一种多通道高共模抑制比低功耗脑电采集的脑机接口系统的制作方法

1.本发明涉及脑电信号字符输入的技术领域，尤其是指一种多通道高共模抑制比低功耗脑电采集的脑机接口系统。


背景技术：

2.为了让具有运动功能障碍的残疾人也能跟外界交互，提高他们的生活质量和自理能力，一类利用人体生物电信号实现与计算机或外部设备通信的新型人机接口已经成为近年来研究的前沿和热点。人体的生物电信号主要包括脑电(eeg，e1ectroencephalogram)、肌电(emg，electromyography)、心电(ecg， electrocardiogram)、眼电(eog，electrooculogram)。
3.在以上生物电信号中，心电很难受人自主控制，肌电信号要求使用者具有能运动的同时又适合用来作为控制信号的肌肉组织，用于实现高性能人机接口的难度较大，脑电信号。所以本发明涉及的脑机接口采用脑电信号，具体地，采用基于稳态视觉诱发电位(ssvep)的脑电信号。。
4.基于ssvep的脑机接口不需要使用者进行任何显著的运动，即能实现与外界的交互，对于具有严重运动障碍的残疾人(如肌萎缩性侧索硬化als，脑干中风，脊髓损伤sci等)来讲具有重大意义。
5.目前的脑机接口系统普遍采用商用的脑电放大器，其采集系统无法实现自主化。电路在实际的使用环境中会受到大量的共模信号的干扰，如50/60hz的市电信号会耦合到人体和电路，可能产生数百毫伏的共模干扰信号，而由于电路本身可能存在系统性或随机性的失配，导致这样大的共模干扰会在电路的输出端产生差模的干扰信号，从而降低信号的质量。因此，为了保证生物信号能被有效地采集，通常需要仪表放大器满足高共模抑制比的特点。
6.采集生物信号时，通常需要将电极接在人体上，再将电极连至采集系统的输入端。电极的阻抗大概为几kω到mω的级别，为了有效地检测生物信号，需要仪表放大器有较高的输入阻抗。同时，市电信号的共模干扰会由于电极阻抗的失配产生一个差模的干扰，如果放大器的输入阻抗过小，会导致整体共模抑制能力变差。此外，为了满足可穿戴医疗的应用，仪表放大器还应当具有低功耗，低噪声的特点。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种多通道高共模抑制比低功耗脑电采集的脑机接口系统，有效实现了字符拼写，具有准确、低成本、实用可靠等优点。
8.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种多通道高共模抑制比低功耗脑电采集的脑机接口系统，包括：
9.脑电视觉刺激模块，用于实现ssvep范式的视觉刺激并诱发被试者产生对应脑电
信号，即ssvep脑电信号；
10.脑电放大器，采用一种多通道高共模抑制比低功耗的芯片对ssvep脑电信号进行放大；
11.脑电采集模块，采用ni数据采集卡对脑电放大器放大后的ssvep脑电信号进行去噪，再将去噪后的ssvep脑电信号传送给脑电信号处理模块；
12.脑电信号处理模块，用于对脑电采集模块传送过来的ssvep脑电信号进行数据预处理、特征提取、滤波器组典型相关分析及分类；
13.脑机接口字符拼写模块，根据在线实验的脑电信号处理模块的结果，将识别的字符输出在屏幕上的字符显示区域。
14.进一步，所述脑电视觉刺激模块产生正弦波刺激界面并通过计算机的屏幕呈现出来；被试者接受视觉刺激从而诱发出相应脑电信号，即ssvep脑电信号；正弦波刺激界面包括m个按键，呈现k行
×
j列均匀排列，第i个按键对应的正弦波刺激频率为(f0 iδf)hz，i∈[0m]，其中f0为初始频率，δf为相邻两个按键的频率间隔；刺激相位为(φ0 iδφ)π，其中φ0为初始相位，δφ为相邻两个按键的相位间隔。
[0015]
进一步，所述脑电放大器配置有电极帽，所述电极帽的电极即通道通过导电胶与被试者头皮导联，并通过导线将采集到的脑电信号接入多通道高共模抑制比低功耗的芯片，该芯片的特点在于多通道、高输入阻抗、高共模抑制比和低功耗，与人体阻抗进行匹配，将微伏级别的脑电信号放大到合适大小。
[0016]
进一步，所述脑电采集模块采用ni数据采集卡及其芯片外围电路，其数据采样率为1000～10000hz，并进行在线50hz陷波去工频处理，所述ni数据采集卡中的a/d转换芯片将ssvep脑电信号的模拟电压值转化成数字电压值，并将数字电压值通过usb接口传送到脑电信号处理模块。
[0017]
进一步，所述脑电采集模块通过stm32单片机与脑电信号处理模块通过串口通信，所述脑电信号处理模块通过pc机串口发送脑电放大器和ni数据采集卡的参数给stm32单片机，所述stm32单片机通过i/o口将参数发送给脑电放大器和ni数据采集卡，实现脑电放大器的放大倍数设置、采样通道选择以及脑电放大器和ni数据采集卡数据同步。
[0018]
进一步，所述脑电采集模块采集脑电放大器的电极帽2～9个电极，其分布符合国际10
‑
20系统，参考电极为右侧耳突位置，接地电极位于fpz和fz连线的中点，所有电极阻抗低于10kω。
[0019]
进一步，所述脑电信号处理模块处理的ssvep脑电信号由离线训练产生的离线数据和在线拼写产生的在线数据两个部分组成；其中，所述脑电信号处理模块的离线数据处理部分输出字符识别准确率，用来评估训练效果；所述脑电信号处理模块的在线数据处理部分用来对在线拼写数据进行实时分析及在线解码被试者的拼写意图；上述两种数据的处理流程均包括数据预处理、特征提取、滤波器组典型相关分析及分类；其中，数据预处理实现对原始脑电信号进行带通滤波器去除眼电伪迹，包括线性趋势的滤波、在线50hz陷波去工频处理及对每个刺激频率进行不同子带的带通参数组滤波；特征提取实现对数据预处理后的通道选择及分频段带通滤波；滤波器组典型相关分析(fbcca)及分类实现通过典型相关分析寻找最大加权相关系数并将其对应的按键作为分类结果，从而实现脑机接口字符识别。
[0020]
进一步，所述脑机接口字符拼写模块根据在线实验的脑电信号处理模块的结果，将识别的字符输出在屏幕上的字符显示区域，其中，在线实验分为指示拼写及自由拼写；在指示拼写中，被试者根据屏幕上的提示注视目标字符，随后在字符显示区域实时显示系统识别结果；在自由拼写中，屏幕上无目标提示，被试者自主注视任意目标按键，随后在字符显示区域实时显示系统识别结果。
[0021]
进一步，所述滤波器组典型相关分析(fbcca)采用以下最大加权相关系数p
k
作为目标识别的特征：
[0022][0023]
其中，n是子带的指数，n是子带总数，p
n,k
是对应第n个子带第k个频率的加权相关系数；子带分量w(n)的权重定义如下：
[0024]
w(n)＝n
‑
a
b,n∈[1n]
[0025]
其中，a和b是最大化分类性能的常数，参考信号的频率与最大加权相关系数p
k
被认为是ssvep的频率。
[0026]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0027]
本发明将高共模抑制比低功耗脑电采集、数据采集与脑机接口拼写有机结合在一起。通过脑机接口采集稳态视觉诱发电位产生的头皮脑电信号并对其进行数据预处理、特征提取、滤波器组典型相关分析及分类，从而在线解码人的控制意图生成计算机可识别的控制信号，这相比于现有脑机接口系统采用的脑电放大器成本高昂、便携性差、操作复杂及其它问题，本发明系统都可以很好地解决以上问题，在实现字符拼写的同时，具有准确、低成本、实用可靠等优点，值得推广。
附图说明
[0028]
图1为本发明系统的架构图。
[0029]
图2为本发明系统的原理图。
[0030]
图3为本发明系统的脑电采集电路图。
[0031]
图4为本发明系统的拼写命令生成过程示意图。
具体实施方式
[0032]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0033]
如图1和图2所示，本实施例所提供的多通道高共模抑制比低功耗脑电采集的脑机接口系统，包括：
[0034]
脑电视觉刺激模块，用于实现ssvep范式的视觉刺激并诱发被试者产生对应脑电信号，即ssvep脑电信号；
[0035]
脑电放大器，采用一种多通道高共模抑制比低功耗的芯片对ssvep脑电信号进行放大；
[0036]
脑电采集模块，采用ni数据采集卡对脑电放大器放大后的ssvep脑电信号进行去噪，再将去噪后的ssvep脑电信号传送给脑电信号处理模块；
[0037]
脑电信号处理模块，用于对脑电采集模块传送过来的ssvep脑电信号进行数据预处理、特征提取、滤波器组典型相关分析及分类；
[0038]
脑机接口字符拼写模块，根据在线实验的脑电信号处理模块的结果，将识别的字符输出在屏幕上的字符显示区域。
[0039]
所述脑电视觉刺激模块产生正弦波刺激界面并通过计算机的屏幕呈现出来；被试者接受视觉刺激从而诱发出相应脑电信号，即ssvep脑电信号；正弦波刺激界面包括m个按键，呈现k行
×
j列均匀排列，第i个按键对应的正弦波刺激频率为(f0 iδf)hz，i∈[0m]，其中f0为初始频率，δf为相邻两个按键的频率间隔；刺激相位为(φ0 iδφ)π，其中φ0为初始相位，δφ为相邻两个按键的相位间隔。在本实例中，m选择12，呈现3行
×
4列均匀排列，f0选择7.5hz，δf选择0.5hz，φ0选择0，δφ选择0.5，具体地，计算机采用戴尔，计算机的屏幕采用华硕27英寸、刷新率60hz、分辨率1920
×
1080显示器，脑电视觉刺激模块采用visual studio的mfc工具包编写，其利用采样正弦编码方法在计算机的屏幕上实现所需的闪烁频率，并将刺激界面投射到屏幕上。
[0040]
所述脑电放大器配置有电极帽，所述电极帽的电极(即通道)通过导电胶与被试者头皮导联，并通过导线将采集到的脑电信号接入多通道高共模抑制比低功耗的芯片，该芯片的特点在于多通道、高输入阻抗、高共模抑制比和低功耗，与人体阻抗进行匹配，将微伏级别的脑电信号放大到合适大小。
[0041]
如图3所示，所述脑电采集模块采用ni数据采集卡及其芯片外围电路，其数据采样率为1000～10000hz，并进行在线50hz陷波去工频处理，所述ni数据采集卡中的a/d转换芯片将ssvep脑电信号的模拟电压值转化成数字电压值，并将数字电压值通过usb接口传送到脑电信号处理模块；所述脑电采集模块通过stm32单片机与脑电信号处理模块通过串口通信，所述脑电信号处理模块通过pc机串口发送脑电放大器和ni数据采集卡的参数给stm32单片机，所述 stm32单片机通过i/o口将参数发送给脑电放大器和ni数据采集卡，实现脑电放大器的放大倍数设置、采样通道选择以及脑电放大器和ni数据采集卡数据同步；所述脑电采集模块采集脑电放大器的电极帽2～9个电极，其分布符合国际 10
‑
20系统，参考电极为右侧耳突位置，接地电极位于fpz和fz连线的中点，所有电极阻抗低于10kω。
[0042]
所述脑电信号处理模块处理的ssvep脑电信号由离线训练产生的离线数据和在线拼写产生的在线数据两个部分组成；其中，所述脑电信号处理模块的离线数据处理部分输出字符识别准确率，用来评估训练效果；所述脑电信号处理模块的在线数据处理部分用来对在线拼写数据进行实时分析及在线解码被试者的拼写意图；上述两种数据的处理流程均包括数据预处理、特征提取、滤波器组典型相关分析及分类；其中，数据预处理实现对原始脑电信号进行带通滤波器去除眼电伪迹，包括线性趋势的滤波、在线50hz陷波去工频处理及对每个刺激频率进行不同子带的带通参数组滤波；特征提取实现对数据预处理后的通道选择及分频段带通滤波；滤波器组典型相关分析(fbcca)及分类实现通过典型相关分析寻找最大加权相关系数并将其对应的按键作为分类结果，从而实现脑机接口字符识别。如图4所示，脑机接口字符识别采用滤波器组典型相关分析(fbcca)，x表示带测试脑电信号，表示训练获得的脑电数据，sb 1，sb 2
…
,sb n表示将x与分别经过第1级带通滤波处理，第2级带通滤波处理，
…
，第n级带通滤波处理；x1,x2,...x
n
与分别表示经过
上述带通滤波处理后得到的脑电信号；表示第k个频率成分对应的标准正弦波信号；滤波器组典型相关分析(fbcca)的具体处理如下所示，采用以下最大加权相关系数p
k
作为目标识别的特征：
[0043][0044]
其中，n是子带的指数，n是子带总数，p
n,k
是对应第n个子带第k个频率的加权相关系数；子带分量w(n)的权重定义如下：
[0045]
w(n)＝n
‑
a
b,n∈[1n]
[0046]
其中，a和b是最大化分类性能的常数，参考信号的频率与最大加权相关系数p
k
被认为是ssvep的频率。
[0047]
所述脑机接口字符拼写模块根据在线实验的脑电信号处理模块的结果，将识别的字符输出在屏幕上的字符显示区域，其中，在线实验分为指示拼写及自由拼写；在指示拼写中，被试者根据屏幕上的提示注视目标字符，随后在字符显示区域实时显示系统识别结果；在自由拼写中，屏幕上无目标提示，被试者自主注视任意目标按键，随后在字符显示区域实时显示系统识别结果。
[0048]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。