專(zhuān)利名稱(chēng)：基于腦電信號(hào)的殘疾人環(huán)境控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。
它是一種基于眼動(dòng)時(shí)誘發(fā)的腦電信號(hào)來(lái)表達(dá)內(nèi)心世界和控制周?chē)h(huán)境的裝置。該裝置通過(guò)特制的硬件系統(tǒng)對(duì)誘發(fā)腦電進(jìn)行采集，通過(guò)串行口將信息輸入計(jì)算機(jī)中，再用PC機(jī)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，最后根據(jù)在進(jìn)行不同的眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)，其誘發(fā)的腦電信號(hào)不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種不同的功能，并通過(guò)特定的語(yǔ)音系統(tǒng)表達(dá)出來(lái)。從而達(dá)到將人腦與電腦連接起來(lái)，即做不同的眼球運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)的行為。
本實(shí)用新型由硬件和軟件兩部分組成。
硬件系統(tǒng)主要由一臺(tái)PC機(jī)及腦-計(jì)算機(jī)接口控制器組成，計(jì)算機(jī)完成對(duì)眼動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的分析，接口控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)誘發(fā)腦電信號(hào)的預(yù)處理。信號(hào)通過(guò)電極采入接口控制器，在接口控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)誘發(fā)腦電信號(hào)進(jìn)行分析。在得出處理結(jié)論后，分別可以通過(guò)聲卡以及串行口發(fā)出控制指令。如接口控制器收到計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令，即可動(dòng)作，控制外圍的電器。
腦-計(jì)算機(jī)接口控制器主要由五部分組成，分別為輸入保護(hù)部分，前級(jí)放大部分，信號(hào)隔離部分，后級(jí)信號(hào)放大濾波部分，以及微計(jì)算機(jī)(Intel80C196KC)采集控制部分。各部分的功能及構(gòu)成如下I輸入保護(hù)部分本部分主要由穩(wěn)壓二極管和輸入保護(hù)電阻組成，另外在輸入前置放大器INA128的輸入端也有一定的保護(hù)作用。
II前級(jí)放大部分本部分有兩功能模塊，共三個(gè)部分，分別由INA128和LM324構(gòu)成，前半部分的放大采用差動(dòng)放大方法，以提高輸入信號(hào)的共模抑制比。后半部放大使用的是負(fù)反饋放大電路。為了有效的抑制工頻干擾，在兩級(jí)放大器中間，設(shè)有一個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)濾波器，以避免工頻信號(hào)在放大過(guò)程中使信號(hào)溢出，其增益在80dB附近可調(diào)。
III信號(hào)隔離部分隔離級(jí)由TLP521-2構(gòu)成，通過(guò)設(shè)置其輸入電流大小，實(shí)現(xiàn)信號(hào)1∶1放大的隔離。由于隔離級(jí)的加入，使得前端的信號(hào)測(cè)量在電氣上與后端完全隔離，來(lái)提高系統(tǒng)的安全性。同時(shí)也提高了信號(hào)的抗干擾性能。
IV信號(hào)放大濾波部分放大器采用了LM324和OP07，前部是一個(gè)四階的低通濾波器，由LM324構(gòu)成。后部接一個(gè)負(fù)反饋放大電路，最后是一個(gè)電平調(diào)整電路，其增益在20dB附近可調(diào)。
V微計(jì)算機(jī)采集控制部分此部分主要是利用微處理器的控制功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的模數(shù)變換，把得到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信的方法，送入PC機(jī)，讓計(jì)算機(jī)來(lái)完成分析。其與計(jì)算機(jī)間采用的是雙工的通信方式，同時(shí)也承擔(dān)著控制外部用電器的功能。
腦-計(jì)算機(jī)接口控制器內(nèi)部的信號(hào)預(yù)處理流程，嵌入了一塊Intel80C196KC微處理器，負(fù)責(zé)完成信號(hào)的變換、通信、控制等功能。由于人體信號(hào)采集的特殊性，針對(duì)安全問(wèn)題，采用了兩級(jí)放大濾波的方案，在中間級(jí)插入了隔離單元，保證儀器的安全性。其信號(hào)的總體增益在100dB附近可調(diào)。本實(shí)用新型的軟件部分是利用Microsoft Visual C++6.0設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。軟件的具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)包括以下幾個(gè)部分用戶(hù)界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)輸入與存儲(chǔ)、腦電數(shù)據(jù)的處理與顯示等。其中核心是數(shù)據(jù)的輸入與處理。數(shù)據(jù)可以通過(guò)保存在磁盤(pán)上的文件讀入，也可以從串行口實(shí)時(shí)的讀入。數(shù)據(jù)處理就是對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別輸出，這也是最為關(guān)鍵的一步，本實(shí)用新型的控制包括
打開(kāi)串口，將數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)buffer的輸入裝置；判斷串口是否有數(shù)據(jù)的判斷裝置，及處理判斷結(jié)果的輸出裝置；從buffer中讀入DATA_Num個(gè)數(shù)據(jù)到數(shù)組m_data的讀入裝置；求眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的幅度閾值(及波形斜率和相關(guān)特征值)的計(jì)算器；根據(jù)眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的規(guī)律，判斷是否為眨眼運(yùn)動(dòng)的判斷裝置，及處理判斷結(jié)果的輸出裝置；根據(jù)眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的規(guī)律，判斷是否為眼球向上運(yùn)動(dòng)的判斷裝置，及處理判斷結(jié)果的輸出裝置；根據(jù)眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的規(guī)律，判斷是否為眼球向下運(yùn)動(dòng)的判斷裝置，及處理判斷結(jié)果的輸出裝置。
基于腦電信號(hào)的殘廢人環(huán)境控制裝置是一種供殘廢人(特別是癱瘓病人)使用的電子機(jī)械的裝置，即它可供思維正常但有運(yùn)動(dòng)功能障礙的人對(duì)外界表達(dá)內(nèi)心世界，對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行交流和控制，如向外界表達(dá)想要吃飯、進(jìn)行戶(hù)外活動(dòng)或聽(tīng)音樂(lè)等的想法，以及控制收音機(jī)和電扇等外界環(huán)境。實(shí)現(xiàn)一定程度上的生活自理。
如一受試者(思維正常)坐在計(jì)算機(jī)屏幕前，其誘發(fā)腦電信號(hào)用兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)通過(guò)人腦與計(jì)算機(jī)的接口電路送入PC機(jī)內(nèi)。這時(shí)受試者想讓該計(jì)算機(jī)表達(dá)他要“請(qǐng)護(hù)士幫助活動(dòng)一下”的想法，他只需將眼球向上看一下，這時(shí)候PC機(jī)屏幕上的光標(biāo)向上移動(dòng)并指向“護(hù)士，請(qǐng)幫我運(yùn)動(dòng)一下”的指示框，同時(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)出“護(hù)士，請(qǐng)幫我運(yùn)動(dòng)一下”的聲音。若受試者進(jìn)行其它不同的眼球移動(dòng)時(shí)，還可以將內(nèi)心的其它想法表達(dá)出來(lái)，以及對(duì)常用電器的控制。
它還可以為健康的人們提供在特殊環(huán)境下控制外界的環(huán)境，如幫助人們?cè)诟咻椛鋮^(qū)外對(duì)該區(qū)內(nèi)部設(shè)備的控制等。也可為人們提供一種新的娛樂(lè)方式，如思維玩電子游戲等。本實(shí)用新型在腦電信號(hào)采集中，僅采用了兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)(Fp1-F7，F(xiàn)p2-F8)就可得到所需的信號(hào)，這樣方便于使用者，也就是便于普通老百姓使用?？刂频挠布到y(tǒng)性能穩(wěn)定，適合于殘疾人；以PC機(jī)為平臺(tái)的軟件系統(tǒng)識(shí)別率高。該裝置與特制的語(yǔ)音系統(tǒng)鏈接，使不同的腦電信號(hào)可以用語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)。
圖4為本實(shí)用新型的控制軟件流程圖
2、判斷串口中是否有數(shù)據(jù)，若無(wú)，關(guān)閉串行口，程序結(jié)束；若有執(zhí)行步驟3。
3、從buffer中讀入DATA_NUM個(gè)數(shù)據(jù)到數(shù)組m_data中。
4、求眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的幅度閾值(及相關(guān)特征值)。
5、根據(jù)眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的規(guī)律，判斷是否為眨眼運(yùn)動(dòng)。若是，輸出結(jié)果，轉(zhuǎn)入步驟2；否，轉(zhuǎn)入步驟6。
6、根據(jù)眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的規(guī)律，判斷是否為眼球向上運(yùn)動(dòng)，若是，輸出結(jié)果，轉(zhuǎn)入步驟2；否，轉(zhuǎn)入步驟7。
7、根據(jù)眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的規(guī)律，判斷是否為眼球向下運(yùn)動(dòng)，若是，輸出結(jié)果，轉(zhuǎn)入步驟2；否，轉(zhuǎn)入步驟2。
權(quán)利要求1.一種基于腦電信號(hào)的殘疾人環(huán)境控制裝置，其特征在于該裝置由腦傳導(dǎo)電極、腦-計(jì)算機(jī)接口控制器、PC機(jī)及控制裝置組成，腦傳導(dǎo)電極與腦-計(jì)算機(jī)接口控制器輸入口相聯(lián)，腦-計(jì)算機(jī)接口控制器與PC機(jī)通過(guò)串行口相聯(lián)，PC機(jī)輸出端接顯示器和揚(yáng)聲器，腦電信號(hào)通過(guò)腦傳導(dǎo)電極輸入腦-計(jì)算機(jī)接口控制器，腦-計(jì)算機(jī)接口控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)誘發(fā)腦電信號(hào)進(jìn)行分析，得出結(jié)論后，分別通過(guò)聲卡及串行口發(fā)出控制指令，接口控制器收到計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令，即控制外圍電器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于腦電信號(hào)的殘疾人環(huán)境控制裝置，其特征在于所說(shuō)的腦-計(jì)算機(jī)接口控制器由輸入保護(hù)、前級(jí)放大、信號(hào)隔離、后級(jí)信號(hào)放大濾波及微計(jì)算機(jī)采集控制五部分組成，輸入保護(hù)電路由穩(wěn)壓二級(jí)管和輸入保護(hù)電阻組成；前置放大采用兩種功能模塊由INA128和LM324構(gòu)成，INA128放大模塊采用差動(dòng)放大電路，LM324放大模塊使用負(fù)反饋放大電路，在兩級(jí)放大器中間設(shè)有一個(gè)雙T網(wǎng)絡(luò)濾波器，其增益在80dB附近可調(diào)；信號(hào)隔離級(jí)由TLP521-2構(gòu)成；信號(hào)放大濾波電路前部是一個(gè)四級(jí)的低通濾波器，由LM324構(gòu)成，后部接一個(gè)負(fù)反饋放大電路，最后是一個(gè)電平調(diào)整電路，其增益在20dB附近可調(diào)；微計(jì)算機(jī)采集控制與計(jì)算機(jī)間采用雙工通信方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于腦電信號(hào)的殘疾人環(huán)境控制裝置，其特征在于所說(shuō)的控制裝置包括打開(kāi)串口，從串口將數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)buffer中的輸入裝置；判斷串口是否有數(shù)據(jù)的判斷裝置，及處理判斷結(jié)果的輸出裝置；從buffer中讀入DATA_Num個(gè)數(shù)據(jù)到數(shù)組m_data的讀入裝置；求眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的幅度閾值及相關(guān)特征值的計(jì)算器；根據(jù)眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的規(guī)律，判斷是否為眨眼運(yùn)動(dòng)的判斷裝置，及處理判斷結(jié)果的輸出裝置；根據(jù)眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的規(guī)律，判斷是否為眼球向上運(yùn)動(dòng)的判斷裝置，及處理判斷結(jié)果的輸出裝置；根據(jù)眼球運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦電信號(hào)的規(guī)律，判斷是否為眼球向下運(yùn)動(dòng)的判斷裝置，及處理判斷結(jié)果的輸出裝置。
專(zhuān)利摘要一種基于腦電信號(hào)的殘疾人環(huán)境控制裝置，屬于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，由腦傳導(dǎo)電極、腦－計(jì)算機(jī)接口控制器、PC機(jī)及控制軟件組成，腦傳導(dǎo)電極與腦－計(jì)算機(jī)接口控制器輸入口相聯(lián)，腦計(jì)算機(jī)接口控制器與PC機(jī)通過(guò)串行口相聯(lián)，PC機(jī)輸出端接顯示器和揚(yáng)聲器，腦電信號(hào)通過(guò)腦傳導(dǎo)電極輸入腦－計(jì)算機(jī)接口控制器，腦－計(jì)算機(jī)接口控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)誘發(fā)腦電信號(hào)進(jìn)行分析，得出結(jié)論后分別通過(guò)聲卡及串行口發(fā)出控制指令，接口控制器收到計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令即控制外圍電器，本實(shí)用新型既可供思維正常有功能障礙的人對(duì)外界表達(dá)內(nèi)心世界，對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行交流和控制，還可幫助健康的人們?cè)谔厥猸h(huán)境下控制外界環(huán)境，具有使用方便、控制穩(wěn)定、識(shí)別率高、使腦電信號(hào)可用語(yǔ)言表達(dá)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F17/00GK2525600SQ0220977
公開(kāi)日2002年12月11日 申請(qǐng)日期2002年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月18日
發(fā)明者王宏, 李春勝, 王恩美 申請(qǐng)人:東北大學(xué)