专利名称：Bci动物实验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实验装置，具体来说是指一种面向动物与机器接口的BCI动物实验系统。
背景技术：
脑机交互技术(BCI)，研究的是如何通过非自然的方法沟通脑内信息和外界环境。它为大脑和环境提供了双向传输通道，外界信息能从仿生传感器输入到神经系统，神经信号也可以用于控制外部电子机械装置。该项技术可以修复、改善甚至扩展神经系统原有功能，提供了一种崭新的信息交互模式。
头皮脑电图(EEG)由于其无创安全简便的特性，最先被用于BCI系统的研究。奥地利Graz科技大学的BCI小组在2003年首次实现了用EEG结合功能性电刺激，帮助中风病人恢复手臂功能，极大地推动了BCI向实用性发展。他们还设计实现了基于EEG的虚拟键盘和虚拟场景漫游等系统的初步模型。美国Wadsworth中心的BCI小组则实现了用头皮脑电信号控制外界设备，可以让高度瘫痪者完成文字拼写、收发电子邮件、回答简单问题等日常操作，并且不需要专门医护人员协助。
近年来，随着医学技术和材料科学的进步，植入式电极在脑机交互技术中的研究得到了突破性的进展。1999年，Duke大学Nicolelis领导的研究小组在短尾猴的大脑植入极细微的电极，使它们可以利用脑波控制机械手臂。加州理工大学的Andersen教授领导的研究小组则于2004年在Science上发表文章，介绍了实验动物在他们的训练下，可以用意识来移动屏幕中的光标，甚至在实验动物计划如何运动的时候，就解读和预测出它的想法。
2000年以后，植入式电极在脑机交互中的应用得到了突破性的进展。Duke大学Nicolelis领导的研究小组在短尾猴的大脑植入极细微的电极，使它们可以利用脑波控制机械手臂。这项重大突破有朝一日可望使脊椎损伤患者利用脑波使用机械或各种工具，甚至让部分瘫痪者可再度移动肢体。加州理工大学的RichardAndersen教授领导的研究小组则于2004年在Science上发表文章，介绍了实验动物在他们的训练下，可以用意识来移动屏幕中的光标，甚至是实验动物在计划如何运动的时候，就可解读和预测出它的想法。与此同时，通过遥控方式来控制外部电子装置来控制动物的行为的研究虽然也已经起步，却并没有出现一套完整的实验系统。
发明内容
本发明提供了一套完整的涵盖动物筛选、动物训练、动物刺激、动物反馈采集、脑电信号分析等各个研究方面的脑机接口系统，通过植入电极控制动物个体行为，研究在动物脑内植入微芯片，利用动物自身的生物传感功能，获取动物的感觉，控制动物的行为，使动物在人类无法进入的地区有目的得完成寻找目标、定位等活动，大大降低在危险环境和战场中人类所面临的危险，在军事侦察、边境缉毒、救灾等领域都有广泛的用途。
一种BCI动物实验系统，包括PC机、脑神经电刺激/采集器、脑刺激电极、压杆箱、运动训练场地，脑刺激电极植入待训动物脑内，脑神经电刺激/采集器置于待训动物体上，脑神经电刺激/采集器与PC机连接，根据训练要求经PC机发送刺激参数至脑神经电刺激/采集器，脑神经电刺激/采集器产生相应刺激波形，通过脑刺激电极作用于动物脑，使动物产生相应行为，同时脑神经电刺激/采集器采集动物脑电波形，将其回传给PC机，经PC机显示并存储。
所述的PC机带有遥控器。
所述的脑神经电刺激/采集器包括通讯模块、微处理器、电压/电流驱动电路、电压/电流模式选择电路、模拟开关方向控制电路和通道选择电路，微处理器内加装脑电刺激软件和脑电信号采集软件；通讯模块接收PC机发送的刺激信号并传输给微处理器，微处理器通过其内部的数模转换器产生相应的脉冲波形，经驱动电路形成恒流或恒压脉冲，经电压/电流模式选择电路选择恒压或恒流，再经模拟开关方向控制电路产生双向脉冲，同时控制通道选择电路选通所要加刺激的脑刺激电极，将刺激脉冲作用于相应的脑功能区。
所述的驱动电路由直接耦合的放大器构成，用于功率放大和恒压变恒流。
所述的通道选择电路由模拟开关构成，可以实现多路同时刺激或单独加刺激于某一电极。
所述的压杆箱为不透光的密闭箱，内部设有压杆，提示灯。
对于动物各个参数的配置和刺激命令以及之后的反馈数据采样主要是由PC机完成的。脑电刺激软件可以产生任何形状的刺激方波，主要由参数配置模块、行为控制模块、方案管理模块、日志管理模块、反馈数据处理模块组成，其中，参数设置模块，主要用于设置刺激参数(脉冲间隔，脉冲宽度，脉冲数量，电压幅度，电流幅度，刺激间隔，串的个数)，刺激方式(电压或电流)和刺激模式(是否连续刺激)。
行为控制模块有六种操作，可以控制动物向左，向前，向右，还可以给动物奖赏(MFB刺激)，通过选择不同的刺激来可以使老鼠产生不同的行为。
方案管理模块可以管理每只老鼠的刺激参数，它能够减少操作者的输入次数，从而节约训练时间。由于老鼠之间具有个体差异，不同的参数刺激会对不同的老鼠产生不同的效果。要得到最适合于某只老鼠的刺激参数就必须不断地去试探。
日志管理模块可以记录下对每只老鼠的刺激记录，包括所有的配置参数以及各个方向的刺激。可用于日后数据分析。日志管理自动关联到相对应的方案管理。
反馈数据处理模块包括存储老鼠的刺激后反馈的脑电波数据，并将得到的脑电波形实时显示供控制人员参考。接收的脑电数据将以特定的文件格式保存。
所述的脑电刺激软件控制过程包括以下步骤初始化，选择默认方案并设置通信参数；选择，删除，增加训练方案，设定刺激参数、刺激模式和刺激方向；参数设置完毕后，发送指令来控制动物行动。
所述的脑电信号采集软件采集处理数据的过程包括以下步骤程序读串口，接收采集的脑电数据，并将该数据缓存至接收缓冲区；将缓冲区的数据读入文件，以自定义文件格式(后缀为bcid)保存；将缓存区的数据采用均值取样算法，获得波形的显示数据，将显示数据保存到显示缓存区，清空接收缓存区，进入下一个循环；访问图形处理设备，在界面上显示波形。
本发明动物实验系统利用电子装置控制动物大脑，以达到控制其身体运动，为进一步从事此领域的研究提供了研究手段，从而队研究脑的高级功能、创造脑具有重要意义。
图1为本发明装置的原理框图；图2为脑神经电刺激/采集器的组成框图；图3为脑神经电刺激/采集器产生的电脉冲示意图；图4为压杆箱的原理框图；图5为脑电刺激软件流程图；图6为脑电信号采集处理软件流程图。
具体实施例方式
如图1所示，一种BCI动物实验系统，包括PC机、脑神经电刺激/采集器、脑刺激电极、运动训练场地，脑刺激电极植入待训动物脑内，脑神经电刺激/采集器置于待训动物体上，脑神经电刺激/采集器与PC机连接，PC机带有遥控器。
如图2所示，脑神经电刺激/采集器包括通讯模块、微处理器、电压/电流驱动电路、电压/电流模式选择电路、模拟开关方向控制电路和通道选择电路，微处理器内加装刺激波形软件。
驱动电路由直接耦合的放大器构成，用于功率放大和恒压变恒流。
通道选择电路由模拟开关构成，可以实现多路同时刺激或单独加刺激于某一电极。
动物训练场地包括压杆箱、八臂迷宫，田字路线，台阶，书立等。
如图4所示，压杆箱是不透光的密闭箱，内有压杆，提示灯。压杆是一个开关，两端连接Max232的12脚(TTL逻辑信号输入端)和15脚(接地端，具体可参考Maxim Integrated Products公司的Datasheet)。12脚由内部上拉到+5V，当压杆压下，12脚与16脚(GND)相连，电压就由+5V变为0V。这个变化信号通过接口电路Max232传输给PC机。PC机软件检测到该信号后，根据用户设置点亮提示灯并发送奖赏命令给刺激器，给与动物以奖赏刺激。八臂迷宫，田字路线，台阶，书立等用于组成复杂路线进行训练，动物按照控制在路线上运动。
根据训练要求，操作员通过遥控器控制PC机，向脑神经电刺激/采集器发送刺激参数，脑神经电刺激/采集器的通讯模块接收PC机发送的刺激信号并传输给微处理器，微处理器通过其内部的数模转换器产生相应的脉冲波形，经驱动电路形成恒流或恒压脉冲，经电压/电流模式选择电路选择恒压或恒流，再经模拟开关方向控制电路产生双向脉冲，同时控制通道选择电路选通所要加刺激的脑刺激电极，将刺激脉冲作用于相应的脑功能区，使动物产生相应行为，同时脑神经电刺激/采集器采集动物脑电波形，将其回传给PC机，经PC机显示并存储。
对于动物各个参数的配置和刺激命令以及之后的反馈数据采样主要是由PC机完成的。脑电刺激软件可以产生任何形状的刺激方波，主要由参数配置模块、行为控制模块、方案管理模块、日志管理模块、反馈数据处理模块组成，其中，参数设置模块，主要用于设置刺激参数(脉冲间隔，脉冲宽度，脉冲数量，电压幅度，电流幅度，刺激间隔，串的个数)，刺激方式(电压或电流)和刺激模式(是否连续刺激)。
行为控制模块有六种操作，可以控制动物向左，向前，向右，还可以给动物奖赏(MFB刺激)，通过选择不同的刺激来可以使老鼠产生不同的行为。
方案管理模块可以管理每只老鼠的刺激参数，它能够减少操作者的输入次数，从而节约训练时间。由于老鼠之间具有个体差异，不同的参数刺激会对不同的老鼠产生不同的效果。要得到最适合于某只老鼠的刺激参数就必须不断地去试探。
日志管理模块可以记录下对每只老鼠的刺激记录，包括所有的配置参数以及各个方向的刺激。可用于日后数据分析。日志管理自动关联到相对应的方案管理。
反馈数据处理模块包括存储老鼠的刺激后反馈的脑电波数据，并将得到的脑电波形实时显示供控制人员参考。接收的脑电数据将以特定的文件格式保存。
如图5所示，脑电刺激波形形成过程包括以下步骤初始化，选择默认方案并设置通信参数，如串口号，波特率，数据位等；选择、删除、增加训练方案，设定脉冲间隔，脉冲宽度，脉冲数量，电压幅度，电流幅度，刺激间隔，串的个数等刺激参数，选择刺激模式(这些数据也可以通过选择方案文件直接导入)和刺激方向；选择训练方案的同时，系统会自动选择该方案对应的日志，如果有相应的操作，那么该操作就会被记录在该日志里；选好方案后还可以修改该方案的参数，并可以把修改后的参数保存在文件中，以备下次使用；当参数设置完毕后，发送指令来控制动物行动。
如图6所示，数据采集处理过程包括以下步骤程序读串口，接收采集的脑电数据，并将该数据缓存至接收缓冲区；将缓冲区的数据读入文件，以特定文件格式保存；同时将缓存区的数据采用均值取样算法，获得波形的显示数据，将显示数据保存到显示缓存区，清空接收缓存区，进入下一个循环；访问图形处理设备，在界面上显示波形。
在实际训练过程中，须对动物进行筛选，筛选时，打开监控软件、背包刺激器，连通蓝牙无线通讯模块，将动物放进压杆箱，并给与压杆奖赏提示。
观察动物适当给与提示，直到压杆几率多于动物自由活动偶然碰到压杆的几率，此时可以判断奖赏有效。
判断奖赏效果每天压同样的时间如1小时，记录压杆次数，速率。观察重复性，重复3天以上效果比较理想。并在训练中检查MFB刺激效果，保证有效。
奖赏参数从10V/8个/10ms/1ms开始(10V是电压幅度的峰峰值；8个是脉冲的个数；10ms是脉冲间隔；1ms是脉冲宽度)，如不压就调大幅度或增加刺激个数或持续时间，改变刺激参数观察压杆次数相应变化，选择最佳参数。
开始训练时，安装软件，连接蓝牙无线通讯模块，连接背包刺激器，将动物置于八臂或田字路线。
选择刺激强度，以动物有明显反应，并不过强后退为最佳。
参数选定后，一般不需改动，对应动物编号，存储其刺激参数为文件，以后训练直接读出即可。
先从最简单的前进和左右转向训练开始，逐0增加难度，直到学会爬楼梯，绕8字等复杂动作。先让动物学会向前，向前就给奖赏。在动物走到8臂口时给予方向提示，如果转向正确给奖赏，强化动物行为。转向训练正确率到90％左右，即可进行复杂动作训练。
权利要求
1.一种BCI动物实验系统，其特征在于包括PC机、脑神经电刺激/采集器、脑刺激电极、压杆箱、运动训练场地，脑刺激电极植入待训动物脑内，脑神经电刺激/采集器置于待训动物体上，脑神经电刺激/采集器与PC机连接，根据训练要求经PC机发送刺激参数至脑神经电刺激/采集器，脑神经电刺激/采集器产生相应刺激波形，通过脑刺激电极作用于动物脑，使动物产生相应行为，同时脑神经电刺激/采集器采集动物脑电波形，将其回传给PC机，经PC机显示并存储。
2.如权利要求1所述的BCI动物实验系统，其特征在于所述的PC机带有遥控装置。
3.如权利要求1所述的BCI动物实验系统，其特征在于所述的脑神经电刺激/采集器包括通讯模块、微处理器、电压/电流驱动电路、电压/电流模式选择电路、模拟开关方向控制电路和通道选择电路，微处理器内加装脑电刺激软件和脑电信号采集软件；通讯模块接收PC机发送的刺激信号并传输给微处理器，微处理器通过其内部的数模转换器产生相应的脉冲波形，经驱动电路形成恒流或恒压脉冲，经电压/电流模式选择电路选择恒压或恒流，再经模拟开关方向控制电路产生双向脉冲，同时控制通道选择电路选通所要加刺激的脑刺激电极，将刺激脉冲作用于相应的脑功能区。
4.如权利要求3所述的BCI动物实验系统，其特征在于所述的驱动电路由直接耦合的放大器构成，用于功率放大和恒压变恒流。
5.如权利要求3所述的BCI动物实验系统，其特征在于所述的通道选择电路由模拟开关构成，可以实现多路同时刺激或单独加刺激于某一电极。
6.如权利要求3所述的BCI动物实验系统，其特征在于所述的脑电刺激软件用于产生各种形状的刺激方波，包括参数设置模块，用于设置刺激参数，刺激方式和刺激模式；行为控制模块，用于控制待训动物的行为类型及方向；方案管理模块，用于管理每只待训动物的刺激参数；日志管理模块，用于记录对每只待训动物的刺激记录，包括所有的配置参数以及各个方向的刺激；日志管理模块自动关联到相对应的方案管理模块；反馈数据处理模块，包括存储动物受刺激后反馈的脑电波数据，并将得到的脑电波形实时显示供控制人员参考。
7.如权利要求3所述的BCI动物实验系统，其特征在于所述的脑电刺激软件控制过程包括以下步骤初始化，选择默认方案并设置通信参数；选择、删除或增加训练方案，设定刺激参数、刺激模式和刺激方向；参数设置完毕后，发送指令控制动物行动。
8.如权利要求3所述的BCI动物实验系统，其特征在于所述的脑电信号采集软件采集处理数据的过程包括以下步骤接收采集的脑电数据，将该数据缓存至接收缓冲区；将缓冲区的数据读入文件，以自定义文件格式保存；将缓存区的数据采用均值取样算法，获得波形的显示数据，将显示数据保存到显示缓存区，清空接收缓存区，进入下一个循环；访问图形处理设备，在界面上显示波形。
9.如权利要求8所述的BCI动物实验系统，其特征在于所述的自定义文件格式为后缀为bcid的文件格式。
全文摘要
本发明公开了一种BCI动物实验系统，包括PC机、脑神经电刺激/采集器、脑刺激电极、运动训练场地，脑刺激电极植入待训动物脑内，脑神经电刺激/采集器置于待训动物体上，脑神经电刺激/采集器与PC机连接，根据训练要求经PC机发送刺激参数至脑神经电刺激/采集器，脑神经电刺激/采集器产生相应刺激波形，通过脑刺激电极作用于动物脑，使动物产生相应行为，同时脑神经电刺激/采集器采集动物脑电波形，将其回传给PC机，经PC机显示并存储。本发明通过在动物脑内植入电极，控制其个体行为，获取动物的感觉，控制动物的行为，使动物在人类无法进入的地区有目的的完成寻找目标、定位等活动，大大降低在危险环境和战场中人类所面临的危险。
文档编号G08C19/00GK101023737SQ20071006776
公开日2007年8月29日 申请日期2007年3月23日 优先权日2007年3月23日
发明者陈卫东, 张韶岷, 金林, 王鹏 申请人:浙江大学