插槽中并可在头盔阵列插槽中上下移动，所述微型多通道信号放大器、微型多通道模数转换器、信号传输器安装在头盔壳体内并通过内部线缆汇总至头盔数据线，所述超微头皮电极阵列位于大脑皮层躯体运动中枢所对应的头皮表面；所述皮层磁信号写入单元由多个位于头盔壳体内立体定向磁头组成，每个立体定向磁头的连接导线汇总至头盔数据线，所述立体定向磁头阵列位于大脑皮层躯体感觉中枢所对应的头皮表面。

所述头盔外壳由弹性非导电材料制成，其内表面紧密帖服于头皮表面并覆盖在大脑皮层躯体运动中枢及躯体运动感觉中枢所对应的头皮之上。

所述超微头皮电极阵列由超微头皮电极阵列模块和主体安装在超微头皮电极阵列模块内的一组超微头皮电极构成；所述超微头皮电极包括超微头皮电极头部、超微头皮电极体部、超微头皮电极尾部、电极线和弹簧，所述超微头皮电极体部设置在超微头皮电极头部上，所述超微头皮电极尾部一端与超微头皮电极体部相连接且超微头皮电极尾部另一端与电极线相连，所述电极线一端与超微头皮电极尾部相连，电极线另一端穿过超微头皮电极阵列模块表面并与上位设备相连实现信号传递功能，所述弹簧安装在超微头皮电极尾部上方；在超微头皮电极阵列模块内部设有电极仓，所述超微头皮电极尾部及弹簧安装电极仓中可上下移动，在电极仓下端设有电极滑动孔并与超微头皮电极阵列模块外部相通起到支撑和引导超微头皮电极体部作用。

所述超微头皮电极阵列模块由硬质塑料制成，在超微头皮电极阵列模块表面设有电磁屏蔽涂层；所述超微头皮电极头部、超微头皮电极体部、超微头皮电极尾部及电极线均由银材料或铜材料制成；所述超微头皮电极头部呈半球形，表面覆盖石墨烯或白金材料；所述超微头皮电极体部呈细长圆柱形，表面镀有坡莫合金或铝材料组成的电磁屏蔽涂层；所述超微头皮电极尾部呈短圆柱形，直径大于超微头皮电极头部和超微头皮电极体部；所述电极线外部包裹绝缘橡胶及电磁屏蔽层；所述电极仓的内壁呈圆柱形，直径略大于超微头皮电极尾部直径，所述电极滑动孔的内壁呈圆柱形，直径略大于超微头皮电极体部直径；所述一组超微头皮电极的每个电极线分别与上位设备相连接，或者一组超微头皮电极的每个电极线连通后共同与上位设备相连接。

所述立体定向磁头包括立体定向磁头外壳、脉冲磁场线圈、脉冲磁场导向柱、多个磁场立体定向控制线圈和磁场导向圆锥环；所述脉冲磁场导向柱套装在脉冲磁场线圈中央且该脉冲磁场线圈安装在立体定向磁头外壳内部的上端，所述多个磁场立体定向控制线圈按圆环状均布安装在立体定向磁头外壳内部的下端，所述磁场导向圆锥环安装在立体定向磁头外壳的底部。

所述脉冲磁场线圈通过脉冲磁场线圈支架盘安装在立体定向磁头外壳的内部，所述多个磁场立体定向控制线圈通过磁场立体定向控制线圈支架盘安装在立体定向磁头外壳的内部；所述脉冲磁场线圈支架盘和磁场立体定向控制线圈支架盘均采用塑料材质制成；所述立体定向磁头外壳采用高磁导率材料制成；所述脉冲磁场导向柱采用金属材质制成且该脉冲磁场导向柱下端成倒圆锥形；所述磁场导向圆锥环采用高磁导率材料制成，其形状为上宽下窄的倒梯形圆环，圆环上内孔径大于下内孔径；所述脉冲磁场线圈通过包裹有电磁屏蔽橡胶层的连接导线与脉冲磁场线圈控制单元相连接；所述多个磁场立体定向控制线圈通过包裹有电磁屏蔽橡胶层的连接导线与磁场立体定向控制线圈控制单元相连接，各个磁场立体定向控制线圈之间通过包裹有电磁屏蔽橡胶层的连接导线串联在一起。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明将皮层电信号读取单元和皮层磁信号写入单元结合在一起，通过超微头皮电极阵列读取皮层运动信号，通过立体定向磁头阵列写入皮层感觉磁信号，不仅实现了人脑信息到计算机的信号读取功能，而且可以将信息以无创的方式从计算机传入大脑并作用于神经细胞，其根据基本电磁场理论，利用低频磁场有强大的穿透能力、脉冲磁场作用于大脑可改变大脑皮层神经细胞的膜电位，使之产生感应电流影响脑内代谢和神经电活动的原理，并且通过对脉冲磁场的方向、磁感应强度进行控制，通过计算机对脉冲磁场进行编码，从而使特定的大脑皮层神经细胞产生特定的神经电活动，最终实现对人脑皮层神经细胞电活动的控制。

2、本发明超微头皮电极阵列体积微小并可在单位面积上组成极其密集的阵列，因此，其电极数量及密度非常高；并且超微头皮电极采用全电磁屏蔽设计，可以无创地获得极其精细、清晰的脑电信号。

3、本发明与人脑建立双向神经网络连接，人脑可以直接控制电子外骨骼按人脑的意图产生各种动作，并运用多种方法使电子外骨骼平稳、平衡地运作，从而实现人脑与外周设备的双向数据交互，可广泛应用于神经系统损伤造成的肢体运动、肢体感觉功能障碍人群的康复及生活辅助；也可应用于人脑对计算机应用程序、游戏等的交互及机器(人)操控等领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为皮层电信号读取单元的结构示意图；

图3为多功能人脑计算机接口头盔的使用示意图；

图4为超微头皮电极阵列按下时的状态示意图；

图5为超微头皮电极阵列作用于人脑的示意图；

图6为立体定向磁头阵列作用于人脑的示意图；

图7为超微头皮电极阵列的结构示意图；

图8为超微头皮电极阵列的三维透视图；

图9为超微头皮电极阵列与头皮接触的局部剖面图；

图10为立体定向磁头的三维透视图；

图11为立体定向磁头产生磁力线剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种多功能人脑计算机接口头盔，如图1及图3所示，由头盔外壳4、皮层电信号读取单元和皮层磁信号写入单元构成，所述皮层电信号读取单元和皮层磁信号写入单元安装在头盔外壳上实现读取皮层运动信号和写入皮层感觉磁信号的功能。

所述头盔外壳由具有一定厚度的弹性非导电材料制成，头盔可以覆盖整个头部所对应的大脑皮层功能区头皮，也可以做成特定的形状对应相应的大脑皮层功能区头皮，用于读取皮层运动信号以及写入皮层感觉磁信号。本实施例的头盔外壳形状类似于英文字母c，可以像发卡一样简单穿戴，其内表面紧密帖服于头皮表面，覆盖在大脑皮层躯体运动中枢及躯体运动感觉中枢所对应的头皮之上。

如图2所示，所述皮层电信号读取单元包括超微头皮电极阵列3-a、微型多通道信号放大器4-2、微型多通道模数转换器4-3、信号传输器4-4及内部连线组成。一个或多个超微头皮电极阵列3-a采集的脑电信号通过电极线1-4与微型多通道信号放大器4-2连接，微型多通道信号放大器4-2将信号放大后传送给微型多通道模数转换器4-3将模拟信号转化为数字信号，微型多通道模数转换器4-3将转化的数字信号传送至信号传输器4-4，信号传输器4-4通过内部线缆汇总至头盔数据线4-5与上位设备连接，也可以通过无线的方式与上位设备连接。如图1及图3所示，超微头皮电极阵列3-a安装在头盔阵列插槽4-1中，并可在头盔阵列插槽4-1中上下移动，如图4所示，当超微头皮电极阵列3-a向下压入头盔阵列插槽4-1后，超微头皮电极阵列中的超微头皮电极将与头皮接触，如图5所示，多个超微头皮电极阵列3-a位于大脑皮层躯体运动中枢2-j所对应的头皮之上，采集大脑皮层躯体运动中枢产生的电信号。所述微型多通道信号放大器4-2、微型多通道模数转换器4-3、信号传输器4-4由微型单板机构成，位于头盔壳体内。

超微头皮电极阵列3-a由超微头皮电极阵列模块1-6和主体安装在超微头皮电极阵列模块内的一组超微头皮电极1-0构成。所述超微头皮电极主体呈尾部膨大的细长圆柱形，由导电性良好的银、铜等金属材质构成。所述超微头皮电极阵列模块由硬质塑料等构成，可为立方形、圆柱形或根据实际应用环境的特殊形状，内部可容纳一个或多个超微头皮电极并组成阵列。

如图7至图8所示，超微头皮电极包括超微头皮电极头部1-1、超微头皮电极体部1-2、超微头皮电极尾部1-3、电极线1-4和弹簧1-5。所述超微头皮电极头部与头皮接触，呈半球形，表面覆盖导电性良好的石墨烯或白金等材料，增加与头皮组织接触的导电性和对人体组织的亲和性。超微头皮电极体部呈细长圆柱形并设置在超微头皮电极头部上，表面镀有坡莫合金或铝等材料组成的电磁屏蔽涂层，用于屏蔽外界电磁波的干扰和电极之间相互的干扰。超微头皮电极尾部呈短圆柱形，直径大于超微头皮电极头部和超微头皮电极体部，其下端与超微头皮电极体部相连接且上端与电极线相连。所述电极线为导电性良好的银、铜等材质，外部包裹绝缘橡胶及电磁屏蔽层，电极线一端与超微头皮电极尾部相连，电极线另一端穿过超微头皮电极阵列模块表面并与上位设备相连实现信号传递功能。所述弹簧安装在超微头皮电极尾部上方，当超微头皮电极受力向上移动时，弹簧被压缩，当受力解除时，在弹簧的作用下超微头皮电极恢复到原先位置。超微头皮电极阵列模块内部设有电极仓1-7，在电极仓的下端制有电极滑动孔1-8，在超微头皮电极阵列模块表面设有电磁屏蔽涂层1-9。所述电极仓内壁呈圆柱形，直径略大于超微头皮电极尾部直径，超微头皮电极尾部可在电极仓中上下移动，弹簧位于电极仓内的超微头皮电极尾部上部。所述电极滑动孔内壁呈圆柱形，直径略大于超微头皮电极体部直径，电极滑动孔上部与电极仓相连通，电极滑动孔下部与超微头皮电极阵列模块外部相通；超微头皮电极体部可沿电极滑动孔上下移动，电极滑动孔对超微头皮电极体部起到支撑和导向作用。超微头皮电极阵列模块表面的电磁屏蔽涂层，用于屏蔽外界电磁波的干扰。

超微头皮电极阵列的工作原理如图9所示，超微头皮电极阵列模块下降时，由于超微头皮电极头部细小、体部细长，所以超微头皮电极头部可以穿过头皮表面毛发直达头皮表面。当超微头皮电极头部与头皮a相接触时，在头皮的向上的阻力下，超微头皮电极与超微头皮电极阵列模块产生相对运动，弹簧被压缩，由于人头部为圆形，头皮表面存在弧度，且头皮表面毛囊、油脂等使头皮表面高低不平，电极阵列模块中不同超微头皮电极与电极阵列模块相对运动的幅度均有所不同，在弹簧的作用下，每个超微头皮电极头部均与头皮表面紧密接触保，这样既保证了每个超微头皮电极对头皮表面弧度及不平的适应，同时也保证了每个超微头皮电极与头皮良好的导电性。虽然每个超微头皮电极头部与头皮接触面积均很小，但由于超微头皮电极阵列模块中由多个超微头皮电极组成阵列可以平均分担超微头皮电极阵列对头皮表明的压强，且弹簧也缓冲了超微头皮电极头部对头皮表明的冲击，这样便不会对头皮表面产生损伤和不适感。

如图1所示，所述皮层磁信号写入单元由多个位于头盔壳体内立体定向磁头组成的立体定向磁头阵列3-b组成，每个立体定向磁头的连接导线汇总至头盔数据线4-5并与上位设备连接。如图6所示，将立体定向磁头阵列3-b放置于大脑皮层躯体感觉中枢2-k所对应的头皮表面，其产生的低频磁场可穿过头皮及颅骨作用于躯体感觉中枢2-k。

如图10及图11所示，立体定向磁头由立体定向磁头外壳2-1、脉冲磁场线圈2-2、脉冲磁场导向柱2-3、多个磁场立体定向控制线圈2-4、磁场导向圆锥环2-5、脉冲磁场线圈支架盘2-6、磁场立体定向控制线圈支架盘2-7构成。所述脉冲磁场导向柱套装在脉冲磁场线圈中央，所述脉冲磁场线圈通过脉冲磁场线圈支架盘安装在立体定向磁头外壳内部的上端，该脉冲磁场线圈通过脉冲磁场线圈连接导线2-d连接到脉冲磁场线圈控制单元上；所述多个磁场立体定向控制线圈通过磁场立体定向控制线圈支架盘均布安装在立体定向磁头外壳内部的下端，该多个磁场立体定向控制线圈通过立体定向控制线圈连接导线2-e连接到磁场立体定向控制线圈控制单元上，所述磁场导向圆锥环安装在立体定向磁头外壳的底部。

所述立体定向磁头外壳采用高磁导率的材料(如坡莫合金及铝等)用来屏蔽直流磁场和低频交流磁场，从而防止相邻的立体定向磁头本身产生的磁场的相互影响。所述脉冲磁场线圈用于产生脉冲磁场(如图11中2-b指向的为脉冲磁场线圈产生的磁感线)。所述脉冲磁场导向柱采用金属材质，能够使脉冲磁场极向按导向柱纵轴方向分布，该导向柱下端成倒圆锥形，可以控制磁感线密度。所述多个磁场立体定向控制线圈呈圆环状均匀分布，它们所产生的磁场呈圆环状(如图11中2-a指向的为立体定向控制线圈产生的磁感线)，每个控制线圈形成的磁场与脉冲磁场线圈形成的脉冲磁场在纵轴上极向相同，故两种磁场相互排斥，当脉冲磁场线圈形成的脉冲磁场通过多个控制线圈形成的磁场圆环时，脉冲磁场线圈形成的脉冲磁场将被压缩成尖部向下的圆锥状，脉冲磁场能量密度将集中在圆锥尖部(如图11中2-c点)，通过调整控制线圈产生磁场的强弱，改变脉冲磁场线圈形成的脉冲磁场的形状，从而可以使2-c点在脉冲磁场线圈纵轴方向上下移动，从而实现立体定向目的。脉冲磁场线圈形成的脉冲磁场能量集中点(图11中的2-c点)，该点的能量强度刚好可以使位于该点的大脑皮层神经细胞产生膜电位，而磁场其它部分能量强度无法达到大脑皮层神经细胞产生膜电位的阈值，通过调节该点在大脑皮层的位置可以精确控制该点所对应大脑皮层功能区的细胞电活动。所述磁场导向圆锥环为上宽下窄的倒梯形圆环，圆环上内孔径大于下内孔径，圆环采用高磁导率的材料(如坡莫合金及铝等材料)，用来屏蔽直流磁场和低频交流磁场，并引导脉冲磁场线圈产生的磁场从圆环内孔导出；同时屏蔽立体定向控制线圈的磁场外泄。所述脉冲磁场线圈支架盘用于支持并固定脉冲磁场线圈，其采用塑料材质制成，不对磁场产生影响。所述磁场立体定向控制线圈支架盘用于支持并固定磁场立体定向控制线圈，其采用塑料材质制成，不对磁场产生影响。所述脉冲磁场线圈连接导线2-d用于连接脉冲磁场线圈和脉冲磁场线圈控制单元，其外部包裹电磁屏蔽橡胶层，防止立体定向磁头内部电磁干扰。所述多个磁场立体定向控制线圈2-e用于连接多个磁场立体定向控制线圈和磁场立体定向控制线圈控制单元，各个磁场立体定向控制线圈之间通过立体定向控制线圈连接导线2-f串联在一起，上述连接导线外部包裹电磁屏蔽橡胶层，防止立体定向磁头内部电磁干扰。上述脉冲磁场线圈连接导线2-d、立体定向控制线圈连接导线2-e汇入导线外套管2-g并引向上位设备。

所述立体定向磁头阵列3-b由多个立体定向磁头3组成密集阵列，每一个立体定向磁头的脉冲磁场线圈产生的磁场强度、脉冲频率、磁场极向均由脉冲磁场线圈控制单元单独调控；每一个立体定向控制线圈磁场强度、磁场极向均由磁场立体定向控制线圈控制单元单独调控。因此，立体定向磁头阵列将产生可定位、可编码、与目标大脑皮层神经细胞群神经电活动相匹配的复杂的脉冲磁场。

本发明可以与运控控制系统及感觉控制系统连接在一起实现双向神经网络控制功能。多功能人脑计算机接口头盔通过头皮表面的超微头皮阵列采集大脑躯体运动中枢产生电信号，经信号放大器放大、模数转换器转化为数字信号并由信号传输器传送至运动控制系统(上位设备)。多功能人脑计算机接口头盔通过头皮表面的立体定向磁头阵列接收感觉控制系统(上位设备)的控制向大脑躯体感觉中枢传入人造感觉信号。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。