CN102323857B

CN102323857B - 基于弹性阵列的脑机接口电极帽

Info

Publication number: CN102323857B
Application number: CN 201110252104
Authority: CN
Inventors: 胡德文; 周宗潭; 岳敬伟; 孟宪鹏; 印二威; 姜俊
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: CN102323857A

Abstract

本发明公开了一种基于弹性阵列的脑机接口电极帽，包括柔性的电极帽体，所述电极帽体内设有多个输入端子，所述输入端子装设有弹性阵列电极。该基于弹性阵列的脑机接口电极帽具有佩戴舒适、使用快捷方便、信噪比高、通用性强、稳定性好的优点。

Description

基于弹性阵列的脑机接口电极帽

技术领域

本发明涉及可应用于脑机接口技术研究实验的、即插即用的脑电信号采集装置，尤其涉及基于弹性阵列的脑机接口电极帽。

背景技术

脑机接口技术（Brain-Computer Interface，BCI）是利用脑电信号实现人脑与外界交流和控制的一种新的有效的信息传达和通讯方式。它通过检测并判别脑电信号中对应不同大脑活动所体现出来的时空模式来识别人的意图。脑机接口技术的研究初衷是服务于运动神经疾病患者，它不需要人的肢体活动或语言表达的参与，是无动作、非接触的。其基本原理是：人脑在进行不同思维活动或受到不同的外部刺激（如视觉、听觉或触觉）时，其神经活动会在脑电信号中体现出不同的对应模式，通过实时采集并提取出这些模式，就可以判断出患者目前进行什么样的意识活动或受到什么样的刺激。由于这种通信手段不依赖于外周神经***和肌肉组织，所以它能帮助那些由于意外事故、生病等原因丧失了全部或者部分交流能力的病人实现与外界进行交流及环境控制。目前， BCI技术在助残、康复工程及辅助控制、娱乐等领域有着广泛的应用前景，受到国内外研究学者的广泛关注。

第一次BCI国际会议根据输入信号的性质把BCI***分成两大类，即：使用自发脑电信号的BCI***和使用诱发脑电信号的BCI***。基于自发脑电的BCI***是应用自发脑电作为***的输入特征信号。其特点是，被试经过训练之后能够自主地控制脑电变化，从而直接控制外部环境，但通常需要对受试者进行大量的训练，容易受其身体状况、情绪、病情等各种因素的影响。诱发脑电信号的BCI***使用外在刺激诱发大脑皮层相应部位的电活动产生变化，并以其作为特征信号。外部诱发BCI***不需要对被试进行过多的训练，但需要特定的环境（如排成矩阵的闪烁视觉刺激输入），这不利于***的推广和应用。根据输入信号的性质不同、实验范式的设计不同，电极位置的设置也有所不同，这对信号采集装置的灵活性提出了较高的要求。

根据信号检测的方式不同，也可以把BCI分为侵入式和非侵入式两种基本形式。侵入式信号检测方法使电极直接和大脑皮层接触或进入大脑皮层，测量的信号噪声小、损失低，但由于涉及外科手术，操作复杂，需要具有专业技术的操作人员，而且容易感染，对被试的伤害较大。非侵入式信号检测方法，操作简单，安全，有利于BCI***的推广，但电极距离信号源较远，噪声较大。目前，在脑机接口技术研究中一般使用与头皮接触的、无损伤的非侵入式信号检测方法。如何提高采集信号的信噪比及减少实验准备时间，研制出精确、高效、符合人机工程学原理，能够连续长期使用的脑电信号采集装置一直是脑机接口技术研究中的瓶颈问题之一。

电极帽是目前非侵入式脑电采集的必配设备，用于脑机接口技术研究等相关领域，因此得到广大神经科学、认知科学及心理学等领域专家的关注，具有很大应用价值。电极帽一般由电极和固定电极的帽体组成，电极一般有32导和64导两种，电极的安放一般采用国际通用的10/20分法布置。目前，市场上存在着很多厂家生产的电极帽，其样式各有不同，功能也有所差异，主要可以分为两种：一种是采用湿电极的电极帽。这类电极帽的电极不能直接接触头皮，通常采用湿媒介(通常是用糊状的导电膏)来实现电极与头皮采集点之间的低阻抗接触。湿电极电极帽在准备良好的情况下能达到很好的实验效果，所采集脑电数据的信噪比较高，但缺点是每次实验的准备过程复杂，由于需要特殊的导电膏来降低电极和头皮之间的阻抗，不仅导致实验成本很高，使得实验效果要依赖于操作者的经验和技术，被试每次做实验前后都必须洗头，并涂抹导电膏，整个实验的准备过程一般都需要几十分钟到一、二个小时，花费时间较多，会对被试造成较大的心理压力和不舒适的感觉，使得实验持续时间受到较大的限制。另外，导电膏具有渗透流动性，有可能会造成信号漂移以及相邻电极之间的信号串扰，损害实验数据的真实可靠性；随着采集时间变长，导电膏也可能会变干，使得信号质量变差。另一种可用于脑机接口实验的电极帽是采用干电极的电极帽。这类电极帽的最大优点就是无需导电膏等类型的湿媒介，实验准备时间短，几乎是即戴即用式，但是这种电极只有在皮肤裸露的情况下达到较好的效果，对于脑机接口应用来说，关键的数据采集点头皮处都有头发覆盖，由于头发层的影响，电极与头皮不能充分接触，甚至完全无法接触，导致数据信噪比较低或完全无法使用。另外，干电极的电极帽基本上都是针对特定实验、特定被试设计，不具备通用性，且制造成本较高。如何综合以上两种电极帽的优点，减少准备过程同时达到很好的脑电信号采集效果，是一个非常有意义的技术探索方向。

总体来说，虽然脑机接口领域的研究已经取得了很多有望达到实用程度的的理论和实验成果，但是目前的脑电信号采集设备的设计局限性，特别是其前端的电极和电极帽的人机工程学设计的不足，已经严重影响了脑机接口技术真正向实用阶段的发展，所以电极帽等脑机接口用关键设备的研制对脑机接口的推广和应用有着重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、使用快捷方便、信噪比高、通用性强、稳定性好的基于弹性阵列的脑机接口电极帽。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于弹性阵列的脑机接口电极帽，包括电极帽体，所述电极帽体内设有多个输入端子，所述输入端子装设有弹性阵列电极。

所述弹性阵列电极包括电极外壳、压块、挡板和预压紧弹簧，所述压块和挡板装设于所述电极外壳内，所述预压紧弹簧装设于所述压块和挡板之间，所述挡板下端设有穿透电极外壳的、呈梳状阵列布置的多个触针。

所述电极外壳呈圆筒状，所述电极外壳一端设有与触针一一对应的触针插孔，电极外壳另一端设有限位孔；所述压块呈阶梯圆柱台状，所述压块的上端为小径圆柱，所述小径圆柱滑套于所述限位孔中，所述压块的下端为大径圆柱，所述大径圆柱下端与所述预压紧弹簧上端接触；所述挡板上端与所述预压紧弹簧下端接触，挡板下端设有用于固定触针的安装孔；所述触针一端与安装孔固定连接，另一端穿设于所述触针插孔中。

所述压块上设有贯穿所述小径圆柱和大径圆柱的穿线孔，预压紧弹簧和穿线孔中穿设有一导联线，导联线一端经挡板与触针连接，另一端与所述输入端子连接。

所述预压紧弹簧为螺旋弹簧。

所述触针下端为光滑的球头状。

所述电极帽体为弹性帽体。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的基于弹性阵列的脑机接口电极帽，在电极帽体内的输入端子装设有弹性阵列电极，脑电信号以无损伤方式采集，对被试身体没有伤害，解决了电极与头皮充分接触的效果与准备方便性之间两难取舍问题，克服了现有采用湿电极或干电极的电极帽各自的缺点，便于实验的展开及其研究成果的推广。

2、本发明的弹性阵列电极设有呈梳状阵列布置的多个触针，这种冗余结构的设计可以使触针在轻易的穿透被试头发的同时与头皮形成充分、良好的多点接触，研究人员在实验操作时无需拨开被试头发，而总会有部分触针能够直接接触头皮，有效避免了电极与头皮接触不良的状况，提高了实验的可靠性，将本发明应用于头发多而长的女性被试时，这一效果更为明显；由于电极的触针能与头皮形成稳定良好的接触，从而省去了涂导电膏这一传统脑机接口实验不可缺少的实验准备环节，这不但使本发明的电极帽具备即插即用的功能，还大大节省了实验成本，而且被试不需要在实验前后清洗头发，实验的准备时间大大缩短，实验效率提高；通过预压紧弹簧可进一步调节电极与头皮的接触效果与对头皮造成压力之间的平衡，并提高被试佩戴时的舒适感。

3、在压块上设有贯穿小径圆柱和大径圆柱的穿线孔，预压紧弹簧和穿线孔中穿设有一导联线，导联线一端经挡板与触针连接，另一端与输入端子连接，线路布置方便、合理，实现了电极、线路、输入端子的一体化结构，使电极帽操作简单快捷，大大减轻研究人员的劳动量，节约时间提高效率。

4、预压紧弹簧采用螺旋弹簧设计，可以使触针根据头部形状自动偏转角度，以使电极能够与头皮充分接触，这种弹性设计适用各种头型的被试，通用性好，尤其针对某些头部形状特殊的被试，效果更为明显。

5、触针下端为光滑的球头状，可避免触针刺破被试头皮，防止其对被试造成伤害。有关实验证明，足够密集的球头触针接触不会造成被试的头皮针刺感，相反，由于这种阵列接触方式有利于散热透气，故被试的感觉比通常的粘贴式电极(如常见的Ag/AgCl电极)和导电膏接触方式更为舒适，适合于长期固定使用。

6、电极帽体为弹性帽体，实验人员可以根据被试不同头部形状，自行校准电极安放位置，一旦电极安放位置确定，呈梳状阵列布置的多个触针可以使电极很好的固定在头皮上，电极帽与被试头部紧密结合，确保电极不移位，不脱离头皮，使电极的定位更加准确。

7、本发明的基于弹性阵列的脑机接口电极帽，结构简单、操作方便、固定可靠、造价低、经久耐用，并且可灵活安放电极，针对不同的特定问题设置脑电信号采集通道，适用于各种脑机接口技术的研究实验和更好地实现医学临床器械和***。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明弹性阵列电极的结构示意图。

图中各标号表示：

1、电极帽体；2、弹性阵列电极；21、电极外壳；22、压块；23、挡板；24、预压紧弹簧；25、触针；211、触针插孔；212、限位孔；221、小径圆柱；222、大径圆柱；223、穿线孔；231、安装孔；251、导联线。

具体实施方式

图1和图2示出了本发明的一种基于弹性阵列的脑机接口电极帽实施例，该脑机接口电极帽包括电极帽体1，电极帽体1内设有多个输入端子，输入端子装设有弹性阵列电极2，脑电信号以无损伤方式采集，对被试身体没有伤害，便于实验的展开及其研究成果的临床应用；可灵活安放电极，针对不同的特定问题设置脑电信号采集通道，适用于各种脑机接口技术研究实验；并且，本发明的基于弹性阵列的脑机接口电极帽，佩戴舒适、操作方便、稳定可靠、准备时间短，适合长期实验和临床应用。

本实施例中，弹性阵列电极2包括电极外壳21、压块22、挡板23和预压紧弹簧24，压块22和挡板23装设于电极外壳21内，预压紧弹簧24装设于压块22和挡板23之间，挡板23下端设有穿透电极外壳21的、呈梳状阵列布置的多个触针25，这种冗余结构的设计可以使触针25在轻易的穿透被试头发的同时与头皮形成充分、良好的接触，研究人员在实验操作时无需拨开被试头发，且有效避免了电极与头皮接触不良的状况，提高了实验的可靠性，将本发明应用于头发多而长的女性被试时，这一效果更为明显；由于触针25能与头皮形成充分、良好的接触，从而省去了涂导电膏这一操作环节，这使本发明的电极帽具备即插即用的功能，同时节省了实验成本，节省了被试要在实验前后清洗头发的环节，实验的准备时间大大缩短，实验效率提高；通过预压紧弹簧24可进一步提高触针25与头皮的接触效果，并提高被试佩戴时的舒适感。本实施例中，电极外壳21呈圆筒状，电极外壳21一端设有与触针25一一对应的触针插孔211，电极外壳21另一端设有限位孔212，该圆筒状的电极外壳21由一盖体和一筒体构成，盖体盖设于筒体顶部，触针插孔211设于筒体底部，限位孔212设于盖体上；压块22呈阶梯圆柱台状，压块22的上端为小径圆柱221，该小径圆柱221滑套于限位孔212中，并可以在限位孔212中上下滑动，压块22的下端为大径圆柱222，大径圆柱222下端与预压紧弹簧24上端接触，大径圆柱222直径略小于电极外壳21内径，主要起横向定位和压力辅助调节作用；挡板23上端与预压紧弹簧24下端接触，当预压紧弹簧24自然伸长时，使挡板23与电极外壳21的筒体底部接触、大径圆柱222与电极外壳21的盖体接触；挡板23下端设有用于固定触针25的安装孔231，触针25一端与安装孔231固定连接，为了能够有效减小电阻，挡板23和触针25均选用氯化银制作，触针25另一端穿设于触针插孔211中，触针25下端为光滑的球头状，可避免触针25刺破被试头皮，防止其对被试造成伤害；预压紧弹簧24采用螺旋弹簧，触针插孔211的直径略大于触针25的直径，为触针25提供了一定的摆动空间，使触针25可以在预压紧弹簧24的作用下根据头部形状自动偏转角度，以使电极能够与头皮充分接触，这种弹性设计适用各种头型的被试，通用性好，尤其针对某些头部形状特殊的被试，效果更为明显。

本实施例中，压块22上设有贯穿小径圆柱221和大径圆柱222的穿线孔223，预压紧弹簧24和穿线孔223中穿设有一导联线251，导联线251一端经挡板23与触针25连接，另一端与输入端子连接，线路布置方便、合理，实现了电极、线路、输入端子一体化结构，使电极帽操作简单快捷，大大减轻研究人员的劳动量，节约时间提高效率，本实施例的电极帽体1为弹性帽体，实验人员可以根据不同被试的头部形状，自行校准电极安放位置，一旦电极安放位置确定，呈梳状阵列布置的多个触针25可以使电极很好的固定在头皮上，电极帽与被试头部紧密结合，确保电极不移位，不脱离头皮，使电极的定位更加准确。本实施例的电极帽体1的电极布置方式为国际通用的10/20分法，如图1所示，电极帽体1中黑色端口是采用32导电极模式做实验时的1-32通道的输入端子；白色端口是采用64导电极模式做实验时的33-64通道的输入端子。

在其它实施例中，还可省去本实施例中的挡板23，并将触针25直接固定于大径圆柱222下端，同时将预压紧弹簧24抵设于电极外壳21的盖体与大径圆柱222之间。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种基于弹性阵列的脑机接口电极帽，包括电极帽体（1），所述电极帽体（1）内设有多个输入端子，其特征在于：所述输入端子装设有弹性阵列电极（2）；所述弹性阵列电极（2）包括电极外壳（21）、压块（22）、挡板（23）和预压紧弹簧（24），所述压块（22）和挡板（23）装设于所述电极外壳（21）内，所述预压紧弹簧（24）装设于所述压块（22）和挡板（23）之间，所述挡板（23）下端设有穿透电极外壳（21）的、呈梳状阵列布置的多个触针（25）；所述电极外壳（21）呈圆筒状，所述电极外壳（21）一端设有与触针（25）一一对应的触针插孔（211），电极外壳（21）另一端设有限位孔（212）；所述压块（22）呈阶梯圆柱台状，所述压块（22）的上端为小径圆柱（221），所述小径圆柱（221）滑套于所述限位孔（212）中，所述压块（22）的下端为大径圆柱（222），所述大径圆柱（222）下端与所述预压紧弹簧（24）上端接触；所述挡板（23）上端与所述预压紧弹簧（24）下端接触，挡板（23）下端设有用于固定触针（25）的安装孔（231）；所述触针（25）一端与安装孔（231）固定连接，另一端穿设于所述触针插孔（211）中。

2.根据权利要求1所述的基于弹性阵列的脑机接口电极帽，其特征在于：所述压块（22）上设有贯穿所述小径圆柱（221）和大径圆柱（222）的穿线孔（223），所述预压紧弹簧（24）和穿线孔（223）中穿设有一导联线（251），所述导联线（251）一端经挡板（23）与触针（25）连接，另一端与所述输入端子连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于弹性阵列的脑机接口电极帽，其特征在于：所述预压紧弹簧（24）为螺旋弹簧。

4.根据权利要求1或2所述的基于弹性阵列的脑机接口电极帽，其特征在于：所述触针（25）下端为光滑的球头状。

5.根据权利要求3所述的基于弹性阵列的脑机接口电极帽，其特征在于：所述触针（25）下端为光滑的球头状。

6.根据权利要求1或2所述的基于弹性阵列的脑机接口电极帽，其特征在于：所述电极帽体（1）为弹性帽体。

7.根据权利要求5所述的基于弹性阵列的脑机接口电极帽，其特征在于：所述电极帽体（1）为弹性帽体。