一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器

本发明属于脑-机接口系统外部信息辅助设备，尤其涉及一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器。

背景技术

0、
背景技术：

1、脑机接口(brain-computer i nterface，bci)技术是在大脑与外部设备间建立直接连接通路，将采集到的脑信号解码并转换成为控制指令，控制外部设备实现特定功能和任务的新型人机交互技术。它能够帮助神经系统功能障碍患者实现与外部环境的交流与表达，在助残、康复工程、智慧医疗等领域具有非常广阔的应用前景。

2、bci技术分为自发式bci技术和诱发式bci技术。其中,诱发式bci技术直接以外界刺激诱发大脑产生信号，操控任务简单，易于实现多目标控制指令的输出，系统的通信效率相对更高，是当前阶段首选的bci技术。

3、由于诱发式bci依赖人体的感觉神经通路将外界刺激传导到大脑，针对特定的人群采用对应的刺激方式诱发大脑产生信号尤为重要。在诱发式bci系统中，基于稳态体感诱发电位(steady-state somatosensory evoked potent ia l,sssep)的sssep-bci只通过躯体感觉通路诱发大脑产生信号，而不需占用额外的视觉或听觉神经通路，有助于视觉或听觉神经通路受损的残疾人群实现与外部环境的交互。

4、sssep-bci的实现原理是：通过使用者选择性注意来自身体不同部位的特定频率的体感刺激，引发大脑皮层神经电活动的模式变化。每个身体部位的体感刺激分别对应一个可执行的控制命令，例如：开始/停止移动轮椅，向左/右转动轮椅，紧急呼救等。

5、体感刺激发生器一般包括输入模块、主控模块、驱动模块和输出模块，输入模块通常与计算机进行通信，接收计算机的指令；主控模块通常是单片机，它用于解析输入模块接收的指令，对驱动模块进行控制；驱动模块一般为脉冲整流电路、升压电路或者其他能够产生合适的驱动信号的电路；输出模块一般为电极、振动马达、振动音圈或者其他能够以电流、振动等形式向人体输出刺激的介质或物体。

6、稳态体感刺激发生器是一种用于sssep-bci的体感刺激发生器，它根据上位机的刺激编码指令，在使用者身体的不同部位产生特定频率的体感刺激，通过使用者的选择性注意对大脑信号进行编码。

7、目前在sssep-bci的研究中，一般采用体感电刺激发生器，体感电刺激发生器根据上位机的指令对手指或正中神经施加按一定模式呈现的电刺激，电刺激被皮肤感受到后，经躯体感觉神经通路传导至大脑皮质感觉区，对大脑皮质感觉区的脑信号进行编码。

8、在《基于稳态体感诱发电位的脑电特征识别及脑网络研究》中设计的一款便携式电刺激器硬件结构，其包括输入模块、定时模块、升压模块、脉冲发生模块和输出模块。为满足便携式要求，系统选取了轻便耐用的脉冲发生器。同时，系统设计定时模块对刺激输出的时间模式进行控制，以防止长时间的电刺激使组织感到疲劳。系统还在脉冲发生模块中引入了液晶显示器，可以对电刺激脉冲的占空比和刺激频率进行调节。电刺激器可以输出频率为1～100hz，占空比为0％～100％可调的电刺激。方案一中的便携式电刺激器广泛用于稳态体感诱发电位的研究中，但是由于其以脉冲电流的形式输出刺激，一方面容易让使用者产生肌肉疲劳，影响sssep-bci系统的使用效果。另一方面，电刺激可能造成电极周围组织的热损伤，对使用者造成一定的创伤，降低实际应用的用户可接受度。

9、由于系统中没有设计相应的隔离电路和安全保护电路，例如若人为失误导致定时模块参数设置错误，则系统可能会长时间输出电刺激，给使用者的身体造成不可逆的损伤。

10、在《稳态体感诱发电位的提取与分析》中设计的电流刺激器包括主控系统、信号隔离电路、刺激发生电路、安全冗余电路和直流高压电源。主控系统采用包含高性能模-数转换器和数-模转换器的单片机产生控制信号和幅度信号。设计信号隔离电路对控制刺激电路的脉冲电路信号、阻抗检测信号进行隔离。刺激发生电路采用v型槽mos场效应管，并采用深度电流负反馈提高电流控制的精度。此外，系统中设计了一种单稳态安全冗余电路，在一定的刺激时间后关断刺激脉冲。

11、在使用时，通过计算机对主控单片机编程产生相应波形，控制刺激发生电路输出电刺激。系统可输出时间为0.2～1ms，频率为1～100hz，强度为0～100ma的电刺激，且电刺激的精度能达到0.1ma。

12、在使用时，通过计算机对主控单片机编程产生相应波形，控制刺激发生电路输出电刺激。系统可输出时间为0.2～1ms，频率为1～100hz，强度为0～100ma的电刺激，且电刺激的精度能达到0.1ma。

13、技术二中的电流刺激器为保证精度和使用者的安全，在系统中采用了隔离高压电源，同时设计了信号隔离电路和安全冗余电路，体积较大，结构复杂，降低了系统的便携度，只能应用于实验室内。此外，这种电流刺激器很容易产生刺激伪迹，在使用时通常要经过长时间繁琐的准备来消除刺激伪迹。

14、专利cn 1748810a公开的《一种基于振动的体感诱发电位刺激系统》，由单片微计算机、脉冲整型电路、功率放大驱动电路、状态显示器、体感刺激发生器和辅助固定装置等组成。

15、在使用时，由单片微计算机产生特定频率、占空比可调的脉冲驱动信号，使体感刺激发生器输出体感刺激。其通过对振动波形进行特征包络，产生类似于触觉、振动觉或痛觉的体感刺激信号。

16、技术三中的方案目的是产生类似于触觉、振动觉和痛觉的体感刺激信号，无法精确、稳定地产生特定频率和强度的振动刺激，因此不能用于sssep-bci。而且系统只能输出一路体感刺激信号，可扩展性较差。

技术实现思路

1、针对现有技术存在技术问题，本发明一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器，该发生器可以解决现有技术存在的问题包括：

2、1)对于体感电刺激发生器以脉冲电流的形式刺激肌肉或皮肤，容易造成使用者的肌肉疲劳，长时间的电流刺激甚至可能造成电极周围组织的热损伤，不仅影响实验效果，还会降低用户的接受度；

3、2)对于便携式体感电刺激发生器，由于缺少保护电路和信号隔离电路的设计，安全性较低；

4、3)对于具有安全保护电路和信号隔离电路的体感电刺激发生器，结构复杂，便携度低，而且成本高昂，只能用于实验室；

5、4)对于基于振动的体感诱发电位刺激系统，其无法精确、稳定地输出特定频率和强度的振动刺激，不能用于sssep-bci；而且系统输出的刺激数量和形式单一，无法满足sssep-bci对于指令集的扩展需求。

6、为了解决现有技术问题，本发明采用如下技术方案：

7、一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器，所述刺激发生器包括上位机、刺激部、控制电路和振动马达；

8、所述上位机为pc或带有无线通信接口的移动终端。

9、所述刺激部为刺激发生器的外部封装和固定装置。

10、进一步地，所述刺激部上设置有夹紧件或连接带，与用户的身体部位进行固定。

11、所述控制电路分别连接上位机、刺激部和振动马达；所述控制电路采用4层pcb设计，所述pcb的总宽度在1.0cm～2.0cm；

12、进一步地，所述控制电路包括无线通信模块、驱动控制模块、压力采集模块和电源管理模块；其中：

13、所述无线通信模块用于接收上位机的指令；

14、进一步地，所述无线通信模块为低功耗ble或wi fi芯片及其外围电路；

15、所述驱动控制模块用于解析上位机指令、进行逻辑控制和输出驱动信号控制振动马达工作；

16、进一步地，所述驱动控制模块包括主控单元和驱动单元；所述驱动控制模块驱动振动马达输出特定频率和强度振动刺激的过程为：

17、所述主控单元开启定时器和定时器中断，并初始化定时器计数周期值和中断阈值；

18、所述定时器开始计数，并根据计数周期值和中断阈值分别对使能信号的周期和高低电平时间进行控制，输出pwm形式的使能信号；

19、所述驱动单元根据pwm形式的使能信号进而输出经pwm调制的振动刺激信号。

20、所述压力采集模块用于采集振动马达的振动压力信息并实时显示；

21、进一步地，所述压力采集模块包括压力传感器、电压转换单元和压力实时显示器；其中：所述压力传感器与振动马达表面接触，用于将振动马达的振动压力转换为电压值；

22、所述电压转换单元与压力传感器连接，用于采集压力传感器的提供的电压，将其转换为压力数据，提供给压力实时显示器；所述压力实时显示器与电压转换单元连接，用于采集电压转换单元提供的压力数据，将压力数据实时显示。

23、所述电源管理模块用于向控制电路上述各模块输出具有正负电压的电信号。

24、所述振动马达根据驱动控制模块输出的驱动信号产生相应频率和强度的振动刺激。

25、有益效果

26、1、本发明采用了输出特定频率和强度的振动刺激信息号的振动刺激的方式，诱发用户的感知，安全性较高。而且能够提高用户的使用舒适度，不易引发用户的肌肉疲劳，避免对用户造成创伤，可长时间使用。

27、2、本发明控制电路采用了保护电路和信号隔离电路的冗余，使刺激器的功能更集中，结构更简单；同时采用无线通信的方式接收计算机发送的指令，以及微型化设计，便携度更高，灵活性更好，便于佩戴。

28、3、本发明的振动刺激采用pwm调制的方法，能够输出特定频率和强度的振动刺激；同时，在驱动单元中引入闭环反馈设计，能够对驱动信号进行检测，并实时调整驱动参数，保证振动刺激的精确度和稳定性。