基于EEG-VR的便携式脑-机接口系统

目录

   

1. 引言        

1.1 编写目的        

1.2 背景        

1.3 定义        

1.4 脑-机接口的应用领域        

2. 系统概述        

2.1. 基于EEG-VR的便携式脑-机接口系统        

2.2. 湿电极脑电采集系统        

2.2.1. 64通道脑电采集系统        

2.2.2. 脑电采集软件        

2.2.3. 多参数同步器        

2.3. 干电极脑电采集系统        

2.3.1. 干电极脑电采集系统        

2.3.2. 脑电采集软件        

2.4. 虚拟现实系统（刺激源）        

2.5. 外控设备        

3. 同步方案设计        

3.1. 基于SSVEP的便携式脑-机接口系统的组成        

3.2. 同步方案设计        

3.3. 关键技术和解决途径        

3.4. 系统特点总结        

 

 

1. 引言

1.1       编写目的

本文档主要用于便携式脑-机接口系统的搭建和功能性说明，以便为后续的实验设计打下坚实的基础。

本文档的预期读者是与便携式脑-机接口系统开发有关的决策人，项目承担者，技术开发人员，辅助开发者，软件验证者。

1.2       背景

人体活动细胞或组织不论在静止状态还是活动状态，都会产生与生命状态密切相关的、有规律的电现象，称为生物电。通过高精度微弱生物电信号采集技术，可以采集到人体的各类电生理信号，包括脑电、肌电、心电等，并对得到的数据进行分析、存储。脑电是所有生物电信号中最为微弱，采集难度最高的信号。

脑-机接口系统是通过采集并分析脑电等生物电生理信号，得到人的主观意图，并将其转化为外部设备的控制信号，在人脑与外部设备之间建立直接的连接通路。脑-机接口系统平台包括脑电信号的采集与传输，信号在线分析，控制命令输出等功能。而便携脑-机接口系统将传统脑-机接口系统中的信号采集、信号分析、指令控制等各模块实现了便携化、可穿戴设计，让使用者能够在日常生活场景中也能够使用脑机接口系统，极大地拓展了脑机接口系统的应用场景。本方案将结合EEG-VR系统搭建便携式的脑-机接口系统，受试者可在移动状态下进行脑-机交互，使整个系统更接近实际应用场景。

1.3       定义

脑-机接口系统操控军事设备是近年来各国军方的热门研究课题之一。其精确控制需要几个方面的条件：系统功能和技术参数达到一定标准；体积小巧（最好可以实现便携式佩戴）；抗干扰能力强，以适应各类复杂特殊的实验环境；具备稳定高效的实时在线系统等。而该系统的关键是同步精度，如果同步精度无法达到要求，整个在线系统准确性将无法得到保证，其本应发挥的作用将不复存在。本系统的脑电信号与刺激信号的同步精度在1ms，以保证脑-机接口系统能够精确稳定的运转。

1.4       脑-机接口的应用领域

脑-机接口技术目前主要有以下应用：

1.  运动功能康复，如残疾人的运动功能补偿或功能性的辅助训练；

2.  环境控制，BCI系统经过检测分析相应的脑电信号，输出对目标的控制指令；

3.  辅助交流，如为渐冻症患者提供和外界交流的能力；

4.  军事应用，如无人机的控制飞行和无人驾驶汽车等。

2.   系统概述

本项目将脑电放大模块和SSVEP的刺激模块实现便携化，微型化，可以实现便携式的脑-机接口系统搭建，该系统可以实现受试者在移动过程中或者户外环境下进行人机交互。为此我们开发了一种新型的便携式脑电放大器，兼顾了设备采集信号的高质量和长时程，可以和VR设备很好的结合；同时还开发了一套专门用于VR实验的干电极脑电采集系统。同时为了满足自然场景下的控制需求，系统实现了基于VR的刺激界面，取代了原来实验室环境下所使用的LED灯和电脑显示器等刺激源，整套脑-机接口系统实现可穿戴效果。基于稳态视觉诱发脑电（SSVEP）和虚拟现实（AR）的脑-机接口控制策略，可以实现脑机接口系统完全的便携化。

2.1. 基于EEG-VR的便携式脑-机接口系统

本方案主要介绍两种EEG-VR系统，VR选用HTC VIVE系统，EEG放大器分别选用中国博睿康的NEUSEN W-64和DSI-VR300两种系统，两种系统的区别如下：1.NEUSEN W-64为64通道脑电采集系统，DSI-VR300为7通道脑电采集系统；2.NEUSEN W-64为湿电极脑电采集系统，DSI-VR300为干电极脑电采集系统；3.NEUSEN W-64 可以与其他系统同步使用，如近红外成像、TMS、tDCS、眼动追踪系统等，DSI-VR300为定制设备，专门与VR系统同步使用。

图 1 两种EEG-VR系统

2.2.  湿电极脑电采集系统

2.2.1.    64通道脑电采集系统

由于目前商用脑电设备普遍体积较大，并不适用于便携式脑-机接口系统实际操控场景的需要，因此我们通过直流耦合式模拟前端对脑电放大器进行了小型化设计，并减少了模拟滤波和放大环节，实现了脑电放大器的小型化。便携式脑电采集放大器及脑-机接口系统在运动状态下的表现出了良好的共放大、信噪比特性和稳定性，在抗运动干扰方面，与电路性能相对占优势的台式脑电采集设备相比，本项目研发的便携式脑电放大器更适合移动状态下的脑-机接口应用。

该脑电采集系统的参数如下：

 

图 2  64通道脑电采集系统

该放大器具有以下特点：

(1)  便携可穿戴系统设计：该放大器为便携式设备，采用64通道的无线同步数据采集，可实现自然环境下实现的自由移动；配置有九轴运动传感器，可去除被试在移动过程中信号的干扰。

(2)  高质量脑电信号采集：设备具有低输入噪声和高采样率，动态范围广，电磁屏蔽性好，可实现在复杂环境下的数据采集。

(3)  精准事件同步：可实现多设备间数据高精度同步，以及刺激设备和采集设备高精度同步。

2.2.2. 脑电采集软件

脑电采集软件可实现无线放大器采集的脑电信号以及多参数同步器采集的同步信号的显示、分析、存储、离线回放等功能。软件可以进行离线阻抗测量，以及在信号采集过程中的实时阻抗监测。电生理信号的时频分析以及一系列特征参数可以通过软件的趋势图分析功能进行实时观测与分析。相关数据可以通过数据接口进行实时传输，供其他软件进行数据整合与分析。

图 3 脑电采集软件界面

2.2.3. 多参数同步器

多参数同步器是无线数字脑电采集系统的重要组成部件，也可与其他外接设备配合使用。在本方案中，多参数同步器可以保证整套脑机接口系统的同步，同步精度为1ms。

图 4 多参数同步器

2.3. 干电极脑电采集系统

2.3.1. 干电极脑电采集系统

我们采用主动电极技术对放大器的电极进行了重新设计，同时采用双弹簧设计，有效缓冲了电极对头皮的压迫感，并可以补偿电极与头皮的相对位移。该设计实现了脑电放大器的小型化，电极外圈增加了法拉第笼，有效屏蔽电磁干扰和共模信号的干扰。干电极脑电采集放大器在静息状态和非屏蔽室环境下表现出了良好的共放大、信噪比特性和稳定性，在抗干扰方面，与电路性能相对占优势的台式脑电采集设备相比，本项目研发的干电极脑电放大器更适合在自然环境下使用。

该脑电采集系统的参数如下：

图 5 DSI-VR300同步系统

该放大器具有以下特点：

(1)  便携可穿戴系统设计：该放大器为便携式设备，采用7通道的无线同步数据采集，可实现自然环境下实现的自由移动；配置有三轴运动传感器，可去除被试在移动过程中信号的干扰。

(2)  高质量脑电信号采集：设备具有低输入噪声和高采样率，动态范围广，电磁屏蔽性好，可实现在复杂环境下的数据采集。

(3)  主动式干电极采集方式：受试者的头部无需涂抹导电膏，可快速采集到高质量的脑电信号。

(4)  专为VR设计，可应用于各种虚拟场景。

2.3.2. 脑电采集软件

脑电采集软件可实现无线放大器采集的脑电信号以及多参数同步器采集的同步信号的显示、分析、存储、离线回放等功能。软件可以进行离线阻抗测量，以及在信号采集过程中的实时阻抗监测。电生理信号的时频分析以及一系列特征参数可以通过软件的趋势图分析功能进行实时观测与分析。相关数据可以通过数据接口进行实时传输，供其他软件进行数据整合与分析。

图 6 干电极脑电采集软件

2.4.虚拟现实系统（刺激源）

本方案中，虚拟现实系统使用HTC VIVE系统。

图 7 HTC VIVE系统

2.5. 外控设备

外控设备包括无人机、机械臂、机器人等，用户可根据实验需求自由选择。

3.同步方案设计

同步脑-机接口是在线系统发出刺激信息后固定长度的时间窗口内分析脑电数据并输出控制指令，这就需要实现在线系统和脑电采集设备的同步。相比之下异步脑-机接口系统中受试者发送控制指令的时间是自主支配的，在线系统需要持续的监测受试者的意图，这更接近自然状态，不需要做在线系统与脑电采集设备的同步，更符合自然交互。常见的异步脑-机接口系统有基于运动想象（MI）的脑-机接口系统（如图8）和基于稳态视觉诱发电位（SSVEP）的脑-机接口系统（如图10）。下面主要介绍同步脑-机接口系统，以SSVEP和MI为例，介绍同步脑-机接口的同步策略。

 

图 8 基于运动想象的异步脑-机接口训练系统

3.1.基于SSVEP的便携式脑-机接口系统的组成

传统基于SSVEP的便携式脑-机接口系统框架如下：

图 9 脑-机接口系统示意图

刺激依赖型脑-机接口的局限在于应用场景受限于刺激源，若用屏幕做刺激源，则实验环境多局限于实验室环境，无法实现便携式脑-机接口。结合VR的脑-机接口系统框架如下：

 

图 10 结合虚拟现实（VR）的SSVEP脑-机接口系统

该系统主要用于实现稳态视觉诱发电位（SSVEP）范式的刺激界面扩展到便携式的VR设备中，把刺激源从台式电脑屏幕移植到可穿戴的VR设备，整个系统搭建的环境更加自然。

3.2.同步方案设计

结合EEG-VR的同步系统的一个重要应用就是临床康复领域的康复训练，主要以最近接自然交互形式的MI-BCI系统为主。如图11所示，受试者想象左手握拳或右手握拳，通过BCI在线系统得到结果，通过VR设备将输出结果反馈给受试者。

对于64通道湿电极脑电系统而言，可通过多参数同步器与电脑端同步。在刺激开始时刻VR设备的电脑端通过串口或并口向多参数同步器发出Trigger信号，多参数同步器与脑电放大器是无线同步的，由此可实现刺激与脑电信号的同步，同步精度<1ms；对于干电极脑电系统而言，在刺激开始时刻VR设备的电脑端可通过并口向干电极脑电放大器发出Trigger信号实现同步。

图 11 EEG-VR同步策略

3.3.关键技术和解决途径

脑电采集

生物电信号，尤其是脑电等微弱生物电信号，由于其幅值微弱，淹没在周围各类电磁干扰信号中，因此对信号采集前端的精度与抗噪声能力要求很高。同时系统需要在可佩带的体积内实现。

为满足高精度弱信号采集的要求，系统采用低增益放大结合完全数字滤波的无损宽频直流耦合技术。较传统方案相比，该技术能够实现对宽频带信号的高精度采集，与传统方案相比，电路体积能够减小85%以上。同时还开发了无线干电极脑电系统，受试者无需涂抹导电膏，可快速的获取高质量的脑电信号。

 

便携式的脑-机接口系统搭建

实现便携式的脑-机接口系统要求两点：一是系统的输出要快速准确；二是受试者可以脱离实验室环境，更自然的状态下实现人机交互。为此我们采用虚拟现实技术与脑电结合的方式，将刺激/反馈呈现设备和脑电采集设备都可以穿戴在受试者身上，与传统实验室环境下的脑-机接口范式相比，便携式的脑-机接口系统实现方式更加自然，更加适合脑-机接口的特点，同时系统的抗干扰能力、准确率和响应速度也有了很大提升。

3.4.系统特点总结

本项目所采用的便携式脑-机接口系统具有以下特点：

(1)   本项目研发的无线脑电放大器具有便携可穿戴的特点，同时具有高信号质量和电磁屏蔽性好的特点，可以在自然环境下使用并且信号不受环境影响；

(2)   本项目结合虚拟现实眼镜与无线脑电采集设备，搭建了便携式的脑-机接口系统，使操作者可以在以完全在自然环境下进行人机交互。