基于SSVEP脑电电位的无线BCI输入系统

摘要

一种基于SSVEP脑电电位的无线BCI输入系统，包括SSVEP键盘和脑电头带。本发明所述的SSVEP键盘用于诱发使用者SSVEP脑电电位，包含按照特定频率闪烁的按键，标示键值的蒙板可以更换；所述的脑电头带包含脑电采集模块、脑电信号分析模块、蓝牙通信模块，分别用于采集使用者脑电信号、识别SSVEP电位从而判别使用者的输入意图、将键值通过蓝牙发送给与之配对的移动智能设备。所述的脑电头带为便携的穿戴式设备，配合SSVEP键盘可以实现对移动智能设备的无线控制。提供了一种人脑与移动智能设备之间可直接交互的途径，能够辅助虽丧失行动能力但思维健全的病人行动，也为健全人提供了一种解放双手的便捷控制工具。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用人类头皮脑电实现对移动智能设备进行控制的BCI (Brain Computer Interface，脑机接口)系统，属于人机交互技术领域。

背景技术

BCI是一种人脑与计算机或其他电子设备之间的信息传输通道。该技术不依 赖于常规的脊髓外周神经肌肉系统，为人脑提供了一种直接与外部环境交换信 息的途径。BCI技术是一个多学科交叉、综合的研究方向，涉及生物、信息、生 命科学、计算机、医学等多个学科分支，是当前国际上的研究热点之一。

目前常用的BCI系统可以分为植入式采集(有创)和非植入式采集(无创) 两大类。非植入式的头皮脑电(Electroencephalograph，EEG)由于其具有无创、 安全、易用的特点，是目前BCI研究中常用的一种形式，也是BCI实用化研究 的首选。

奥地利Graz科技大学的BCI小组在相关研究中一直处于领先的地位：他们 基于自主设计的名为Graz的BCI系统进行了英文输入、计算机游戏等应用开发， 还结合功能性电刺激来帮助瘫痪病人恢复手臂功能，因此该小组是BCI技术实 用化的先驱。美国的Wadworth Center在BCI研究中也一直处于领先地位，他们 研究的BCI系统可以让用户通过对μ节律的自主控制实现鼠标的2维移动。目 前，基于他们的BCI系统，高度瘫痪的病人可以自行完成英文拼写、收发电子 邮件、简单语音交流等日常操作。

SSVEP(Steady-State Visual Evoked Potentials，稳态视觉诱发电位)是目前 BCI系统中稳定性较高的一种，其生理基础是人眼注视某特定频率的周期性闪烁 时，会在大脑皮层视觉区诱发一个连续的与刺激频率相关(刺激频率的基频或 其倍频)的响应。利用非侵入性的电极即可在大脑枕叶区的头皮脑电中检测到 此响应。该类型的脑机接口系统具有非侵入性、准确率高、不需训练等优点。

目前BCI系统的设计大多基于多导联脑电采集设备和分析脑电信号的上位 机，造价昂贵、携带困难、电极帽佩戴繁琐、不便于日常应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便于佩戴使用的便携式的脑电输入设备，并且 可利用蓝牙技术实现对移动智能终端的控制。本发明可以应用于医疗康复领域， 辅助残疾人行动；也可应用于日常生活和生产中，为某些不便于手动操作的工 作提供一种新的控制手段。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为基于SSVEP脑电电位的无线 BCI输入系统，该系统通过蓝牙与移动智能设备配对连接，使用者仅需要注视按 键即可实现对移动智能设备的无线控制。

一种基于SSVEP脑电电位的无线BCI输入系统，该系统包括SSVEP键盘、 脑电头箍；其中，SSVEP键盘用于呈现输入字符并诱发使用者特定脑电电位； 脑电头箍用于采集头皮脑电、提取SSVEP电位、分析处理脑电信号、识别使用 者期望的键值、将键值通过蓝牙发送给移动智能设备。

所述SSVEP键盘包括闪烁光发生器、外壳、蒙板；其中，闪烁光发生器用 于产生特定频率光刺激；外壳用于隔离光源；蒙板用于标示键值；

闪烁光发生器通过NE555芯片配合定值电容电阻，产生特定频率的方波， 驱动LED发光，不同LED光源之间使用不透明塑料隔离，标有键值的半透明蒙 板覆盖于闪烁光发生器的LED光源之上，该蒙板与键盘整体形成抽屉式结构， 便于更换。

所述脑电头箍包括脑电采集模块、脑电分析模块、通信模块及头带；脑电采 集模块用于采集使用者头皮脑电信号并将其进行放大、滤波和AD转换；脑电 分析模块用于从脑电信号中提取SSVEP电位并进行分类识别；通信模块用于将 脑电分析模块识别出的键值发送给计算机或手持智能设备。脑电采集模块、脑 电分析模块及通信模块均固定在头带之上。

脑电信号采集模块包括：电极、放大滤波电路、AD转换电路。电极包括枕 叶电极、额叶电极和耳夹电极；放大滤波电路包括两级差分放大器和带通滤波 器(通带频率为5-40Hz)；AD转换模块采样率为512Hz。上述枕叶电极与额叶 电极分别接入差分放大器两输入端，耳夹电极接地。

脑电分析模块由单片机和分析算法组成，分析算法固化在单片机之中，对 脑电信号进行处理分析，包括数据分段、去除直流成分、消除基线漂移、时频 转换、特征提取、空闲检测、模式分类。

通信模块包括蓝牙模块和天线，通过蓝牙通讯协议将脑电分析模块识别出 的键值发送给配对的移动智能设备。

附图说明

图1为本发明整体示意图，其中1为SSVEP键盘，2为脑电头带，3为使 用者，4为移动智能设备；

图2为本发明SSVEP键盘的结构示意图，其中11为外壳，12为蒙版，13 为LED光源，111为按键；

图3为本发明脑电头带的结构示意图，其中21为额叶电极，22为枕叶电极， 23为头带，24为塑料外壳，25为耳夹电极；

图4为本发明脑电头箍各模块连接示意图；

图5为本发明脑电信号分析模块分析算法流程图；

图6为本发明按键序号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，使用时需将脑电头带2佩戴于使用者3的头部，将SSVEP键盘 1置于使用者3前方，脑电头带2与移动智能设备4通过蓝牙连接。使用者3注 视SSVEP键盘1上的按键即可将对应键值输至移动智能设备4。

参见图2，SSVEP键盘1底部的LED光源13按照预设频率闪烁，蒙板12 为半透明材质，过滤一部分光线避免强光引起使用者眼疲劳，外壳11顶部的按 键窗为透明材质，其余部分均为不透明材质。

参见图3，额叶电极21、枕叶电极22固定在脑电头带2内侧，脑电采集模 块、脑电分析模块、通信模块均封装在塑料外壳24中。使用时调节头带23使 额叶电极21紧贴使用者3的额叶处皮肤，使枕叶电极紧贴使用者3枕叶处皮肤， 将耳夹电极25夹于使用者3的左耳耳垂。

参见图4，电极采集到的脑电信号经由放大电路放大后送入带通滤波器进行 滤波，滤波后的信号由AD转换电路进行AD转换；得到的数字信号交由脑电分 析模块进行分析，单片机调用分析算法并得到返回键值；键值由通信模块发送 给移动智能设备。

上述分析算法参见图5，包括数据分段、去除直流成分、消除基线漂移、时 频转换、特征提取、空闲检测、模式分类。脑电信号按照时间点进行分段，每 512个采样点(1秒时间)为一段，对每一段信号进行一次判定。将判定结果转 换为对应键值。

对于一些特殊的用户，可以对本发明中按键与键值的映射关系进行自定义设 置。通过硬件开关可将脑电头带置于自定义模式，在此模式下脑电头带可接收 配对的蓝牙设备发来的命令，并对键值映射进行修改，具体实施如下：

将系统置于自定义模式后，蓝牙模块待机等待连接，此时使用智能手机或 平板电脑与系统配对连接。在此模式下，通过蓝牙串口协议向系统发送指令即 可完成设置。串口指令格式为：“set##<按键序号>#<自定义键值>#”。其中，按 键序号参照图6，自定义键值可以为字符串也可以为AT(Attention)指令。例 如，定义2号按键的键值为“Beijing”，须发送“set##2#Beijing#”。同时，将键盘 中间标有键值的蒙板抽出并重新标示键值，即完成对按键的键值自定义设置。