最新精编医学专题—脑机接口基础.ppt

近些年来脑－机接口BCI(brain-computerinteraction）技术的研究在国际上引起了广泛的兴趣并获得了快速的发展(fāzhǎn)。人类大脑能够产生多种信号包括电的、磁的、化学的以及大脑活动的机械反应等各种形式。这些信号可以通过相应的传感器进行检测从而使得BCI的实施成为可能。由于对磁和化学等信号的检测技术需要更高的要求目前BCI信号的获取主要基于技术相对简单、费用较为低廉脑电检测技术利用脑电EEG(electroencephalogram)来实现无动作的人机交互BCI技术的研究在肌肉瘫痪但具有良好认知的残疾人（例如：ALS、脊髓损伤、中风）康复、军事、人工智能、娱乐等方面都存在潜在的应用价值；它不仅为人与计算机等设备间提供了一种新型的交互方式而且为对人类自身的认识与研究提供了一种手段极大地推动着人们对于人脑思维能力的认识和利用其研究成果具有重大的理论意义、学术价值和广阔的应用前景。2.脑机接口系统基本组成图1.1为脑机接口的基本组成框图。除了人本身外BCI系统主要由放大电路、信号采集与预处理、特征提取、特征分类、外围设备、反馈系统等。BCI系统读取脑活动的电信号并将其转换(zhuǎnhuàn)成为数字形式供计算机识别、处理、甚至控制执行单元活动比如操纵电脑光标开关电视乃至控制机械假肢。2.1电极人的大脑发出的微弱电信号(xìnhào)必须通过电极来获取电极是实际上是一个换能装置它将在体内靠离子传导的电流转换成在电极和导线内靠电子传导的电流即离子电流转换成电子电流。这些信号(xìnhào)是含有大量的眼电、肌电的伪迹。电极一般使用电极帽固定例如在我们实验室使用的是BIOSEMI公司的一套设备。2.2脑电信号的导联对于引出电极与前置放大器的接法称之为脑电信号的导联。根据对活动电极与无关电极处置方法的不同可分为单极导联和双极导联。所谓单极导联就是将活动电极接至前置放大器的一个输入端无关电极接到前置放大器的另一个输入端。无关电极一般选两侧耳垂活动电极选择在头皮的一个电极。这种接法的优点是：能记录活动电极下脑电位变化的绝对值其波幅较高且稳定缺点是：无关电极不能保持零电位易混进其它生物干扰。双极导联则不使用无关电极只使用头皮上的两个活动电极。这样做的优点是：所记录波形为两个电极脑电变化的差值由于前置放大器对共模信号的抑制作用可以大大减少干扰可排除无关电极引起的误差缺点是两个活动电极在3cm以内时来自较大范围的脑电电位差被互相抵消而且值较低波形也不恒定。在实际中需要根据(gēnjù)不同的情况和要求连接成不同的方式使用多导记录多个波形对病情作出综合判断。2.3脑信号放大电路脑电信号是一种微弱的低频电信号在幅值上是微伏级幅值大概是10μV-200μV。在进行有效的处理、显示或记录之前首先必须把信号放大。下图为放大电路图：为什么使用三级放大电路呢？首先在ADC之前必须把幅值增大到可以满足ADC采集芯片的要求。另外放大电路采用三级放大形式的优点是：信号逐级放大不集中在某一级。但一般前级放大倍数不宜太大因为信号和噪声同时经过这一级如果放大倍数过大则噪声也被同样放大如果噪声幅度过大后级难以有效去除噪声。中间级是主要放大级进入这一级的信号已经经过处理噪声已得到有效滤除一般该级的放大倍数较大末级是对前面放大的补充。其放大倍数可根据后级电路作适当(shìdàng)调整。脑电信号的幅值范围为10μV-200μV由于信号太微弱比标准心电信号微弱的多共模干扰对脑电信号的检测将会造成更严重的影响因此脑电放大电路需要具有更高的共模抑制比一般应在120dB以上。且要求在前置级放大电路应具有更高的输入阻抗其值至少应大于10MΩ。2.4滤波(lǜbō)电路光电隔离器是把发光器件与光敏接受(jiēshòu)器件集成在一起或用一根光导纤维把两部分连接起来的器件。通常发光器件为发光二极管(LED)光接受(jiēshòu)器件为光敏晶体管等。加在发光器件上的电信号为耦合器的输入信号接受(jiēshòu)器件输出的信号为隔离器的输出信号。当有输入信号加在光电隔离器的输入端时发光器件发光光敏管受光照射产生光电流使输出端产生相应的电信号于是实现了光电的传输和转换。其主要特点是以光为媒介实现电信号的传输而且器件的输入和输出之间在电气上完全是绝缘的。结构如下图：2.5信号(xìnhào)的处理3.EEG信号的特征提取传统的脑电信号处特征提取方法是对信号进行多次检测并进行均值滤波再用统计学的