專利名稱：Bci動物實驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種實驗裝置，具體來說是指一種面向動物與機器接口的BCI動物實驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
腦機交互技術(shù)(BCI)，研究的是如何通過非自然的方法溝通腦內(nèi)信息和外界環(huán)境。它為大腦和環(huán)境提供了雙向傳輸通道，外界信息能從仿生傳感器輸入到神經(jīng)系統(tǒng)，神經(jīng)信號也可以用于控制外部電子機械裝置。該項技術(shù)可以修復、改善甚至擴展神經(jīng)系統(tǒng)原有功能，提供了一種嶄新的信息交互模式。
頭皮腦電圖(EEG)由于其無創(chuàng)安全簡便的特性，最先被用于BCI系統(tǒng)的研究。奧地利Graz科技大學的BCI小組在2003年首次實現(xiàn)了用EEG結(jié)合功能性電刺激，幫助中風病人恢復手臂功能，極大地推動了BCI向?qū)嵱眯园l(fā)展。他們還設計實現(xiàn)了基于EEG的虛擬鍵盤和虛擬場景漫游等系統(tǒng)的初步模型。美國Wadsworth中心的BCI小組則實現(xiàn)了用頭皮腦電信號控制外界設備，可以讓高度癱瘓者完成文字拼寫、收發(fā)電子郵件、回答簡單問題等日常操作，并且不需要專門醫(yī)護人員協(xié)助。
近年來，隨著醫(yī)學技術(shù)和材料科學的進步，植入式電極在腦機交互技術(shù)中的研究得到了突破性的進展。1999年，Duke大學Nicolelis領導的研究小組在短尾猴的大腦植入極細微的電極，使它們可以利用腦波控制機械手臂。加州理工大學的Andersen教授領導的研究小組則于2004年在Science上發(fā)表文章，介紹了實驗動物在他們的訓練下，可以用意識來移動屏幕中的光標，甚至在實驗動物計劃如何運動的時候，就解讀和預測出它的想法。
2000年以后，植入式電極在腦機交互中的應用得到了突破性的進展。Duke大學Nicolelis領導的研究小組在短尾猴的大腦植入極細微的電極，使它們可以利用腦波控制機械手臂。這項重大突破有朝一日可望使脊椎損傷患者利用腦波使用機械或各種工具，甚至讓部分癱瘓者可再度移動肢體。加州理工大學的RichardAndersen教授領導的研究小組則于2004年在Science上發(fā)表文章，介紹了實驗動物在他們的訓練下，可以用意識來移動屏幕中的光標，甚至是實驗動物在計劃如何運動的時候，就可解讀和預測出它的想法。與此同時，通過遙控方式來控制外部電子裝置來控制動物的行為的研究雖然也已經(jīng)起步，卻并沒有出現(xiàn)一套完整的實驗系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一套完整的涵蓋動物篩選、動物訓練、動物刺激、動物反饋采集、腦電信號分析等各個研究方面的腦機接口系統(tǒng)，通過植入電極控制動物個體行為，研究在動物腦內(nèi)植入微芯片，利用動物自身的生物傳感功能，獲取動物的感覺，控制動物的行為，使動物在人類無法進入的地區(qū)有目的得完成尋找目標、定位等活動，大大降低在危險環(huán)境和戰(zhàn)場中人類所面臨的危險，在軍事偵察、邊境緝毒、救災等領域都有廣泛的用途。
一種BCI動物實驗系統(tǒng)，包括PC機、腦神經(jīng)電刺激/采集器、腦刺激電極、壓桿箱、運動訓練場地，腦刺激電極植入待訓動物腦內(nèi)，腦神經(jīng)電刺激/采集器置于待訓動物體上，腦神經(jīng)電刺激/采集器與PC機連接，根據(jù)訓練要求經(jīng)PC機發(fā)送刺激參數(shù)至腦神經(jīng)電刺激/采集器，腦神經(jīng)電刺激/采集器產(chǎn)生相應刺激波形，通過腦刺激電極作用于動物腦，使動物產(chǎn)生相應行為，同時腦神經(jīng)電刺激/采集器采集動物腦電波形，將其回傳給PC機，經(jīng)PC機顯示并存儲。
所述的PC機帶有遙控器。
所述的腦神經(jīng)電刺激/采集器包括通訊模塊、微處理器、電壓/電流驅(qū)動電路、電壓/電流模式選擇電路、模擬開關方向控制電路和通道選擇電路，微處理器內(nèi)加裝腦電刺激軟件和腦電信號采集軟件；通訊模塊接收PC機發(fā)送的刺激信號并傳輸給微處理器，微處理器通過其內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生相應的脈沖波形，經(jīng)驅(qū)動電路形成恒流或恒壓脈沖，經(jīng)電壓/電流模式選擇電路選擇恒壓或恒流，再經(jīng)模擬開關方向控制電路產(chǎn)生雙向脈沖，同時控制通道選擇電路選通所要加刺激的腦刺激電極，將刺激脈沖作用于相應的腦功能區(qū)。
所述的驅(qū)動電路由直接耦合的放大器構(gòu)成，用于功率放大和恒壓變恒流。
所述的通道選擇電路由模擬開關構(gòu)成，可以實現(xiàn)多路同時刺激或單獨加刺激于某一電極。
所述的壓桿箱為不透光的密閉箱，內(nèi)部設有壓桿，提示燈。
對于動物各個參數(shù)的配置和刺激命令以及之后的反饋數(shù)據(jù)采樣主要是由PC機完成的。腦電刺激軟件可以產(chǎn)生任何形狀的刺激方波，主要由參數(shù)配置模塊、行為控制模塊、方案管理模塊、日志管理模塊、反饋數(shù)據(jù)處理模塊組成，其中，參數(shù)設置模塊，主要用于設置刺激參數(shù)(脈沖間隔，脈沖寬度，脈沖數(shù)量，電壓幅度，電流幅度，刺激間隔，串的個數(shù))，刺激方式(電壓或電流)和刺激模式(是否連續(xù)刺激)。
行為控制模塊有六種操作，可以控制動物向左，向前，向右，還可以給動物獎賞(MFB刺激)，通過選擇不同的刺激來可以使老鼠產(chǎn)生不同的行為。
方案管理模塊可以管理每只老鼠的刺激參數(shù)，它能夠減少操作者的輸入次數(shù)，從而節(jié)約訓練時間。由于老鼠之間具有個體差異，不同的參數(shù)刺激會對不同的老鼠產(chǎn)生不同的效果。要得到最適合于某只老鼠的刺激參數(shù)就必須不斷地去試探。
日志管理模塊可以記錄下對每只老鼠的刺激記錄，包括所有的配置參數(shù)以及各個方向的刺激?？捎糜谌蘸髷?shù)據(jù)分析。日志管理自動關聯(lián)到相對應的方案管理。
反饋數(shù)據(jù)處理模塊包括存儲老鼠的刺激后反饋的腦電波數(shù)據(jù)，并將得到的腦電波形實時顯示供控制人員參考。接收的腦電數(shù)據(jù)將以特定的文件格式保存。
所述的腦電刺激軟件控制過程包括以下步驟初始化，選擇默認方案并設置通信參數(shù)；選擇，刪除，增加訓練方案，設定刺激參數(shù)、刺激模式和刺激方向；參數(shù)設置完畢后，發(fā)送指令來控制動物行動。
所述的腦電信號采集軟件采集處理數(shù)據(jù)的過程包括以下步驟程序讀串口，接收采集的腦電數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)緩存至接收緩沖區(qū)；將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀入文件，以自定義文件格式(后綴為bcid)保存；將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)采用均值取樣算法，獲得波形的顯示數(shù)據(jù)，將顯示數(shù)據(jù)保存到顯示緩存區(qū)，清空接收緩存區(qū)，進入下一個循環(huán)；訪問圖形處理設備，在界面上顯示波形。
本發(fā)明動物實驗系統(tǒng)利用電子裝置控制動物大腦，以達到控制其身體運動，為進一步從事此領域的研究提供了研究手段，從而隊研究腦的高級功能、創(chuàng)造腦具有重要意義。


圖1為本發(fā)明裝置的原理框圖；圖2為腦神經(jīng)電刺激/采集器的組成框圖；圖3為腦神經(jīng)電刺激/采集器產(chǎn)生的電脈沖示意圖；圖4為壓桿箱的原理框圖；圖5為腦電刺激軟件流程圖；圖6為腦電信號采集處理軟件流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，一種BCI動物實驗系統(tǒng)，包括PC機、腦神經(jīng)電刺激/采集器、腦刺激電極、運動訓練場地，腦刺激電極植入待訓動物腦內(nèi)，腦神經(jīng)電刺激/采集器置于待訓動物體上，腦神經(jīng)電刺激/采集器與PC機連接，PC機帶有遙控器。
如圖2所示，腦神經(jīng)電刺激/采集器包括通訊模塊、微處理器、電壓/電流驅(qū)動電路、電壓/電流模式選擇電路、模擬開關方向控制電路和通道選擇電路，微處理器內(nèi)加裝刺激波形軟件。
驅(qū)動電路由直接耦合的放大器構(gòu)成，用于功率放大和恒壓變恒流。
通道選擇電路由模擬開關構(gòu)成，可以實現(xiàn)多路同時刺激或單獨加刺激于某一電極。
動物訓練場地包括壓桿箱、八臂迷宮，田字路線，臺階，書立等。
如圖4所示，壓桿箱是不透光的密閉箱，內(nèi)有壓桿，提示燈。壓桿是一個開關，兩端連接Max232的12腳(TTL邏輯信號輸入端)和15腳(接地端，具體可參考Maxim Integrated Products公司的Datasheet)。12腳由內(nèi)部上拉到+5V，當壓桿壓下，12腳與16腳(GND)相連，電壓就由+5V變?yōu)?V。這個變化信號通過接口電路Max232傳輸給PC機。PC機軟件檢測到該信號后，根據(jù)用戶設置點亮提示燈并發(fā)送獎賞命令給刺激器，給與動物以獎賞刺激。八臂迷宮，田字路線，臺階，書立等用于組成復雜路線進行訓練，動物按照控制在路線上運動。
根據(jù)訓練要求，操作員通過遙控器控制PC機，向腦神經(jīng)電刺激/采集器發(fā)送刺激參數(shù)，腦神經(jīng)電刺激/采集器的通訊模塊接收PC機發(fā)送的刺激信號并傳輸給微處理器，微處理器通過其內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生相應的脈沖波形，經(jīng)驅(qū)動電路形成恒流或恒壓脈沖，經(jīng)電壓/電流模式選擇電路選擇恒壓或恒流，再經(jīng)模擬開關方向控制電路產(chǎn)生雙向脈沖，同時控制通道選擇電路選通所要加刺激的腦刺激電極，將刺激脈沖作用于相應的腦功能區(qū)，使動物產(chǎn)生相應行為，同時腦神經(jīng)電刺激/采集器采集動物腦電波形，將其回傳給PC機，經(jīng)PC機顯示并存儲。
對于動物各個參數(shù)的配置和刺激命令以及之后的反饋數(shù)據(jù)采樣主要是由PC機完成的。腦電刺激軟件可以產(chǎn)生任何形狀的刺激方波，主要由參數(shù)配置模塊、行為控制模塊、方案管理模塊、日志管理模塊、反饋數(shù)據(jù)處理模塊組成，其中，參數(shù)設置模塊，主要用于設置刺激參數(shù)(脈沖間隔，脈沖寬度，脈沖數(shù)量，電壓幅度，電流幅度，刺激間隔，串的個數(shù))，刺激方式(電壓或電流)和刺激模式(是否連續(xù)刺激)。
行為控制模塊有六種操作，可以控制動物向左，向前，向右，還可以給動物獎賞(MFB刺激)，通過選擇不同的刺激來可以使老鼠產(chǎn)生不同的行為。
方案管理模塊可以管理每只老鼠的刺激參數(shù)，它能夠減少操作者的輸入次數(shù)，從而節(jié)約訓練時間。由于老鼠之間具有個體差異，不同的參數(shù)刺激會對不同的老鼠產(chǎn)生不同的效果。要得到最適合于某只老鼠的刺激參數(shù)就必須不斷地去試探。
日志管理模塊可以記錄下對每只老鼠的刺激記錄，包括所有的配置參數(shù)以及各個方向的刺激。可用于日后數(shù)據(jù)分析。日志管理自動關聯(lián)到相對應的方案管理。
反饋數(shù)據(jù)處理模塊包括存儲老鼠的刺激后反饋的腦電波數(shù)據(jù)，并將得到的腦電波形實時顯示供控制人員參考。接收的腦電數(shù)據(jù)將以特定的文件格式保存。
如圖5所示，腦電刺激波形形成過程包括以下步驟初始化，選擇默認方案并設置通信參數(shù)，如串口號，波特率，數(shù)據(jù)位等；選擇、刪除、增加訓練方案，設定脈沖間隔，脈沖寬度，脈沖數(shù)量，電壓幅度，電流幅度，刺激間隔，串的個數(shù)等刺激參數(shù)，選擇刺激模式(這些數(shù)據(jù)也可以通過選擇方案文件直接導入)和刺激方向；選擇訓練方案的同時，系統(tǒng)會自動選擇該方案對應的日志，如果有相應的操作，那么該操作就會被記錄在該日志里；選好方案后還可以修改該方案的參數(shù)，并可以把修改后的參數(shù)保存在文件中，以備下次使用；當參數(shù)設置完畢后，發(fā)送指令來控制動物行動。
如圖6所示，數(shù)據(jù)采集處理過程包括以下步驟程序讀串口，接收采集的腦電數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)緩存至接收緩沖區(qū)；將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀入文件，以特定文件格式保存；同時將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)采用均值取樣算法，獲得波形的顯示數(shù)據(jù)，將顯示數(shù)據(jù)保存到顯示緩存區(qū)，清空接收緩存區(qū)，進入下一個循環(huán)；訪問圖形處理設備，在界面上顯示波形。
在實際訓練過程中，須對動物進行篩選，篩選時，打開監(jiān)控軟件、背包刺激器，連通藍牙無線通訊模塊，將動物放進壓桿箱，并給與壓桿獎賞提示。
觀察動物適當給與提示，直到壓桿幾率多于動物自由活動偶然碰到壓桿的幾率，此時可以判斷獎賞有效。
判斷獎賞效果每天壓同樣的時間如1小時，記錄壓桿次數(shù)，速率。觀察重復性，重復3天以上效果比較理想。并在訓練中檢查MFB刺激效果，保證有效。
獎賞參數(shù)從10V/8個/10ms/1ms開始(10V是電壓幅度的峰峰值；8個是脈沖的個數(shù)；10ms是脈沖間隔；1ms是脈沖寬度)，如不壓就調(diào)大幅度或增加刺激個數(shù)或持續(xù)時間，改變刺激參數(shù)觀察壓桿次數(shù)相應變化，選擇最佳參數(shù)。
開始訓練時，安裝軟件，連接藍牙無線通訊模塊，連接背包刺激器，將動物置于八臂或田字路線。
選擇刺激強度，以動物有明顯反應，并不過強后退為最佳。
參數(shù)選定后，一般不需改動，對應動物編號，存儲其刺激參數(shù)為文件，以后訓練直接讀出即可。
先從最簡單的前進和左右轉(zhuǎn)向訓練開始，逐0增加難度，直到學會爬樓梯，繞8字等復雜動作。先讓動物學會向前，向前就給獎賞。在動物走到8臂口時給予方向提示，如果轉(zhuǎn)向正確給獎賞，強化動物行為。轉(zhuǎn)向訓練正確率到90％左右，即可進行復雜動作訓練。
權(quán)利要求
1.一種BCI動物實驗系統(tǒng)，其特征在于包括PC機、腦神經(jīng)電刺激/采集器、腦刺激電極、壓桿箱、運動訓練場地，腦刺激電極植入待訓動物腦內(nèi)，腦神經(jīng)電刺激/采集器置于待訓動物體上，腦神經(jīng)電刺激/采集器與PC機連接，根據(jù)訓練要求經(jīng)PC機發(fā)送刺激參數(shù)至腦神經(jīng)電刺激/采集器，腦神經(jīng)電刺激/采集器產(chǎn)生相應刺激波形，通過腦刺激電極作用于動物腦，使動物產(chǎn)生相應行為，同時腦神經(jīng)電刺激/采集器采集動物腦電波形，將其回傳給PC機，經(jīng)PC機顯示并存儲。
2.如權(quán)利要求1所述的BCI動物實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的PC機帶有遙控裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的BCI動物實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的腦神經(jīng)電刺激/采集器包括通訊模塊、微處理器、電壓/電流驅(qū)動電路、電壓/電流模式選擇電路、模擬開關方向控制電路和通道選擇電路，微處理器內(nèi)加裝腦電刺激軟件和腦電信號采集軟件；通訊模塊接收PC機發(fā)送的刺激信號并傳輸給微處理器，微處理器通過其內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生相應的脈沖波形，經(jīng)驅(qū)動電路形成恒流或恒壓脈沖，經(jīng)電壓/電流模式選擇電路選擇恒壓或恒流，再經(jīng)模擬開關方向控制電路產(chǎn)生雙向脈沖，同時控制通道選擇電路選通所要加刺激的腦刺激電極，將刺激脈沖作用于相應的腦功能區(qū)。
4.如權(quán)利要求3所述的BCI動物實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的驅(qū)動電路由直接耦合的放大器構(gòu)成，用于功率放大和恒壓變恒流。
5.如權(quán)利要求3所述的BCI動物實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的通道選擇電路由模擬開關構(gòu)成，可以實現(xiàn)多路同時刺激或單獨加刺激于某一電極。
6.如權(quán)利要求3所述的BCI動物實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的腦電刺激軟件用于產(chǎn)生各種形狀的刺激方波，包括參數(shù)設置模塊，用于設置刺激參數(shù)，刺激方式和刺激模式；行為控制模塊，用于控制待訓動物的行為類型及方向；方案管理模塊，用于管理每只待訓動物的刺激參數(shù)；日志管理模塊，用于記錄對每只待訓動物的刺激記錄，包括所有的配置參數(shù)以及各個方向的刺激；日志管理模塊自動關聯(lián)到相對應的方案管理模塊；反饋數(shù)據(jù)處理模塊，包括存儲動物受刺激后反饋的腦電波數(shù)據(jù)，并將得到的腦電波形實時顯示供控制人員參考。
7.如權(quán)利要求3所述的BCI動物實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的腦電刺激軟件控制過程包括以下步驟初始化，選擇默認方案并設置通信參數(shù)；選擇、刪除或增加訓練方案，設定刺激參數(shù)、刺激模式和刺激方向；參數(shù)設置完畢后，發(fā)送指令控制動物行動。
8.如權(quán)利要求3所述的BCI動物實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的腦電信號采集軟件采集處理數(shù)據(jù)的過程包括以下步驟接收采集的腦電數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)緩存至接收緩沖區(qū)；將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀入文件，以自定義文件格式保存；將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)采用均值取樣算法，獲得波形的顯示數(shù)據(jù)，將顯示數(shù)據(jù)保存到顯示緩存區(qū)，清空接收緩存區(qū)，進入下一個循環(huán)；訪問圖形處理設備，在界面上顯示波形。
9.如權(quán)利要求8所述的BCI動物實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的自定義文件格式為后綴為bcid的文件格式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種BCI動物實驗系統(tǒng)，包括PC機、腦神經(jīng)電刺激/采集器、腦刺激電極、運動訓練場地，腦刺激電極植入待訓動物腦內(nèi)，腦神經(jīng)電刺激/采集器置于待訓動物體上，腦神經(jīng)電刺激/采集器與PC機連接，根據(jù)訓練要求經(jīng)PC機發(fā)送刺激參數(shù)至腦神經(jīng)電刺激/采集器，腦神經(jīng)電刺激/采集器產(chǎn)生相應刺激波形，通過腦刺激電極作用于動物腦，使動物產(chǎn)生相應行為，同時腦神經(jīng)電刺激/采集器采集動物腦電波形，將其回傳給PC機，經(jīng)PC機顯示并存儲。本發(fā)明通過在動物腦內(nèi)植入電極，控制其個體行為，獲取動物的感覺，控制動物的行為，使動物在人類無法進入的地區(qū)有目的的完成尋找目標、定位等活動，大大降低在危險環(huán)境和戰(zhàn)場中人類所面臨的危險。
文檔編號G08C19/00GK101023737SQ20071006776
公開日2007年8月29日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日
發(fā)明者陳衛(wèi)東, 張韶岷, 金林, 王鵬 申請人:浙江大學