[发明专利]基于弹性阵列的脑机接口电极帽

说明书

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系统和肌肉组织，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系统分成两大类，即：使用自发脑电信号的BCI系统和使用诱发脑电信号的BCI系统。基于自发脑电的BCI系统是应用自发脑电作为系统的输入特征信号。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系统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系统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），这不利于系统的推广和应用。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系统的推广，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。