專利名稱：基于腦波信號(hào)處理系統(tǒng)定量評(píng)估精神狀態(tài)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本領(lǐng)域總的來(lái)說(shuō)涉及用于定量評(píng)估精神狀態(tài)的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
有許多檢測(cè)腦波并利用腦波作為控制信號(hào)以及診斷工具的可用方 法。然而，仍存在無(wú)噪音地測(cè)量腦波的許多障礙，尤其是在良好控制的 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境外面就尤其如此。 一般在環(huán)境和電磁噪音被嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn) 室中檢測(cè)和利用腦波，且針對(duì)其腦波被測(cè)量的病人或?qū)ο髞?lái)說(shuō)僅靜態(tài)條 件是病人或?qū)ο蟛粦?yīng)移動(dòng)。該理想設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室外不存在，從而使得這 些系統(tǒng)不能用來(lái)可靠地測(cè)量用戶的腦波。另外， 一般的傳感器布置需要 對(duì)頭部的特殊處理，因?yàn)榇蟛糠之?dāng)前使用的用來(lái)測(cè)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(shè)置在實(shí)驗(yàn)室外不存在，從而使得這些系統(tǒng)不能用來(lái)在非實(shí) 驗(yàn)室環(huán)境中可靠地測(cè)量用戶的腦波。另外，對(duì)頭部進(jìn)行特殊處理以使用 實(shí)驗(yàn)室電極在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中不現(xiàn)實(shí)。因而，期望提供一種克服典型的 腦波測(cè)量系統(tǒng)的這些限制的設(shè)備和方法，且為此目的作出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
所述設(shè)備可包括神經(jīng)耳機(jī)，該神經(jīng)耳機(jī)包括一個(gè)或多個(gè)干式有源電 極，該干式有源電極在沒(méi)有濕電極的情況下測(cè)量戴著耳機(jī)的用戶的腦 波。該設(shè)備可合并入如下系統(tǒng)中，該系統(tǒng)使用神經(jīng)耳機(jī)、另外的硬件和 軟件提供人/機(jī)接口。例如，示例性系統(tǒng)是用于如下更詳細(xì)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(cè)腦波，濾波掉噪音 并放大結(jié)果信號(hào)。軟件處理腦波信號(hào)，基于對(duì)腦波信號(hào)的分析顯示用戶 的精神狀態(tài)并生成可用來(lái)控制裝置如玩具的控制信號(hào)。


圖1A示出用于定量評(píng)估正被用來(lái)控制玩具的動(dòng)作的精神狀態(tài)的設(shè)備的例子；
圖1B示出圖1的設(shè)備中使用的干式有源電極的示例實(shí)施方式； 圖2A和2B示出作為圖1A所示的設(shè)備的一部分的神經(jīng)耳機(jī)； 圖3A和3B示出圖1A、 2A和2B示出的設(shè)備的進(jìn)一步細(xì)節(jié)； 圖4示出使用用于定量評(píng)估精神狀態(tài)且包括圖2A、 2B、 3A和3B
所示的神經(jīng)耳機(jī)、其它硬件和軟件的設(shè)備來(lái)控制玩具的系統(tǒng)的實(shí)施方
式；
圖5A和5B示出圖4所示的系統(tǒng)的硬件的更多細(xì)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(shí)施方式；
圖7示出圖4所示的硬件的功率調(diào)節(jié)部分的示例性電路實(shí)施方式；
圖8A示出干式有源電極的^t擬部分的更多細(xì)節(jié)；
圖8B示出干式有源電極的模擬部分的更多細(xì)節(jié)；
圖9示出圖5所示的模擬EEG信號(hào)處理部分的示例性電路實(shí)施方
式；
圖IOA是圖5所示的模擬EOG信號(hào)處理部分的框圖； 圖10B示出圖5所示的才莫擬EOG信號(hào)處理部分的示例性電路實(shí)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(guò)程的進(jìn)一步細(xì)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(shí)施例方式
該設(shè)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(shuō)明的目的描述該設(shè)備和方法。然而，應(yīng)理解 該設(shè)備和方法可用于除了控制玩具之外的應(yīng)用，且實(shí)際上可在期望定量 評(píng)估用戶的腦波并基于對(duì)腦波的定量評(píng)估提供人機(jī)接口和/或神經(jīng)反饋 的任何應(yīng)用中使用。例如，該設(shè)備和方法可用來(lái)控制計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)、游戲控制臺(tái)等。作為另一個(gè)例子，該設(shè)備和方法可被實(shí)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(shí)， 則該設(shè)備可檢測(cè)到該失去意識(shí)并執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)動(dòng)作如啟動(dòng)自動(dòng)駕駛
7系統(tǒng)并對(duì)飛行員提供緊急治療/警告(如氧氣或振動(dòng))，這可解救飛機(jī)以 及飛行員的生命。該設(shè)備可方法還可被實(shí)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(duì)病人具有用戶友好性的干式傳感器來(lái)監(jiān)視病
人的EEG，且可使用無(wú)線方法(如藍(lán)牙)或有線方法將腦波發(fā)送到可記 錄/顯示病人的EEG信號(hào)的遠(yuǎn)程裝置。作為另一例子，該設(shè)備和方法可 被實(shí)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(wù)期間失去意識(shí)或入睡就向戰(zhàn)士發(fā)送警 報(bào)信號(hào)(聲音警告、視覺(jué)警告或物理警告如擊打)。
作為另一個(gè)例子，該設(shè)備和方法可并入針對(duì)雇員的安全裝置中，因 為當(dāng)工人失去對(duì)任務(wù)的精神集中力時(shí)在工廠內(nèi)會(huì)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(shí)停止機(jī)器以防止事故并保護(hù) 雇工。
作為另一個(gè)例子，該設(shè)備和方法可合并入針對(duì)駕駛員的睡眠檢測(cè)器 中，其中檢測(cè)器是具有腦波監(jiān)視系統(tǒng)的頭帶類型、耳機(jī)類型或棒球帽類 型，該腦波監(jiān)視系統(tǒng)具有可檢測(cè)駕駛員的睡意或睡眠(基于腦波)并向 駕駛員提供警報(bào)信號(hào)或激勵(lì)以喚醒駕駛員的干式傳感器。
作為又一例子，該設(shè)備和方法可實(shí)現(xiàn)在具有頭帶類型、耳機(jī)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(jì)算裝置如PC、 PDA或移動(dòng)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(duì)該設(shè)備和方法的以上應(yīng)用例 子不是窮舉的。為了說(shuō)明該設(shè)備和方法，現(xiàn)在描述使用該設(shè)備和方法來(lái) 控制玩具的示例性系統(tǒng)。
圖1A示出了用于定量評(píng)估用來(lái)控制玩具的動(dòng)作的精神狀態(tài)的設(shè)備 的例子。該設(shè)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(jī) 50。該神經(jīng)耳機(jī)可包括各種硬件和軟件，在帶上通電的耳機(jī)時(shí)該硬件和 軟件其使得用戶能夠基于用戶的腦波無(wú)線地控制如玩具52的裝置。該 設(shè)備實(shí)際上可用來(lái)控制多個(gè)不同的玩具，如卡車、汽車、圖片或機(jī)器寵 物，只要該設(shè)備具有適當(dāng)?shù)男畔⒁陨舍槍?duì)特定玩具的必要控制信號(hào)即 可。耳機(jī)50可包括用來(lái)檢測(cè)用戶的腦波的一個(gè)或多個(gè)干式有源電極(傳 感器)。該一個(gè)或多個(gè)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(shè)備中使用的干式有源電極的機(jī)械部分的示例 性實(shí)施方式。該傳感器還可包括圖8更詳細(xì)地示出的電子部分，其中該 電子部分可與機(jī)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(dǎo)材料的基座55的彈性機(jī)構(gòu) 54(如薄金屬板)。該彈性機(jī)構(gòu)使得在傳感器靠著用戶的皮膚放置時(shí)能 夠通過(guò)彈性機(jī)構(gòu)〗吏電才及53偏置向用戶。該電極還可具有傳導(dǎo)元件56如 導(dǎo)線，該傳導(dǎo)元件56接收電極拾取的信號(hào)并將該信號(hào)發(fā)送到下述模擬 處理部分。彈性機(jī)構(gòu)54可具有孔區(qū)域57，孔區(qū)域57具有將傳導(dǎo)元件 56與彈性機(jī)構(gòu)54隔離的非傳導(dǎo)材料。在該設(shè)備的示例性實(shí)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(guó)專 利申請(qǐng)序列號(hào)No. 10/585,500中有更詳細(xì)的說(shuō)明，該專利申請(qǐng)主張2004 年6月29日提交的PCT/KR2004/001573的優(yōu)先權(quán)，PCT/KR2004/001573 又主張2004年1月8日提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No.lO-2004-0001127 的優(yōu)先權(quán)，這些專利申請(qǐng)被共同擁有并通過(guò)引用被包括在此。
該設(shè)備可包括執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)功能的一個(gè)或多個(gè)軟件(由耳機(jī)內(nèi)的
行):這些功能;包括信號(hào)處理步驟和一過(guò)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(guò)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(gè)精神狀態(tài)的水平可通過(guò)軟件 來(lái)確定且以從0到100的數(shù)字來(lái)表示，這可根據(jù)應(yīng)用而變化。除了圖l
所示的玩具控制應(yīng)用之外，該設(shè)備還可用于各種人機(jī)接口和神經(jīng)反饋。
圖2A和2B示出了作為圖1所示的設(shè)備的一部分的神經(jīng)耳機(jī)50, 其中圖2A是耳機(jī)的透視圖且圖2B是用戶戴耳機(jī)時(shí)耳機(jī)的透視圖。該耳 機(jī)可具有前部分60、第一側(cè)部分62和與第一側(cè)部分相對(duì)的第二側(cè)部分 64。當(dāng)如圖2B所示^皮用戶配戴時(shí)，前部分60靠著用戶的前額^使得前部 分中的一個(gè)或多個(gè)干式傳感器靠著用戶的前額。第一和第二側(cè)部分62、 64適配用戶的耳朵。該耳機(jī)可進(jìn)一步包括從第二側(cè)部分64延伸出的支 臂部分66。該支臂部分66可包括當(dāng)耳機(jī)激活時(shí)允許耳機(jī)測(cè)量或檢測(cè)用 戶的眼睛的運(yùn)動(dòng)的眼睛運(yùn)動(dòng)傳感器。
圖3A和3B示出了圖1、 2A和2B所示的設(shè)備的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，其 中圖3A是耳機(jī)的前視圖，且圖3B是耳機(jī)的側(cè)透視圖。該耳機(jī)可包括一 個(gè)或多個(gè)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(jī)的前部分上的眼電圖(EOG)上傳感器 72和生物信號(hào)處理^t塊74。有源干式傳感器7(^和702測(cè)量耳^L的用戶 的腦電圖(EEG)信號(hào)。EOG上傳感器檢測(cè)耳機(jī)的用戶何時(shí)在向上看。 EOG傳感器檢測(cè)來(lái)自眼睛周圍肌肉的EMG (肌電圖)信號(hào)。為了檢測(cè) 眼球的四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)需要四個(gè)EOG傳感器且每個(gè)EOG傳感器在眼球 移動(dòng)時(shí)檢測(cè)小肌肉的EMG信號(hào)。在圖2和圖3中，在右眼附近安裝三 個(gè)EOG傳感器且在左眼的左側(cè)安裝一個(gè)傳感器。眼睛上方的EOG傳感 器檢測(cè)向上的眼球移動(dòng)，而眼睛下方的傳感器檢測(cè)向下的眼球移動(dòng)。眼 睛右側(cè)的傳感器檢測(cè)眼球向右移動(dòng)時(shí)的EOG信號(hào)，眼睛左側(cè)的傳感器 檢測(cè)眼球向左移動(dòng)時(shí)的EOG信號(hào)。生物信號(hào)處理才莫塊74處理傳感器檢 測(cè)的EEG和EOG信號(hào)并生成一組控制信號(hào)。參考圖4更詳細(xì)地說(shuō)明生 物信號(hào)處理模塊74。
一般有兩種協(xié)議來(lái)檢測(cè)生物信號(hào)，單極(單極性)和雙極。在單極 協(xié)議中，參考電極布置在檢測(cè)不到生物信號(hào)的地方，而在耳垂或耳朵的 背面處沒(méi)有EEG信號(hào)。因而，對(duì)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(cè)到生物信號(hào)(EEG信號(hào))的地方(一般分離一英寸)。對(duì)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(shí)施 例中，使用單極協(xié)議，然而耳機(jī)還可使用兩個(gè)電極都附著在前額上的雙 極協(xié)議。
耳機(jī)還可包括分別4全測(cè)何時(shí)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(gè) EOG傳感器，確定了戴上耳機(jī)時(shí)眼睛運(yùn)動(dòng)的方向，可分析并使用該方向 來(lái)生成用作人/機(jī)接口等的控制信號(hào)。耳機(jī)50可進(jìn)一步包括在配戴耳機(jī) 時(shí)適配入用戶耳朵中的第一揚(yáng)聲器82和第二揚(yáng)聲器、84,以對(duì)用戶提 供音頻。耳機(jī)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(hào)的基線，且接地連接確保穩(wěn)定的信號(hào)并保護(hù)耳機(jī) 的用戶。因而，當(dāng)用戶戴上了耳機(jī)時(shí)，揚(yáng)聲器適配入用戶的耳朵中，且 檢測(cè)到來(lái)自用戶的EEG和EOG信號(hào)(與眨眼一起)，使得結(jié)合其它硬 件和軟件的耳機(jī)能夠定量評(píng)估用戶的精神狀態(tài)且然后生成可用作人/機(jī) 接口的一部分的控制信號(hào)(部分地基于用戶的精神狀態(tài))，如用來(lái)控制 如圖1所示的玩具的控制信號(hào)。圖4示出用于使用定量評(píng)估精神狀態(tài)的設(shè)備來(lái)控制玩具的系統(tǒng)的實(shí)
施方式，該設(shè)備包括圖2A、 2B、 3A和3B所示的神經(jīng)耳機(jī)、其它硬件 和軟件。特別地，圖4更詳細(xì)地示出了生物處理才莫塊74的實(shí)施方式， 其中該才莫塊可包括才莫擬部分100、功率供應(yīng)/調(diào)節(jié)部分102和數(shù)字部分 104。然而該設(shè)備和方法不限于圖4-9所示的特定硬件/軟件/固件實(shí)施方 式。該模塊的模擬部分100與傳感器接口且可包括來(lái)自傳感器的正、接 地和負(fù)輸入。在一些實(shí)施方式中，模擬部分的某部分可集成到作為耳機(jī) 的一部分的傳感器中。模擬部分可進(jìn)行各種模擬操作，如信號(hào)放大、信 號(hào)濾波(例如使得頻率范圍在0-35Hz的信號(hào)被輸出到數(shù)字部分)以及 陷波濾波并將信號(hào)輸出到數(shù)字部分104。在示例性實(shí)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(yīng)/調(diào)節(jié)部分102進(jìn)行各種功率調(diào)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(hào)(來(lái)自諸如電池的電源)。 在示例性實(shí)施例中，功率供應(yīng)可接收約12伏的功率并調(diào)節(jié)電壓。數(shù)字 部分104可包括將信號(hào)從模擬部分轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并處理這些數(shù)字信號(hào) 以檢測(cè)用戶的精神狀態(tài)并生成輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理部分106,以及發(fā) 送/傳送所生成的輸出信號(hào)到可由用戶的祐j企測(cè)的精神狀態(tài)控制、影響等 的諸如圖1所示的玩具的機(jī)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(zhì)，如例如USB發(fā)送器、IR發(fā)送器、RF發(fā)送器、藍(lán)牙 發(fā)送器且使用其它有線/無(wú)線方法作為系統(tǒng)和機(jī)器(計(jì)算機(jī))之間的接口 。 在示例性實(shí)施例中，數(shù)字部分的轉(zhuǎn)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(duì)信號(hào)的處理，生成控制信號(hào)，并使用一 系列步驟確定耳機(jī)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(shí)施方式。
岡SA 了閣4所S的泉統(tǒng)的碰件的更多細(xì)節(jié) 特別地，模擬部
分100進(jìn)一步包括EEG信號(hào)才莫擬處理部分IIO(其中該部分的電路實(shí)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(shí)施 方式如圖9B所示)。EOG處理部分可接收來(lái)自EOG輸出DC基線偏移 電路114的EOG輸出DC基線偏移信號(hào)。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(zhuǎn)換器以及使用從該數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)來(lái)調(diào)整用來(lái)調(diào)整
EOG信號(hào)的放大器的增益的放大器。
在示例性實(shí)施例中，使用第一移位寄存器、第一D/A轉(zhuǎn)換器和第一 放大器來(lái)偏移左右EOG信號(hào)，且使用第二移位寄存器、第二D/A轉(zhuǎn)換 器和第二放大器來(lái)偏移上下EOG信號(hào)。在示例性實(shí)施方式中功率調(diào)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(diào)節(jié) 部分的示例性電路實(shí)施方式如圖7所示。
數(shù)字部分104包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(未示出)和處理核106,在示例性 實(shí)施例中處理核106可以是對(duì)EEG和EOG信號(hào)進(jìn)行各種信號(hào)處理操作 的具有嵌入代碼/微代碼的數(shù)字信號(hào)處理器。在示例性實(shí)施例中，模數(shù)轉(zhuǎn) 換器(ADC)可以是具有用于每個(gè)EEG信號(hào)的分別的通道、用于組合 的左右EOG信號(hào)(具有偏移)的通道以及用于組合的上下信號(hào)(具有 偏移)的通道的六通道ADC。更詳細(xì)地，信號(hào)可由采樣率為128 Hz的 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)采樣，且然后以特殊設(shè)計(jì)的例程來(lái)處理數(shù)據(jù) 使得基于數(shù)據(jù)處理來(lái)確定用戶的精神狀態(tài)的類型及其水平。這些結(jié)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(gè)或多個(gè)輸出 信號(hào)。例如，輸出信號(hào)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(shí)施例中的無(wú)線RF調(diào)制解調(diào)器，該通信裝置122 將輸出信號(hào)(可以是控制信號(hào))傳送到玩具52。輸出信號(hào)還可控制聲音 和語(yǔ)音控制裝置124，聲音和語(yǔ)音控制裝置124可例如生成用以喚醒用 戶的語(yǔ)音消息，該語(yǔ)音消息然后通過(guò)耳機(jī)的揚(yáng)聲器被發(fā)送以向用戶提供 可聽(tīng)警報(bào)。
在圖5所示的示例性實(shí)施例中，通信裝置122是與玩具中的40MHz RF ASK調(diào)制解調(diào)器52a通信的40MHz RF幅移鍵控(ASK)調(diào)制解調(diào) 器。玩具還具有基于從耳機(jī)傳送的輸出信號(hào)允許玩具響應(yīng)于輸出信號(hào)執(zhí) 行動(dòng)作的微型控制器52b和激活電路52c,所述動(dòng)作諸如在某方向上移 動(dòng)玩具,，停」卜玩,具，改變玩,具的行講方向、發(fā)出聲音等。在該示例性實(shí) 施例中，具有耳機(jī)的設(shè)備替代典型的遠(yuǎn)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(xì)節(jié)。EEG和EOG 才莫擬處理單元110、 112在示例性實(shí)施例中可以是將來(lái)自耳機(jī)的才莫擬EEG 和EOG信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的六通道12位^t數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及向向用于EOG信號(hào)的運(yùn)算放大器提供反饋信號(hào)的四通道12位數(shù)才莫轉(zhuǎn)換器 (DAC)。核106可進(jìn)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(hào)且然后生成EOG控制信號(hào)，且還 生成被反饋回運(yùn)算放大器的EOG基線反饋信號(hào)。EOG基線反饋信號(hào)和 EOG控制信號(hào)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(hào)濾波(以下更詳細(xì)地說(shuō)明)、EEG信號(hào)的 EOG噪聲濾波(以下說(shuō)明)并執(zhí)行EEG信號(hào)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(hào)生成控制信號(hào)。
圖6示出圖4所示的硬件的數(shù)字部分的示例性電路實(shí)施方式。處理 核在示例性實(shí)施例中是作為基于AVR增強(qiáng)RISC構(gòu)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(jìn) 一 步 細(xì) 節(jié) 在 以 下 網(wǎng) 址 可 得 到 http:〃www.atmel.com/dyn/resources/prod—documents/doc2467.pdf, 通過(guò)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(lái)才支術(shù)裝置國(guó)際有卩艮7>司(Future Technology Devices International Ltd.) 可得到，且該芯片的進(jìn) 一 步細(xì)節(jié)在 http:〃www.ftdichip.com/Products/FT232BM.htm,通過(guò)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(diào)節(jié)部分的示例性電路實(shí)施方 式。具體地，示出了設(shè)備的模擬和數(shù)字功率部分。
圖8A示出了每個(gè)干式有源電極的模擬部分的更多細(xì)節(jié)，其中每個(gè) 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(gè)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(gè)運(yùn)算放大器形成)的參考電極和測(cè)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(hào)(功率 線信號(hào))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(shè)備的EEG傳感器生成的EEG信號(hào)的模擬處理的 圖5所示的硬件的^t擬EEG信號(hào)處理部分的示例性電路實(shí)施方式。如 圖所示，該電路使用一個(gè)或多個(gè)放大器以處理并放大設(shè)備的EEG信號(hào)。
圖10A是圖5所示的模擬EOG信號(hào)處理部分的框圖，且圖10B示 出了圖5所示的模擬EOG信號(hào)處理部分的示例性電路實(shí)施方式。如圖 10A所示， 一莫擬EOG信號(hào)處理部分通過(guò)DAC和放大器接收被給送到放
13大器中的參考電極信號(hào)和測(cè)量電極信號(hào)，放大器的增益/偏移由處理核
106生成的參考控制信號(hào)調(diào)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(hào))，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(hào)處理部分的示例性電 路實(shí)施方式，其中一個(gè)或多個(gè)運(yùn)算放大器執(zhí)行EOG信號(hào)的信號(hào)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(shè)置(132)開(kāi)始設(shè)備的軟件的操作。 一旦完成初始設(shè)置，就開(kāi)始了與 被控制的對(duì)象的通信會(huì)話(134)。 一旦開(kāi)始了通信，軟件就執(zhí)行電極 信號(hào)的信號(hào)處理和EEG和EOG信號(hào)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(guò)程的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，其中數(shù)據(jù)處理過(guò) 程包括多個(gè)例程，其中每個(gè)例程是可由處理單元執(zhí)行的多行計(jì)算機(jī)代碼 (在示例性實(shí)施例中以C或C十+語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn))，如由圖5所示的處理核 106執(zhí)行或在分離的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上執(zhí)行的嵌入代碼。該過(guò)程可包括 Windows接口例程140、用于圖形顯示EEG和FFT信號(hào)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(hào)的圖形顯示。通信例程144 管理設(shè)備和正使用該設(shè)備所控制的對(duì)象之間的通信且神經(jīng)算法例程處 理EEG和EOG信號(hào)以生成控制信號(hào)且生成如圖14所示的設(shè)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(cè)量就可置入如0-100的水平的水平標(biāo)度 中，如圖14所示。用戶的精神狀態(tài)(以及所測(cè)得的精神狀態(tài)的水平) 可用來(lái)生成控制信號(hào)以控制機(jī)器如計(jì)算機(jī)。對(duì)機(jī)器的控制可包括視頻 顯示器處的光標(biāo)或?qū)ο笠苿?dòng)(其中精神狀態(tài)的高水平使得光標(biāo)或?qū)ο笙?上或更快地移動(dòng)，反之亦然)，揚(yáng)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(duì)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)控制(其中精神狀態(tài)的高水 平使得機(jī)器移動(dòng)得更快，反之亦然)，在便攜式音頻系統(tǒng)中選擇音樂(lè)(歌 曲)，包括mp3 (其中存儲(chǔ)的音樂(lè)或歌曲中選擇的特定類型和拍子的音 樂(lè)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(lè))，可用于諸 如放松或注意力訓(xùn)練之類的精神訓(xùn)練或可用來(lái)測(cè)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(kāi)/關(guān)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(jī)器(計(jì)算機(jī))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(guò)濾EOG 信號(hào)(152 )?？墒褂靡阎腏ADE算法來(lái)過(guò)濾EOG信號(hào)以過(guò)濾噪聲。 然后，EEG和EOG信號(hào)被低通濾波(154)且然后信號(hào)被漢寧窗化 (Harming windowed) ( 156 )。生成濾波后的EEG數(shù)據(jù)信號(hào)且可對(duì)其 進(jìn)行圖形表示。然后，針對(duì)其功率頻譜分析濾波后的信號(hào)(158),濾 波后的信號(hào)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(duì)512數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行功率頻譜分析。使用功率頻譜 分析，提取針對(duì)德?tīng)査?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?tīng)査?、西塔、阿爾法和貝?波的功率頻譜數(shù)據(jù)計(jì)算精神狀態(tài)的水平。這些等式是基于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫(kù) 作出的。可針對(duì)不同的應(yīng)用和用戶水平修改和改變這些等式。精神狀態(tài) 可被表示為注意、放松或沉思、焦慮和睡意。通過(guò)包括德?tīng)査?、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(gè)精神狀態(tài)水平。 精神狀態(tài)的水平可由0-100的數(shù)字來(lái)表示，這可根據(jù)應(yīng)用來(lái)改變。精神 狀態(tài)水平的值每秒都更新。然后，設(shè)備可使用精神和情緒狀態(tài)來(lái)例如生 成控制信號(hào)或顯示用戶的精神狀態(tài)，如圖14所示。
如上所述該設(shè)備測(cè)量用戶的EEG (兩通道)和EOG信號(hào)(四通道) 以及眨眼。使用該設(shè)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?tīng)査?.1Hz 3 Hz深度、無(wú)夢(mèng)睡眠、非REM睡眠、 無(wú)意識(shí)
西塔4 Hz 7 Hz直覺(jué)、創(chuàng)造、回憶、幻想、想象、 創(chuàng)造、夢(mèng)幻、轉(zhuǎn)換想法、困倦
阿爾法8Hz 12Hz閉上眼睛、放;HK不激動(dòng)、不困 倦、平靜有意識(shí)
低貝塔12Hz 15Hz乂人前SMR,》文爭(zhēng)>且專心，集中
中間范圍貝塔16 Hz 20 Hz思考，意識(shí)到自身&周圍
高貝塔21 Hz 30Hz警覺(jué)，激動(dòng)
15在系統(tǒng)的示例性實(shí)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(gè)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(gè)EOG傳感器可以是鍍金無(wú)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(wú)線通信機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)換可以是12位且采樣頻率可以是128Hz。設(shè)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(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，都是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解在不脫離本發(fā)明的原則和精神的情況下可對(duì)實(shí)施例作出改變，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種用于確定用戶的精神狀態(tài)的設(shè)備，該設(shè)備包括框架；位于所述框架上的一個(gè)或多個(gè)干式有源傳感器，所述一個(gè)或多個(gè)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(shí)檢測(cè)用戶的腦波以及生成腦波信號(hào)；以及處理單元，其接收所述腦波信號(hào)，處理所述腦波信號(hào)并生成對(duì)應(yīng)于用戶的精神狀態(tài)的水平的信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述處理單元進(jìn)一步包括將所 述腦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成 一組數(shù)字腦波信號(hào)的模擬處理部分以及處理所述數(shù) 字腦波信號(hào)以生成所述對(duì)應(yīng)于用戶的精神狀態(tài)的水平的信號(hào)的數(shù)字處 理部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述模擬處理部分進(jìn)一步包括 ^t數(shù)轉(zhuǎn)換器，且其中所述數(shù)字處理部分進(jìn)一步包括處理核，存儲(chǔ)一個(gè) 或多個(gè)用于處理所述數(shù)字腦波信號(hào)的例程的存儲(chǔ)器以及輸出所述對(duì)應(yīng) 于用戶的精神狀態(tài)的水平的信號(hào)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(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述處理核基于所述對(duì)應(yīng)于用 戶的所述精神狀態(tài)的水平的信號(hào)生成控制信號(hào)，且其中所述輸出接口進(jìn) 一步包括將所述控制信號(hào)發(fā)送到基于所述控制信號(hào)被控制的遠(yuǎn)程對(duì)象 的數(shù)據(jù)發(fā)送單元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)一步包括以下 中的一個(gè)視頻顯示器，揚(yáng)聲器，機(jī)器，便攜式音頻裝置和計(jì)算機(jī)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述控制信號(hào)控制所述視頻顯 示器的光標(biāo)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述控制信號(hào)控制揚(yáng)聲器的音量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述控制信號(hào)控制機(jī)器的運(yùn)動(dòng)速度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述控制信號(hào)控制在便攜式音 頻裝置上選擇的音樂(lè)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述控制信號(hào)控制計(jì)算機(jī)提供給用戶的神經(jīng)反饋和生物反饋中的一個(gè)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述控制信號(hào)控制以下中的一 個(gè)計(jì)算機(jī)的開(kāi)/關(guān)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(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述一個(gè)或多個(gè)例程進(jìn)一步包 括用于基于所述數(shù)字腦波信號(hào)評(píng)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(jì)算機(jī)代碼。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括處理核和存儲(chǔ)用于處理 所述數(shù)字腦波信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)例程的存儲(chǔ)器，其中所述例程由所述處 理核執(zhí)行。
14. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，進(jìn)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(yīng)單元。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述框架具有前部分，附著 到所述前部分的第一側(cè)部分，與第一側(cè)部分相對(duì)的第二側(cè)部分，且其中 所述一個(gè)或多個(gè)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(cè)部分上。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中每個(gè)干式有源傳感器進(jìn)一步 包括與用戶接口的機(jī)械部分和具有放大器電路和輸出濾波腦波信號(hào)的 濾波電路的電子部分。
17. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述數(shù)據(jù)發(fā)送單元進(jìn)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(lán)牙發(fā)送 單元，無(wú)線發(fā)送單元或有線發(fā)送單元。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中所述一個(gè)或多個(gè)干式有源傳 感器在單極協(xié)議中。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述框架具有前部分，附著 到所述前部分的第一側(cè)部分，與所述第一側(cè)部分相對(duì)的第二側(cè)部分，且 其中所述一個(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)干式有源傳感器在所述傳感器接觸用戶的皮月夫部分時(shí);險(xiǎn)測(cè)用戶的一組腦波信號(hào)；以及 在處理單元處接收所述一組腦波信號(hào)；以及在所述處理單元中處理所述腦波信號(hào)以生成對(duì)應(yīng)于用戶的精神狀 態(tài)的水平的信號(hào)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中處理所述腦波信號(hào)進(jìn)一步包 括使用模擬處理部分將所述腦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成一組數(shù)字腦波信號(hào)，以及使 用數(shù)字處理部分處理所述數(shù)字腦波信號(hào)以生成所述對(duì)應(yīng)于用戶的精神 狀態(tài)的水平的信號(hào)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括基于所述對(duì)應(yīng)于用 戶的精神狀態(tài)的水平的信號(hào)在所述處理單元中生成控制信號(hào)，使用數(shù)據(jù) 發(fā)送單元將所述控制信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)程對(duì)象且基于所述控制信號(hào)控制所 述遠(yuǎn)程對(duì)象。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號(hào)控制所述 遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)一步包括基于所述控制信號(hào)控制視頻顯示器的光標(biāo)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號(hào)控制所述 遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)一步包括基于所述控制信號(hào)控制揚(yáng)聲器的音量。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號(hào)控制所述 遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)一步包括基于所述控制信號(hào)控制機(jī)器的運(yùn)動(dòng)速度。
26. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號(hào)控制所述 遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)一步包括基于所述控制信號(hào)選擇便攜式音頻裝置上的音樂(lè)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號(hào)控制所述遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)一步包括基于所述控制信號(hào)生成神經(jīng)反饋和生物反饋中的 一個(gè)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中基于所述控制信號(hào)控制所述 遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)一步包括以下中的一個(gè)選擇開(kāi)/關(guān)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(quán)利要求22所述的方法，其中向遠(yuǎn)程對(duì)象發(fā)送所述控制信 號(hào)進(jìn)一步包括以下中的一個(gè)使用通用串行總線發(fā)送單元發(fā)送所述控制 信號(hào)，使用紅外發(fā)送單元發(fā)送所述控制信號(hào)，使用射頻發(fā)送單元發(fā)送所 述控制信號(hào)，使用藍(lán)牙發(fā)送單元發(fā)送所述控制信號(hào)，使用無(wú)線發(fā)送單元 發(fā)送所述控制信號(hào)以及使用有線發(fā)送單元發(fā)送所述控制信號(hào)。
30. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中檢測(cè)一組腦波信號(hào)進(jìn)一步包 括使用單極協(xié)議中的一個(gè)或多個(gè)干式有源傳感器在所述傳感器接觸用 戶的皮膚部分時(shí)檢測(cè)用戶的一組腦波信號(hào)。
31.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中檢測(cè)一組腦波信號(hào)進(jìn)一步包 括使用雙極協(xié)議中的一個(gè)或多個(gè)干式有源傳感器在所述傳感器接觸用 戶的皮膚部分時(shí)檢測(cè)用戶的一組腦波信號(hào)。
全文摘要
提供一種無(wú)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(píng)估精神狀態(tài)。精神狀態(tài)的定量數(shù)據(jù)及其水平可應(yīng)用到腦機(jī)接口的各種領(lǐng)域，包括消費(fèi)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(hào)A61B5/04GK101677774SQ200780052261
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月22日
發(fā)明者K·H·李, S·楊 申請(qǐng)人:紐羅斯凱公司