專利名稱：基于腦波信號處理系統(tǒng)定量評估精神狀態(tài)的方法和設備的制作方法
技術領域：
本領域總的來說涉及用于定量評估精神狀態(tài)的設備和方法。
背景技術：
有許多檢測腦波并利用腦波作為控制信號以及診斷工具的可用方 法。然而，仍存在無噪音地測量腦波的許多障礙，尤其是在良好控制的 實驗室環(huán)境外面就尤其如此。 一般在環(huán)境和電磁噪音被嚴格控制的實驗 室中檢測和利用腦波，且針對其腦波被測量的病人或對象來說僅靜態(tài)條 件是病人或對象不應移動。該理想設置在實驗室外不存在，從而使得這 些系統(tǒng)不能用來可靠地測量用戶的腦波。另外， 一般的傳感器布置需要 對頭部的特殊處理，因為大部分當前使用的用來測量腦波的電極需要浸 漬有膠體的電極或者針狀電極。
該理想設置在實驗室外不存在，從而使得這些系統(tǒng)不能用來在非實 驗室環(huán)境中可靠地測量用戶的腦波。另外，對頭部進行特殊處理以使用 實驗室電極在非實驗室環(huán)境中不現(xiàn)實。因而，期望提供一種克服典型的 腦波測量系統(tǒng)的這些限制的設備和方法，且為此目的作出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
所述設備可包括神經(jīng)耳機，該神經(jīng)耳機包括一個或多個干式有源電 極，該干式有源電極在沒有濕電極的情況下測量戴著耳機的用戶的腦 波。該設備可合并入如下系統(tǒng)中，該系統(tǒng)使用神經(jīng)耳機、另外的硬件和 軟件提供人/機接口。例如，示例性系統(tǒng)是用于如下更詳細地所述的使用 用戶的腦波控制玩具的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，硬件檢測腦波，濾波掉噪音 并放大結果信號。軟件處理腦波信號，基于對腦波信號的分析顯示用戶 的精神狀態(tài)并生成可用來控制裝置如玩具的控制信號。


圖1A示出用于定量評估正被用來控制玩具的動作的精神狀態(tài)的設備的例子；
圖1B示出圖1的設備中使用的干式有源電極的示例實施方式； 圖2A和2B示出作為圖1A所示的設備的一部分的神經(jīng)耳機； 圖3A和3B示出圖1A、 2A和2B示出的設備的進一步細節(jié)； 圖4示出使用用于定量評估精神狀態(tài)且包括圖2A、 2B、 3A和3B
所示的神經(jīng)耳機、其它硬件和軟件的設備來控制玩具的系統(tǒng)的實施方
式；
圖5A和5B示出圖4所示的系統(tǒng)的硬件的更多細節(jié)；
圖6示出圖4所示的硬件的數(shù)字部分的示例性電路實施方式；
圖7示出圖4所示的硬件的功率調節(jié)部分的示例性電路實施方式；
圖8A示出干式有源電極的^t擬部分的更多細節(jié)；
圖8B示出干式有源電極的模擬部分的更多細節(jié)；
圖9示出圖5所示的模擬EEG信號處理部分的示例性電路實施方
式；
圖IOA是圖5所示的模擬EOG信號處理部分的框圖； 圖10B示出圖5所示的才莫擬EOG信號處理部分的示例性電路實施 方式；
圖11示出作為圖4所示的一部分的軟件的操作的例子；
圖12示出圖11的數(shù)據(jù)處理過程的進一步細節(jié)；
圖13示出數(shù)據(jù)處理步驟的流程；以及
圖14示出用戶的精神狀態(tài)的圖形顯示的例子。
具體實施例方式
該設備和方法特別適用于用于使用用戶的腦波控制玩具的系統(tǒng)且 以下正是在該情境中為了說明的目的描述該設備和方法。然而，應理解 該設備和方法可用于除了控制玩具之外的應用，且實際上可在期望定量 評估用戶的腦波并基于對腦波的定量評估提供人機接口和/或神經(jīng)反饋 的任何應用中使用。例如，該設備和方法可用來控制計算機或計算機系 統(tǒng)、游戲控制臺等。作為另一個例子，該設備和方法可被實現(xiàn)并集成到 飛行員的頭盔中，該頭盔具有置入其中的腦波監(jiān)視系統(tǒng)，其中干式傳感 器可監(jiān)控飛行期間飛行員的腦波，且如果飛行員在飛行期間失去意識， 則該設備可檢測到該失去意識并執(zhí)行一個或多個動作如啟動自動駕駛
7系統(tǒng)并對飛行員提供緊急治療/警告(如氧氣或振動)，這可解救飛機以 及飛行員的生命。該設備可方法還可被實現(xiàn)為頭帶式病人腦波監(jiān)視系 統(tǒng)，其中利用易于使用且對病人具有用戶友好性的干式傳感器來監(jiān)視病
人的EEG，且可使用無線方法(如藍牙)或有線方法將腦波發(fā)送到可記 錄/顯示病人的EEG信號的遠程裝置。作為另一例子，該設備和方法可 被實現(xiàn)且集成到具有腦波監(jiān)視系統(tǒng)的戰(zhàn)斗頭盔中，其中干式傳感器可監(jiān) 視戰(zhàn)士的腦波且如果戰(zhàn)士在任務期間失去意識或入睡就向戰(zhàn)士發(fā)送警 報信號(聲音警告、視覺警告或物理警告如擊打)。
作為另一個例子，該設備和方法可并入針對雇員的安全裝置中，因 為當工人失去對任務的精神集中力時在工廠內(nèi)會發(fā)生許多事故。具有干 式傳感器和EEG系統(tǒng)且為頭帶、棒球帽或安全帽形狀的安全裝置可在 工人的精神集中力水平下降到指定水平時停止機器以防止事故并保護 雇工。
作為另一個例子，該設備和方法可合并入針對駕駛員的睡眠檢測器 中，其中檢測器是具有腦波監(jiān)視系統(tǒng)的頭帶類型、耳機類型或棒球帽類 型，該腦波監(jiān)視系統(tǒng)具有可檢測駕駛員的睡意或睡眠(基于腦波)并向 駕駛員提供警報信號或激勵以喚醒駕駛員的干式傳感器。
作為又一例子，該設備和方法可實現(xiàn)在具有頭帶類型、耳機類型或 棒球帽類型的腦波監(jiān)視系統(tǒng)的壓力管理系統(tǒng)中，該壓力管理系統(tǒng)具有可 連接到計算裝置如PC、 PDA或移動電話以監(jiān)視工作期間的精神壓力水 平并記錄這些壓力水平的干式傳感器。針對該設備和方法的以上應用例 子不是窮舉的。為了說明該設備和方法，現(xiàn)在描述使用該設備和方法來 控制玩具的示例性系統(tǒng)。
圖1A示出了用于定量評估用來控制玩具的動作的精神狀態(tài)的設備 的例子。該設備可包括如圖1A所示的可置于用戶的頭部上的神經(jīng)耳機 50。該神經(jīng)耳機可包括各種硬件和軟件，在帶上通電的耳機時該硬件和 軟件其使得用戶能夠基于用戶的腦波無線地控制如玩具52的裝置。該 設備實際上可用來控制多個不同的玩具，如卡車、汽車、圖片或機器寵 物，只要該設備具有適當?shù)男畔⒁陨舍槍μ囟ㄍ婢叩谋匾刂菩盘柤?可。耳機50可包括用來檢測用戶的腦波的一個或多個干式有源電極(傳 感器)。該一個或多個電極可鄰近于用戶的前額和/或鄰近用戶耳后的皮 膚。圖1B示出了圖1的設備中使用的干式有源電極的機械部分的示例 性實施方式。該傳感器還可包括圖8更詳細地示出的電子部分，其中該 電子部分可與機械部分相分離。該干式有源電極/傳感器具有銀/氯化銀 (Ag/AgCl)電極53和附著到可以是非傳導材料的基座55的彈性機構 54(如薄金屬板)。該彈性機構使得在傳感器靠著用戶的皮膚放置時能 夠通過彈性機構〗吏電才及53偏置向用戶。該電極還可具有傳導元件56如 導線，該傳導元件56接收電極拾取的信號并將該信號發(fā)送到下述模擬 處理部分。彈性機構54可具有孔區(qū)域57，孔區(qū)域57具有將傳導元件 56與彈性機構54隔離的非傳導材料。在該設備的示例性實施方式中使 用的干式有源電極和模塊在2006年7月6日提交的共同未決的美國專 利申請序列號No. 10/585,500中有更詳細的說明，該專利申請主張2004 年6月29日提交的PCT/KR2004/001573的優(yōu)先權，PCT/KR2004/001573 又主張2004年1月8日提交的韓國專利申請序列號No.lO-2004-0001127 的優(yōu)先權，這些專利申請被共同擁有并通過引用被包括在此。
該設備可包括執(zhí)行一個或多個功能的一個或多個軟件(由耳機內(nèi)的
行):這些功能;包括信號處理步驟和一過程^以及用于至^、部分地基于用 戶的腦波定量確定用戶的精神狀態(tài)的過程。所確定出的精神狀態(tài)可表示 為注意、放松、焦慮、睡意和睡眠，且每個精神狀態(tài)的水平可通過軟件 來確定且以從0到100的數(shù)字來表示，這可根據(jù)應用而變化。除了圖l
所示的玩具控制應用之外，該設備還可用于各種人機接口和神經(jīng)反饋。
圖2A和2B示出了作為圖1所示的設備的一部分的神經(jīng)耳機50, 其中圖2A是耳機的透視圖且圖2B是用戶戴耳機時耳機的透視圖。該耳 機可具有前部分60、第一側部分62和與第一側部分相對的第二側部分 64。當如圖2B所示^皮用戶配戴時，前部分60靠著用戶的前額^使得前部 分中的一個或多個干式傳感器靠著用戶的前額。第一和第二側部分62、 64適配用戶的耳朵。該耳機可進一步包括從第二側部分64延伸出的支 臂部分66。該支臂部分66可包括當耳機激活時允許耳機測量或檢測用 戶的眼睛的運動的眼睛運動傳感器。
圖3A和3B示出了圖1、 2A和2B所示的設備的進一步的細節(jié)，其 中圖3A是耳機的前視圖，且圖3B是耳機的側透視圖。該耳機可包括一 個或多個有源干式傳感器70,如第一組有源干式傳感器70i和第二組有源干式傳感器702、布置在耳機的前部分上的眼電圖(EOG)上傳感器 72和生物信號處理^t塊74。有源干式傳感器7(^和702測量耳^L的用戶 的腦電圖(EEG)信號。EOG上傳感器檢測耳機的用戶何時在向上看。 EOG傳感器檢測來自眼睛周圍肌肉的EMG (肌電圖)信號。為了檢測 眼球的四個方向的運動需要四個EOG傳感器且每個EOG傳感器在眼球 移動時檢測小肌肉的EMG信號。在圖2和圖3中，在右眼附近安裝三 個EOG傳感器且在左眼的左側安裝一個傳感器。眼睛上方的EOG傳感 器檢測向上的眼球移動，而眼睛下方的傳感器檢測向下的眼球移動。眼 睛右側的傳感器檢測眼球向右移動時的EOG信號，眼睛左側的傳感器 檢測眼球向左移動時的EOG信號。生物信號處理才莫塊74處理傳感器檢 測的EEG和EOG信號并生成一組控制信號。參考圖4更詳細地說明生 物信號處理模塊74。
一般有兩種協(xié)議來檢測生物信號，單極(單極性)和雙極。在單極 協(xié)議中，參考電極布置在檢測不到生物信號的地方，而在耳垂或耳朵的 背面處沒有EEG信號。因而，對于單極協(xié)議，參考電極附著在耳朵的 背面處，而有源電極附著在前額上。在雙極協(xié)議中，參考電極附著在可 檢測到生物信號(EEG信號)的地方(一般分離一英寸)。對于雙極協(xié) 議，有源和參考電極都附著在前額上。在圖3A和3B所示的示例性實施 例中，使用單極協(xié)議，然而耳機還可使用兩個電極都附著在前額上的雙 極協(xié)議。
耳機還可包括分別4全測何時用戶在向右、向下和向左看的EOG右 傳感器76、 EOG下傳感器78和EOG左傳感器80。因而，使用這四個 EOG傳感器，確定了戴上耳機時眼睛運動的方向，可分析并使用該方向 來生成用作人/機接口等的控制信號。耳機50可進一步包括在配戴耳機 時適配入用戶耳朵中的第一揚聲器82和第二揚聲器、84,以對用戶提 供音頻。耳機還可包括諸如電池的電源86、接地連接88和參考連接90。 參考連接提供生物信號的基線，且接地連接確保穩(wěn)定的信號并保護耳機 的用戶。因而，當用戶戴上了耳機時，揚聲器適配入用戶的耳朵中，且 檢測到來自用戶的EEG和EOG信號(與眨眼一起)，使得結合其它硬 件和軟件的耳機能夠定量評估用戶的精神狀態(tài)且然后生成可用作人/機 接口的一部分的控制信號(部分地基于用戶的精神狀態(tài))，如用來控制 如圖1所示的玩具的控制信號。圖4示出用于使用定量評估精神狀態(tài)的設備來控制玩具的系統(tǒng)的實
施方式，該設備包括圖2A、 2B、 3A和3B所示的神經(jīng)耳機、其它硬件 和軟件。特別地，圖4更詳細地示出了生物處理才莫塊74的實施方式， 其中該才莫塊可包括才莫擬部分100、功率供應/調節(jié)部分102和數(shù)字部分 104。然而該設備和方法不限于圖4-9所示的特定硬件/軟件/固件實施方 式。該模塊的模擬部分100與傳感器接口且可包括來自傳感器的正、接 地和負輸入。在一些實施方式中，模擬部分的某部分可集成到作為耳機 的一部分的傳感器中。模擬部分可進行各種模擬操作，如信號放大、信 號濾波(例如使得頻率范圍在0-35Hz的信號被輸出到數(shù)字部分)以及 陷波濾波并將信號輸出到數(shù)字部分104。在示例性實施例中，^t擬部分 可提供10000X放大，具有IOT歐姆的輸入阻抗，60Hz處-90dB處的陷 波濾波，提供60Hz處135dB的共模抑制比(CMRR)，且提供-3dB處 0-35Hz的帶通濾波。功率供應/調節(jié)部分102進行各種功率調節(jié)處理且 為模塊74的模擬和數(shù)字部分二者生成功率信號(來自諸如電池的電源)。 在示例性實施例中，功率供應可接收約12伏的功率并調節(jié)電壓。數(shù)字 部分104可包括將信號從模擬部分轉換成數(shù)字信號并處理這些數(shù)字信號 以檢測用戶的精神狀態(tài)并生成輸出信號的轉換和處理部分106,以及發(fā) 送/傳送所生成的輸出信號到可由用戶的祐j企測的精神狀態(tài)控制、影響等 的諸如圖1所示的玩具的機器的發(fā)送部分108。發(fā)送部分可使用各種發(fā) 送協(xié)議和發(fā)送介質，如例如USB發(fā)送器、IR發(fā)送器、RF發(fā)送器、藍牙 發(fā)送器且使用其它有線/無線方法作為系統(tǒng)和機器(計算機)之間的接口 。 在示例性實施例中，數(shù)字部分的轉換部分可具有128KHz的采樣率和每 秒57600位的波特率，且數(shù)字部分的處理部分可執(zhí)行噪聲濾波、快速傅 里葉變換(FFT)分析，執(zhí)行對信號的處理，生成控制信號，并使用一 系列步驟確定耳機的配戴者的精神狀態(tài)。圖6示出了處理部分和發(fā)送部 分的示例性電路實施方式。
岡SA 了閣4所S的泉統(tǒng)的碰件的更多細節(jié) 特別地，模擬部
分100進一步包括EEG信號才莫擬處理部分IIO(其中該部分的電路實施 方式如圖9A所示)和EOG才莫擬處理部分112 (其中該部分的電路實施 方式如圖9B所示)。EOG處理部分可接收來自EOG輸出DC基線偏移 電路114的EOG輸出DC基線偏移信號。EOG輸出DC基線偏移電路 114可以是耦合到處理核106的移位寄存器、耦合到該移位寄存器的數(shù)模轉換器以及使用從該數(shù)模轉換器輸出的模擬信號來調整用來調整
EOG信號的放大器的增益的放大器。
在示例性實施例中，使用第一移位寄存器、第一D/A轉換器和第一 放大器來偏移左右EOG信號，且使用第二移位寄存器、第二D/A轉換 器和第二放大器來偏移上下EOG信號。在示例性實施方式中功率調節(jié) 部分102可生成若干不同的電壓，如+5V、 -5￥和+3.3￥,其中功率調節(jié) 部分的示例性電路實施方式如圖7所示。
數(shù)字部分104包括模數(shù)轉換器(未示出)和處理核106,在示例性 實施例中處理核106可以是對EEG和EOG信號進行各種信號處理操作 的具有嵌入代碼/微代碼的數(shù)字信號處理器。在示例性實施例中，模數(shù)轉 換器(ADC)可以是具有用于每個EEG信號的分別的通道、用于組合 的左右EOG信號(具有偏移)的通道以及用于組合的上下信號(具有 偏移)的通道的六通道ADC。更詳細地，信號可由采樣率為128 Hz的 模數(shù)轉換器(A/D轉換器)采樣，且然后以特殊設計的例程來處理數(shù)據(jù) 使得基于數(shù)據(jù)處理來確定用戶的精神狀態(tài)的類型及其水平。這些結果由 數(shù)字和圖形表示。該處理核還可生成可用于各種目的的一個或多個輸出 信號。例如，輸出信號可被輸出到數(shù)據(jù)發(fā)送器120且繼而被輸出到通信 裝置122,如示例性實施例中的無線RF調制解調器，該通信裝置122 將輸出信號(可以是控制信號)傳送到玩具52。輸出信號還可控制聲音 和語音控制裝置124，聲音和語音控制裝置124可例如生成用以喚醒用 戶的語音消息，該語音消息然后通過耳機的揚聲器被發(fā)送以向用戶提供 可聽警報。
在圖5所示的示例性實施例中，通信裝置122是與玩具中的40MHz RF ASK調制解調器52a通信的40MHz RF幅移鍵控(ASK)調制解調 器。玩具還具有基于從耳機傳送的輸出信號允許玩具響應于輸出信號執(zhí) 行動作的微型控制器52b和激活電路52c,所述動作諸如在某方向上移 動玩具,，?！共吠?具，改變玩,具的行講方向、發(fā)出聲音等。在該示例性實 施例中，具有耳機的設備替代典型的遠程控制裝置且允許用戶以腦波控 制玩具。
圖5B示出系統(tǒng)的生物處理單元74的石更件的更多細節(jié)。EEG和EOG 才莫擬處理單元110、 112在示例性實施例中可以是將來自耳機的才莫擬EEG 和EOG信號轉換成數(shù)字信號的六通道12位^t數(shù)轉換器(ADC)以及向向用于EOG信號的運算放大器提供反饋信號的四通道12位數(shù)才莫轉換器 (DAC)。核106可進一步包括EOG處理單元106a和EEG處理單元 106b。
EOG處理單元確定EOG基線信號且然后生成EOG控制信號，且還 生成被反饋回運算放大器的EOG基線反饋信號。EOG基線反饋信號和 EOG控制信號被反饋回作為12位串行數(shù)據(jù)通道的四通道12位DAC。 EEG處理單元執(zhí)行EEG信號濾波(以下更詳細地說明)、EEG信號的 EOG噪聲濾波(以下說明)并執(zhí)行EEG信號的快速傅里葉變換(FFT)。 EEG處理單元根據(jù)FFT變換后的EEG信號生成控制信號。
圖6示出圖4所示的硬件的數(shù)字部分的示例性電路實施方式。處理 核在示例性實施例中是作為基于AVR增強RISC構造的低功率CMOS 八位微型控制器的ATmegal28,其由Atmel公司商業(yè)銷售，具體芯片的 進 一 步 細 節(jié) 在 以 下 網(wǎng) 址 可 得 到 http:〃www.atmel.com/dyn/resources/prod—documents/doc2467.pdf, 通過引用將 其包括在此。發(fā)送電路是FT232BM,其是USBUART芯片，在商業(yè)上 乂人未來才支術裝置國際有卩艮7>司(Future Technology Devices International Ltd.) 可得到，且該芯片的進 一 步細節(jié)在 http:〃www.ftdichip.com/Products/FT232BM.htm,通過引用將其包凌舌在此。
圖7示出了圖4所示的硬件的功率調節(jié)部分的示例性電路實施方 式。具體地，示出了設備的模擬和數(shù)字功率部分。
圖8A示出了每個干式有源電極的模擬部分的更多細節(jié)，其中每個 電極/傳感器包括器械放大、陷波濾波器以及帶通濾波器和放大器。如圖 8B所示，每個干式有源電極/傳感器具有連接到差分放大器(使用以已 知方式連接在一起的兩個運算放大器形成)的參考電極和測量電極，差 分放大器的輸出耦合到陷波濾波器，陷波濾波器排除60Hz信號(功率 線信號)且然后陷波濾波器的輸出耦合到帶通濾波器和放大器。
圖9示出執(zhí)行由設備的EEG傳感器生成的EEG信號的模擬處理的 圖5所示的硬件的^t擬EEG信號處理部分的示例性電路實施方式。如 圖所示，該電路使用一個或多個放大器以處理并放大設備的EEG信號。
圖10A是圖5所示的模擬EOG信號處理部分的框圖，且圖10B示 出了圖5所示的模擬EOG信號處理部分的示例性電路實施方式。如圖 10A所示， 一莫擬EOG信號處理部分通過DAC和放大器接收被給送到放
13大器中的參考電極信號和測量電極信號，放大器的增益/偏移由處理核
106生成的參考控制信號調整。放大器的輸出被給送到陷波濾波器(以 從功率線排除60Hz信號)，然后在給送到處理核106之前^^皮給送到放 大器和低通濾波器。圖10B示出了模擬EOG信號處理部分的示例性電 路實施方式，其中一個或多個運算放大器執(zhí)行EOG信號的信號處理。
圖11示出作為圖4所示的一部分的軟件130的操作的例子。初始 設置(132)開始設備的軟件的操作。 一旦完成初始設置，就開始了與 被控制的對象的通信會話(134)。 一旦開始了通信，軟件就執(zhí)行電極 信號的信號處理和EEG和EOG信號的數(shù)字表示的數(shù)據(jù)處理。
圖12示出圖11的數(shù)據(jù)處理過程的進一步的細節(jié)，其中數(shù)據(jù)處理過 程包括多個例程，其中每個例程是可由處理單元執(zhí)行的多行計算機代碼 (在示例性實施例中以C或C十+語言來實現(xiàn))，如由圖5所示的處理核 106執(zhí)行或在分離的計算機系統(tǒng)上執(zhí)行的嵌入代碼。該過程可包括 Windows接口例程140、用于圖形顯示EEG和FFT信號的例程142、用 于通信接口的例程144、主例程146和神經(jīng)算法例程148。主例程控制 其它例程，Windows接口例程允許數(shù)據(jù)處理軟件與諸如Windows的操作 系統(tǒng)接口，且例程142生成EEG和FFT信號的圖形顯示。通信例程144 管理設備和正使用該設備所控制的對象之間的通信且神經(jīng)算法例程處 理EEG和EOG信號以生成控制信號且生成如圖14所示的設備的用戶 的精神狀態(tài)的圖形表示。
用戶的精神狀態(tài)一旦被測量就可置入如0-100的水平的水平標度 中，如圖14所示。用戶的精神狀態(tài)(以及所測得的精神狀態(tài)的水平) 可用來生成控制信號以控制機器如計算機。對機器的控制可包括視頻 顯示器處的光標或對象移動(其中精神狀態(tài)的高水平使得光標或對象向 上或更快地移動，反之亦然)，揚聲器的音量控制(其中精神狀態(tài)的高 水平增加音量，反之亦然)，對機器的運動控制(其中精神狀態(tài)的高水 平使得機器移動得更快，反之亦然)，在便攜式音頻系統(tǒng)中選擇音樂(歌 曲)，包括mp3 (其中存儲的音樂或歌曲中選擇的特定類型和拍子的音 樂或歌曲是匹配于精神狀態(tài)和精神狀態(tài)的水平的歌曲/音樂)，可用于諸 如放松或注意力訓練之類的精神訓練或可用來測試壓力水平、精神集中 水平和睡意的生物反饋或神經(jīng)反饋，和/或如開/關控制、速度控制、方 向控制、亮度控制、響度控制、顏色控制等的其它腦-機器(計算機)接cr 。
圖13示出數(shù)據(jù)處理步驟的流程圖150。首先，數(shù)字EEG數(shù)據(jù)的DC 偏移被濾波掉(150),以使得可圖形顯示原始EEG數(shù)據(jù)且可過濾EOG 信號(152 )?？墒褂靡阎腏ADE算法來過濾EOG信號以過濾噪聲。 然后，EEG和EOG信號被低通濾波(154)且然后信號被漢寧窗化 (Harming windowed) ( 156 )。生成濾波后的EEG數(shù)據(jù)信號且可對其 進行圖形表示。然后，針對其功率頻譜分析濾波后的信號(158),濾 波后的信號然后被給送到神經(jīng)算法(160)，以確定用戶的精神和情緒 狀態(tài)(162)。每秒針對512數(shù)據(jù)點進行功率頻譜分析。使用功率頻譜 分析，提取針對德爾塔(delta)、西塔(theta)、阿爾法(alpha)和貝 塔(beta)波的功率頻譜數(shù)據(jù)。
包括若干等式和例程的神經(jīng)算法使用德爾塔、西塔、阿爾法和貝塔 波的功率頻譜數(shù)據(jù)計算精神狀態(tài)的水平。這些等式是基于實驗的數(shù)據(jù)庫 作出的?？舍槍Σ煌膽煤陀脩羲叫薷暮透淖冞@些等式。精神狀態(tài) 可被表示為注意、放松或沉思、焦慮和睡意。通過包括德爾塔、西塔、 阿爾法和貝塔功率頻譜值作為輸入數(shù)據(jù)的等式確定每個精神狀態(tài)水平。 精神狀態(tài)的水平可由0-100的數(shù)字來表示，這可根據(jù)應用來改變。精神 狀態(tài)水平的值每秒都更新。然后，設備可使用精神和情緒狀態(tài)來例如生 成控制信號或顯示用戶的精神狀態(tài)，如圖14所示。
如上所述該設備測量用戶的EEG (兩通道)和EOG信號(四通道) 以及眨眼。使用該設備，可如下表中所示確定用戶的精神狀態(tài)
用戶的精神狀態(tài)
EEG類型占據(jù)的頻率帶寬精神狀態(tài)&狀況
德爾塔0.1Hz 3 Hz深度、無夢睡眠、非REM睡眠、 無意識
西塔4 Hz 7 Hz直覺、創(chuàng)造、回憶、幻想、想象、 創(chuàng)造、夢幻、轉換想法、困倦
阿爾法8Hz 12Hz閉上眼睛、放;HK不激動、不困 倦、平靜有意識
低貝塔12Hz 15Hz乂人前SMR,》文爭>且專心，集中
中間范圍貝塔16 Hz 20 Hz思考，意識到自身&周圍
高貝塔21 Hz 30Hz警覺，激動
15在系統(tǒng)的示例性實施方式中，EEG傳感器可以是鍍金的(gold plate)干式傳感器有源電路，其中每個EEG傳感器可包括放大和帶通濾波。EEG傳感器才莫塊可具有80dB的增益和在-ldB處為1 Hz-33 Hz、在-3dB處為0.5-40 Hz以及在-12dB處為0.16 Hz-60 Hz的帶通濾波器帶寬。每個EOG傳感器可以是鍍金無源傳感器且可具有60dB的增益以及在-ldB處為DC-40 Hz的低通濾波帶寬。無線通信機構可以是27或40MHz ASK系統(tǒng)，但是還可以是2.4GHzISM通信方法(FHSS或DSSS)。模數(shù)轉換可以是12位且采樣頻率可以是128Hz。設備的總的電流消耗是在5VDC處為70mA，且主電源優(yōu)選地是DC 10.8V、 2000mAh的鋰離子可充電電池。
雖然已參考了本發(fā)明的特定實施例說明了本發(fā)明，都是本領域技術人員應理解在不脫離本發(fā)明的原則和精神的情況下可對實施例作出改變，本發(fā)明的范圍由權利要求來限定。
權利要求
1.一種用于確定用戶的精神狀態(tài)的設備，該設備包括框架；位于所述框架上的一個或多個干式有源傳感器，所述一個或多個干式有源傳感器能夠在所述傳感器接觸用戶的皮膚部分時檢測用戶的腦波以及生成腦波信號；以及處理單元，其接收所述腦波信號，處理所述腦波信號并生成對應于用戶的精神狀態(tài)的水平的信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述處理單元進一步包括將所 述腦波信號轉換成 一組數(shù)字腦波信號的模擬處理部分以及處理所述數(shù) 字腦波信號以生成所述對應于用戶的精神狀態(tài)的水平的信號的數(shù)字處 理部分。
3. 根據(jù)權利要求2所述的設備，其中所述模擬處理部分進一步包括 ^t數(shù)轉換器，且其中所述數(shù)字處理部分進一步包括處理核，存儲一個 或多個用于處理所述數(shù)字腦波信號的例程的存儲器以及輸出所述對應 于用戶的精神狀態(tài)的水平的信號的輸出接口 ，其中所述例程由所述處理 核執(zhí)行。
4. 根據(jù)權利要求3所述的設備，其中所述處理核基于所述對應于用 戶的所述精神狀態(tài)的水平的信號生成控制信號，且其中所述輸出接口進 一步包括將所述控制信號發(fā)送到基于所述控制信號被控制的遠程對象 的數(shù)據(jù)發(fā)送單元。
5. 根據(jù)權利要求4所述的設備，其中所述遠程對象進一步包括以下 中的一個視頻顯示器，揚聲器，機器，便攜式音頻裝置和計算機。
6. 根據(jù)權利要求5所述的設備，其中所述控制信號控制所述視頻顯 示器的光標。
7. 根據(jù)權利要求5所述的設備，其中所述控制信號控制揚聲器的音量。
8. 根據(jù)權利要求5所述的設備，其中所述控制信號控制機器的運動速度。
9. 根據(jù)權利要求5所述的設備，其中所述控制信號控制在便攜式音 頻裝置上選擇的音樂。
10. 根據(jù)權利要求5所述的設備，其中所述控制信號控制計算機提供給用戶的神經(jīng)反饋和生物反饋中的一個。
11. 根據(jù)權利要求5所述的設備，其中所述控制信號控制以下中的一 個計算機的開/關選擇，速度控制，方向控制，亮度控制，響度控制和 顏色控制。
12. 根據(jù)權利要求3所述的設備，其中所述一個或多個例程進一步包 括用于基于所述數(shù)字腦波信號評估用戶的精神狀態(tài)的例程，其中該例程 是由所述處理核執(zhí)行的多行計算機代碼。
13. 根據(jù)權利要求1所述的設備，進一步包括處理核和存儲用于處理 所述數(shù)字腦波信號的一個或多個例程的存儲器，其中所述例程由所述處 理核執(zhí)行。
14. 根據(jù)權利要求2所述的設備，進一步包括向所述模擬處理部分和 所述數(shù)字處理部分提供功率的功率供應單元。
15. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述框架具有前部分，附著 到所述前部分的第一側部分，與第一側部分相對的第二側部分，且其中 所述一個或多個干式有源傳感器位于接觸用戶的前額的所述框架的所 述前部分上以及位于所述框架的所述第一和第二側部分上。
16. 根據(jù)權利要求15所述的設備，其中每個干式有源傳感器進一步 包括與用戶接口的機械部分和具有放大器電路和輸出濾波腦波信號的 濾波電路的電子部分。
17. 根據(jù)權利要求4所述的設備，其中所述數(shù)據(jù)發(fā)送單元進一步包 括通用串行總線發(fā)送單元，紅外發(fā)送單元，射頻發(fā)送單元，藍牙發(fā)送 單元，無線發(fā)送單元或有線發(fā)送單元。
18. 根據(jù)權利要求15所述的設備，其中所述一個或多個干式有源傳 感器在單極協(xié)議中。
19. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述框架具有前部分，附著 到所述前部分的第一側部分，與所述第一側部分相對的第二側部分，且 其中所述一個或多個干式有源傳感器位于接觸用戶的前額的所述框架 的所述前部分上且所述一個或多個干式有源傳感器在雙極協(xié)議中。
20. —種用于確定用戶的精神狀態(tài)的方法，該方法包括 使用位于框架上的一個或多個干式有源傳感器在所述傳感器接觸用戶的皮月夫部分時;險測用戶的一組腦波信號；以及 在處理單元處接收所述一組腦波信號；以及在所述處理單元中處理所述腦波信號以生成對應于用戶的精神狀 態(tài)的水平的信號。
21. 根據(jù)權利要求20所述的方法，其中處理所述腦波信號進一步包 括使用模擬處理部分將所述腦波信號轉換成一組數(shù)字腦波信號，以及使 用數(shù)字處理部分處理所述數(shù)字腦波信號以生成所述對應于用戶的精神 狀態(tài)的水平的信號。
22. 根據(jù)權利要求20所述的方法，進一步包括基于所述對應于用 戶的精神狀態(tài)的水平的信號在所述處理單元中生成控制信號，使用數(shù)據(jù) 發(fā)送單元將所述控制信號發(fā)送到遠程對象且基于所述控制信號控制所 述遠程對象。
23. 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號控制所述 遠程對象進一步包括基于所述控制信號控制視頻顯示器的光標。
24. 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號控制所述 遠程對象進一步包括基于所述控制信號控制揚聲器的音量。
25. 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號控制所述 遠程對象進一步包括基于所述控制信號控制機器的運動速度。
26. 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號控制所述 遠程對象進一步包括基于所述控制信號選擇便攜式音頻裝置上的音樂。
27. 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號控制所述遠程對象進一步包括基于所述控制信號生成神經(jīng)反饋和生物反饋中的 一個。
28. 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號控制所述 遠程對象進一步包括以下中的一個選擇開/關選擇，選擇速度水平，選 擇方向，選擇亮度水平，選擇響度水平和選擇顏色水平。
29. 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中向遠程對象發(fā)送所述控制信 號進一步包括以下中的一個使用通用串行總線發(fā)送單元發(fā)送所述控制 信號，使用紅外發(fā)送單元發(fā)送所述控制信號，使用射頻發(fā)送單元發(fā)送所 述控制信號，使用藍牙發(fā)送單元發(fā)送所述控制信號，使用無線發(fā)送單元 發(fā)送所述控制信號以及使用有線發(fā)送單元發(fā)送所述控制信號。
30. 根據(jù)權利要求20所述的方法，其中檢測一組腦波信號進一步包 括使用單極協(xié)議中的一個或多個干式有源傳感器在所述傳感器接觸用 戶的皮膚部分時檢測用戶的一組腦波信號。
31.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中檢測一組腦波信號進一步包 括使用雙極協(xié)議中的一個或多個干式有源傳感器在所述傳感器接觸用 戶的皮膚部分時檢測用戶的一組腦波信號。
全文摘要
提供一種無噪聲便攜式EEG系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有硬件和軟件且可定量評估精神狀態(tài)。精神狀態(tài)的定量數(shù)據(jù)及其水平可應用到腦機接口的各種領域，包括消費品、視頻游戲、玩具、軍事和航空以及生物反饋或神經(jīng)反饋。
文檔編號A61B5/04GK101677774SQ200780052261
公開日2010年3月24日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權日2007年1月22日
發(fā)明者K·H·李, S·楊 申請人:紐羅斯凱公司