一種基于腦機接口技術(shù)的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及腦機接口的應(yīng)用研宄領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于腦機接口技術(shù)的裝 置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 腦機接口（Brain-ComputerInterface，BCI)是在人腦和計算機或其他電子設(shè)備 之間建立一種不依賴于常規(guī)大腦輸出通道（外周神經(jīng)和肌肉組織）的直接信息交流和控制 通道，是一種全新的人-機交互系統(tǒng)。腦機接口作為一種全新的信息交換技術(shù)，能夠為人們 提供一種與外界進行交流的新途徑。
[0003] 對于存在有語言障礙尤其是同時嚴重癱瘓的病人來說，難以通過語言或者肢體語 言向外界表達自己的情感。在中國，語言殘疾居視力殘疾、肢體殘疾、智力殘疾等五大殘疾 之首，為2057萬人，占人口總數(shù)的1.67%，其中7歲以下兒童約為80萬人。該群體與外界 的交流途徑依然局限于手語、手寫、打字等途徑，無法方便、順暢地與他人溝通。因此，迫切 需要一種幫助存在語言障礙的人們與外界方便地進行溝通交流的裝置與方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種基于腦機接口技術(shù)的裝置，包括：
[0005] 腦電采集單元，配置為采集被試者的腦電信號；
[0006] 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，配置為將所述腦電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
[0007] 信號處理與控制單元，配置為根據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換的腦電信號以及所述被試者的情感參數(shù) 范圍生成指令；以及
[0008]語音播放單元，配置為根據(jù)所述指令播放語音。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例，所述裝置還包括連接在所述腦電采集單元和模數(shù)轉(zhuǎn) 換單元之間的預(yù)處理電路，配置為預(yù)處理所述腦電信號。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例，所述預(yù)處理電路包括：濾波電路，配置為對所述腦電 信號進行濾波；以及放大電路，配置為對經(jīng)濾波的腦電信號進行放大。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例，所述濾波電路包括高通濾波電路、陷波電路和低通 濾波電路；所述放大電路包括前置放大電路和后置放大電路。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例，所述預(yù)處理電路包括：電平調(diào)整電路，配置為調(diào)整經(jīng) 放大的腦電信號的電壓。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例，所述信號處理與控制單元進一步配置為：
[0014] 利用不同的嵌入維數(shù)，對所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的腦電信號進行時延擴展，以獲得對應(yīng)于每 個嵌入維數(shù)的、由多個狀態(tài)向量構(gòu)成的相空間；
[0015] 對于對應(yīng)于每個嵌入維數(shù)的相空間：
[0016]計算任意兩個狀態(tài)向量之間的距離，
[0017] 將所有距離值劃分到等長度差的多個區(qū)段，并統(tǒng)計每個區(qū)段中包含的距離值的數(shù) 目，
[0018] 根據(jù)每個區(qū)段包含的距離值的數(shù)目和所有距離值的數(shù)目統(tǒng)計每個區(qū)段的概率，并 且利用所述概率計算對應(yīng)于該嵌入維數(shù)的信息熵；以及
[0019] 構(gòu)建所有信息熵的一元線性回歸方程，并根據(jù)所述一元線性回歸方程的斜率以及 所述被試者的情感參數(shù)范圍生成所述指令。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明另一方面，還提供了一種基于腦機接口技術(shù)的方法，包括：
[0021] 采集被試者的腦電信號；
[0022] 將所述腦電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
[0023] 根據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換的腦電信號以及所述被試者的情感參數(shù)范圍生成指令；
[0024] 根據(jù)所述指令播放語音。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例，所述方法還包括：在采集所述腦電信號后，預(yù)處理所 述腦電信號。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例，所述預(yù)處理包括濾波、放大以及調(diào)整經(jīng)放大的腦電 信號的電壓。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例，所述生成指令的步驟進一步包括：
[0028] 利用不同的嵌入維數(shù)，對所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的腦電信號進行時延擴展，以獲得對應(yīng)于每 個嵌入維數(shù)的、由多個狀態(tài)向量構(gòu)成的相空間；
[0029] 對于對應(yīng)于每個嵌入維數(shù)的相空間：
[0030] 計算任意兩個狀態(tài)向量之間的距離，
[0031] 將所有距離值劃分到等長度差的多個區(qū)段，并統(tǒng)計每個區(qū)段中包含的距離值的數(shù) 目，
[0032] 根據(jù)每個區(qū)段包含的距離值的數(shù)目和所有距離值的數(shù)目統(tǒng)計每個區(qū)段的概率，并 且利用所述概率計算對應(yīng)于該嵌入維數(shù)的信息熵；以及
[0033] 構(gòu)建所有信息熵的一元線性回歸方程，并根據(jù)所述一元線性回歸方程的斜率以及 所述被試者的情感參數(shù)范圍生成所述指令。
[0034] 本發(fā)明有效利用腦機接口技術(shù)，為被試者提供一種全新、直觀的交流方式，有助于 提高被試者的生活質(zhì)量。尤其是有效幫助了存在語言障礙但頭腦功能正常的被試者，具有 積極的社會意義。
[0035] 在
【發(fā)明內(nèi)容】
中引入了一系列簡化形式的概念，這將在【具體實施方式】部分中進一步 詳細說明。本
【發(fā)明內(nèi)容】
部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術(shù)方案的關(guān)鍵特征和 必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術(shù)方案的保護范圍。
[0036] 以下結(jié)合附圖，詳細說明本發(fā)明的優(yōu)點和特征。
【附圖說明】
[0037] 本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā) 明的實施方式及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，
[0038] 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例的基于腦機接口技術(shù)的裝置的框圖；
[0039] 圖2a、圖2b和圖2c分別示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的被試者不同情感的信息 摘的示意圖；
[0040] 圖3是根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例的預(yù)處理電路的示意圖；以及
[0041]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例的情感參數(shù)范圍確定過程示意圖。
【具體實施方式】
[0042] 在下文的描述中，提供了大量的細節(jié)以便能夠徹底地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以了解，如下描述僅涉及本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明可以無需一個或多個這樣 的細節(jié)而得以實施。此外，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未 進行描述。
[0043] 人是感情動物，會有各種心情，例如興奮、平和和生氣等。腦電 (Electroencephalography，EEG)是腦細胞群體放電產(chǎn)生的宏觀現(xiàn)象。當人情緒波動的時 候，大腦會產(chǎn)生特定的腦電信號。例如，對于從額葉采集到的腦電信號，當人心情不同時，能 夠呈現(xiàn)出明顯不同。本發(fā)明利用上述自然規(guī)律，提供了一種基于腦機接口技術(shù)的裝置。通 過腦機接口實時采集被試者的腦電信號，分析其情緒狀態(tài)并翻譯成語音，從而方便被試者 表達自己的情感。
[0044]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個具體實施例的基于腦機接口技術(shù)的裝置的示意性框圖。如 圖1所示，該裝置包括腦電采集單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、信號處理與控制單元和語音播放單 元。這些部件可以順次連接。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，該連接可以是物理連接或邏 輯連接，可以是有線連接或無線連接。
[0045] 腦電采集單元配置為采集被試者的腦電信號。
[0046] 人類大腦的腦電波到目前為止分為四種：S波、0波、a波和0波。S波：深度 睡眠腦波狀態(tài)（范圍0.5-3HZ)。當人們的大腦頻率處于S波時，為深度睡眠、無意識狀態(tài)。 人的睡眠品質(zhì)好壞與S波有非常直接的關(guān)系。S波睡眠是一種很深沉的睡眠狀態(tài)，如果 在輾轉(zhuǎn)難眠時自己召喚出近似S波狀態(tài)，就能很快地擺脫失眠而進入深沉睡眠。0波：深 度放松、無壓力的潛意識狀態(tài)（范圍4-8HZ)。當人們的大腦頻率處于0波時，人的意識中 斷，身體深沉放松，對于外界的信息呈現(xiàn)高度的受暗示狀態(tài)，即被催眠狀態(tài)。0波對于觸發(fā) 深沉記憶、強化長期記憶等幫助極大，所以0波被稱為〃通往記憶與學(xué)習(xí)的閘門〃。a波： 學(xué)習(xí)與思考的最佳腦波狀態(tài)（范圍8-13HZ)。當人們的大腦頻率處于a波時，人的意識清 醒，但身體卻是放松的，它提供意識與潛意識的"橋梁"。在這種狀態(tài)下，身心能量耗費最少， 相對的腦部獲得的能量較高，運作就會更加快速、順暢、敏銳。a波被認為是人們學(xué)習(xí)與思 考的最佳腦波狀態(tài)。0波：緊張、壓力、腦疲勞時的腦波狀態(tài)（范圍14HZ-30HZ)。人們清醒 時，大部分時間大腦頻率處于0波狀態(tài)。隨著0波的增加，身體逐漸呈緊張狀態(tài)，因而削 減了體內(nèi)免疫系統(tǒng)能力，此時人的能量消耗加劇，容易疲倦，若不充分休息，容易堆積壓力 (這是現(xiàn)代人的通?。?。適當?shù)?波對注意力提升以及認知行為的發(fā)展有積極作用。優(yōu)選 地，腦電采集單元配置為將被試者的腦電信號中的0波實時采集出來。由于腦電信號的頻 率最高在100HZ左右，根據(jù)采樣定理，實驗中可以將采樣頻率選定為500HZ-1000HZ。
[0047] 腦電采集單元可以包括各種電極。在裝置使用時，將電極安放在被試者頭部的合 適位置，例如，與頭皮緊密接觸，以準確采集被試者的腦電信號。優(yōu)選地，腦電采集單元包括 非侵入式干電極。電極可以是兩個。采集腦電信號時，可以將一個電極安放在前額，另一個 通過夾子固定在耳垂。非侵入式干電極采用微針技術(shù)、超高輸入阻抗放大器以及光電傳感 技術(shù)。相對于傳統(tǒng)腦電采集電極，非侵入式干電極擺脫了對導(dǎo)電介質(zhì)的依賴性，使用方便、 便攜、靈敏度高、不易受環(huán)境制約，從而保證所采集腦電信號準確性。
[0048] 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元配置為將所采集的腦電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。初始的腦電信號是模擬 信號。為了便于信號處理與控制，將所采集的腦電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元可以 用現(xiàn)有芯片，例如：型號為AD7705的芯片。該芯片的轉(zhuǎn)換精度可達1/65536,有利地保證了