CN117991906A - 一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于脑‑机接口的微型振动刺激发生器，所述刺激发生器包括上位机、刺激部、控制电路和振动马达；所述控制电路分别连接刺激部和振动马达；所述控制电路包括无线通信模块、驱动控制模块、压力采集模块和电源管理模块；其中：所述无线通信模块用于接收上位机的指令；所述驱动控制模块用于解析上位机指令、进行逻辑控制和输出驱动信号控制振动马达工作；所述压力采集模块用于采集振动马达的振动压力信息并实时显示；所述电源管理模块用于向控制电路上述各模块输出具有正负电压的电信号；本发明可以提供特定频率和强度的振动刺激信号有效保证向脑‑机接口系统稳定工作。

Description

一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器

技术领域

本发明属于脑-机接口系统外部信息辅助设备，尤其涉及一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器。

背景技术：

脑机接口(Brain-Computer I nterface，BCI)技术是在大脑与外部设备间建立直接连接通路，将采集到的脑信号解码并转换成为控制指令，控制外部设备实现特定功能和任务的新型人机交互技术。它能够帮助神经系统功能障碍患者实现与外部环境的交流与表达，在助残、康复工程、智慧医疗等领域具有非常广阔的应用前景。

BCI技术分为自发式BCI技术和诱发式BCI技术。其中,诱发式BCI技术直接以外界刺激诱发大脑产生信号，操控任务简单，易于实现多目标控制指令的输出，系统的通信效率相对更高，是当前阶段首选的BCI技术。

由于诱发式BCI依赖人体的感觉神经通路将外界刺激传导到大脑，针对特定的人群采用对应的刺激方式诱发大脑产生信号尤为重要。在诱发式BCI系统中，基于稳态体感诱发电位(Steady-State Somatosensory Evoked Potent ia l,SSSEP)的SSSEP-BCI只通过躯体感觉通路诱发大脑产生信号，而不需占用额外的视觉或听觉神经通路，有助于视觉或听觉神经通路受损的残疾人群实现与外部环境的交互。

SSSEP-BCI的实现原理是：通过使用者选择性注意来自身体不同部位的特定频率的体感刺激，引发大脑皮层神经电活动的模式变化。每个身体部位的体感刺激分别对应一个可执行的控制命令，例如：开始/停止移动轮椅，向左/右转动轮椅，紧急呼救等。

体感刺激发生器一般包括输入模块、主控模块、驱动模块和输出模块，输入模块通常与计算机进行通信，接收计算机的指令；主控模块通常是单片机，它用于解析输入模块接收的指令，对驱动模块进行控制；驱动模块一般为脉冲整流电路、升压电路或者其他能够产生合适的驱动信号的电路；输出模块一般为电极、振动马达、振动音圈或者其他能够以电流、振动等形式向人体输出刺激的介质或物体。

稳态体感刺激发生器是一种用于SSSEP-BCI的体感刺激发生器，它根据上位机的刺激编码指令，在使用者身体的不同部位产生特定频率的体感刺激，通过使用者的选择性注意对大脑信号进行编码。

目前在SSSEP-BCI的研究中，一般采用体感电刺激发生器，体感电刺激发生器根据上位机的指令对手指或正中神经施加按一定模式呈现的电刺激，电刺激被皮肤感受到后，经躯体感觉神经通路传导至大脑皮质感觉区，对大脑皮质感觉区的脑信号进行编码。

在《基于稳态体感诱发电位的脑电特征识别及脑网络研究》中设计的一款便携式电刺激器硬件结构，其包括输入模块、定时模块、升压模块、脉冲发生模块和输出模块。为满足便携式要求，系统选取了轻便耐用的脉冲发生器。同时，系统设计定时模块对刺激输出的时间模式进行控制，以防止长时间的电刺激使组织感到疲劳。系统还在脉冲发生模块中引入了液晶显示器，可以对电刺激脉冲的占空比和刺激频率进行调节。电刺激器可以输出频率为1～100Hz，占空比为0％～100％可调的电刺激。方案一中的便携式电刺激器广泛用于稳态体感诱发电位的研究中，但是由于其以脉冲电流的形式输出刺激，一方面容易让使用者产生肌肉疲劳，影响SSSEP-BCI系统的使用效果。另一方面，电刺激可能造成电极周围组织的热损伤，对使用者造成一定的创伤，降低实际应用的用户可接受度。

由于系统中没有设计相应的隔离电路和安全保护电路，例如若人为失误导致定时模块参数设置错误，则系统可能会长时间输出电刺激，给使用者的身体造成不可逆的损伤。

在《稳态体感诱发电位的提取与分析》中设计的电流刺激器包括主控系统、信号隔离电路、刺激发生电路、安全冗余电路和直流高压电源。主控系统采用包含高性能模-数转换器和数-模转换器的单片机产生控制信号和幅度信号。设计信号隔离电路对控制刺激电路的脉冲电路信号、阻抗检测信号进行隔离。刺激发生电路采用V型槽MOS场效应管，并采用深度电流负反馈提高电流控制的精度。此外，系统中设计了一种单稳态安全冗余电路，在一定的刺激时间后关断刺激脉冲。

在使用时，通过计算机对主控单片机编程产生相应波形，控制刺激发生电路输出电刺激。系统可输出时间为0.2～1ms，频率为1～100Hz，强度为0～100mA的电刺激，且电刺激的精度能达到0.1mA。

在使用时，通过计算机对主控单片机编程产生相应波形，控制刺激发生电路输出电刺激。系统可输出时间为0.2～1ms，频率为1～100Hz，强度为0～100mA的电刺激，且电刺激的精度能达到0.1mA。

技术二中的电流刺激器为保证精度和使用者的安全，在系统中采用了隔离高压电源，同时设计了信号隔离电路和安全冗余电路，体积较大，结构复杂，降低了系统的便携度，只能应用于实验室内。此外，这种电流刺激器很容易产生刺激伪迹，在使用时通常要经过长时间繁琐的准备来消除刺激伪迹。

专利CN 1748810A公开的《一种基于振动的体感诱发电位刺激系统》，由单片微计算机、脉冲整型电路、功率放大驱动电路、状态显示器、体感刺激发生器和辅助固定装置等组成。

在使用时，由单片微计算机产生特定频率、占空比可调的脉冲驱动信号，使体感刺激发生器输出体感刺激。其通过对振动波形进行特征包络，产生类似于触觉、振动觉或痛觉的体感刺激信号。

技术三中的方案目的是产生类似于触觉、振动觉和痛觉的体感刺激信号，无法精确、稳定地产生特定频率和强度的振动刺激，因此不能用于SSSEP-BCI。而且系统只能输出一路体感刺激信号，可扩展性较差。

发明内容

针对现有技术存在技术问题，本发明一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器，该发生器可以解决现有技术存在的问题包括：

1)对于体感电刺激发生器以脉冲电流的形式刺激肌肉或皮肤，容易造成使用者的肌肉疲劳，长时间的电流刺激甚至可能造成电极周围组织的热损伤，不仅影响实验效果，还会降低用户的接受度；

2)对于便携式体感电刺激发生器，由于缺少保护电路和信号隔离电路的设计，安全性较低；

3)对于具有安全保护电路和信号隔离电路的体感电刺激发生器，结构复杂，便携度低，而且成本高昂，只能用于实验室；

4)对于基于振动的体感诱发电位刺激系统，其无法精确、稳定地输出特定频率和强度的振动刺激，不能用于SSSEP-BCI；而且系统输出的刺激数量和形式单一，无法满足SSSEP-BCI对于指令集的扩展需求。

为了解决现有技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器，所述刺激发生器包括上位机、刺激部、控制电路和振动马达；

所述上位机为PC或带有无线通信接口的移动终端。

所述刺激部为刺激发生器的外部封装和固定装置。

进一步地，所述刺激部上设置有夹紧件或连接带，与用户的身体部位进行固定。

所述控制电路分别连接上位机、刺激部和振动马达；所述控制电路采用4层PCB设计，所述PCB的总宽度在1.0cm～2.0cm；

进一步地，所述控制电路包括无线通信模块、驱动控制模块、压力采集模块和电源管理模块；其中：

所述无线通信模块用于接收上位机的指令；

进一步地，所述无线通信模块为低功耗BLE或WI FI芯片及其外围电路；

所述驱动控制模块用于解析上位机指令、进行逻辑控制和输出驱动信号控制振动马达工作；

进一步地，所述驱动控制模块包括主控单元和驱动单元；所述驱动控制模块驱动振动马达输出特定频率和强度振动刺激的过程为：

所述主控单元开启定时器和定时器中断，并初始化定时器计数周期值和中断阈值；

所述定时器开始计数，并根据计数周期值和中断阈值分别对使能信号的周期和高低电平时间进行控制，输出PWM形式的使能信号；

所述驱动单元根据PWM形式的使能信号进而输出经PWM调制的振动刺激信号。

所述压力采集模块用于采集振动马达的振动压力信息并实时显示；

进一步地，所述压力采集模块包括压力传感器、电压转换单元和压力实时显示器；其中：所述压力传感器与振动马达表面接触，用于将振动马达的振动压力转换为电压值；

所述电压转换单元与压力传感器连接，用于采集压力传感器的提供的电压，将其转换为压力数据，提供给压力实时显示器；所述压力实时显示器与电压转换单元连接，用于采集电压转换单元提供的压力数据，将压力数据实时显示。

所述电源管理模块用于向控制电路上述各模块输出具有正负电压的电信号。

所述振动马达根据驱动控制模块输出的驱动信号产生相应频率和强度的振动刺激。

有益效果

1、本发明采用了输出特定频率和强度的振动刺激信息号的振动刺激的方式，诱发用户的感知，安全性较高。而且能够提高用户的使用舒适度，不易引发用户的肌肉疲劳，避免对用户造成创伤，可长时间使用。

2、本发明控制电路采用了保护电路和信号隔离电路的冗余，使刺激器的功能更集中，结构更简单；同时采用无线通信的方式接收计算机发送的指令，以及微型化设计，便携度更高，灵活性更好，便于佩戴。

3、本发明的振动刺激采用PWM调制的方法，能够输出特定频率和强度的振动刺激；同时，在驱动单元中引入闭环反馈设计，能够对驱动信号进行检测，并实时调整驱动参数，保证振动刺激的精确度和稳定性。

附图说明

图1为本发明一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器硬件连接示意图；

图2为本发明一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器使用及固定方式示意图；

图3为本发明一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器中驱动信号调制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-3对本发明做出如下说明：

如图1～图2所示，本发明提供一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器，用于向用户输出一定频率和强度的振动刺激；用户：获取视觉或听觉提示，根据自己的操作意图，选择性注意受刺激手指中的某根手指；脑电采集和处理设备：用于采集用户的脑电信号，对脑电信号解码，向外部可操控设备发送相应的操作命令；外部可操控设备：用于执行由脑电采集和处理设备下发的操作命令，可以是机械臂、无人机等。其中：

所述刺激发生器包括上位机、刺激部、控制电路和振动马达。

所述上位机为PC或带有无线通信接口的移动终端。

所述刺激部为刺激发生器的外部封装和固定装置。所述刺激部可设置夹紧件或连接带与用户的身体部位进行固定。

所述控制电路分别连接刺激部和振动马达；所述控制电路采用4层PCB设计，使电路板的宽度在1.0～2.0cm以内，具有低功耗、微型化和便携的特点；所述控制电路包括无线通信模块、驱动控制模块、压力采集模块和电源管理模块；

无线通信模块：以无线的方式接收上位机发送的指令，将指令发送至驱动控制模块；本发明的无线通信模块用于以无线的方式接收上位机发送的启动/停止和参数调节指令，发送至驱动控制模块。

所述无线通信模块为具有BLE通信功能或WLAN通信功能的芯片及其外围电路，用于接收上位机下发的开始/停止和参数调节指令，将指令传送给驱动控制模块，所述无线通信模块优选具有BLE通信功能的低功耗芯片及其电路。

驱动控制模块：根据通信模块接收的指令输出相应频率和占空比的驱动信号；驱动控制模块为主控单元和驱动单元两部分：其中主控单元对通信模块接收的上位机指令进行解析，并根据解析的指令控制驱动单元输出驱动信号；驱动单元驱动振动马达产生振动刺激。

所述驱动控制模块由主控单元和驱动单元组成，用于解析无线通信模块转发的上位机指令，给振动马达提供驱动信号。

所述主控单元为一款MCU及其电路，用于解析上位机指令，对驱动单元的参数进行配置，并产生控制信号。所述主控单元优选STM32F103C8T6。

所述驱动单元为一款驱动芯片，用于给振动马达提供驱动信号。所述驱动芯片采用反馈式设计，能够自动检测输出的驱动信号，优化驱动参数。所述驱动芯片优选DRV2605L。

其中，所述驱动控制模块驱动振动马达输出特定频率和强度振动刺激的过程为：由驱动控制模块的主控单元输出一定频率和占空比的使能信号，对驱动单元输出的驱动信号进行PWM调制，进而对振动马达的振动进行调制，通过调节使能信号的频率和占空比，实现对刺激频率和刺激强度的调节。

压力采集模块设计为压力传感器、电压转换单元和压力实时显示器：其中压力传感器用于检测振动马达与刺激部位之间的压力，将压力转换为电压；电压转换单元负责采集压力传感器输出的电压，将电压值转换为振动马达与刺激部位之间的真实压力值；压力实时显示器用于压力值的实时显示。

所述压力采集模块包括压力传感器、电压转换单元和压力实时显示器，用于采集振动马达的振动压力信息，将压力值实时显示在显示器上。所述压力传感器与振动马达表面接触，用于将振动马达的振动压力转换为电压值。所述压力传感器优选薄膜压力传感器。所述电压转换单元与压力传感器连接，用于采集压力传感器的提供的电压，将其转换为具体的压力数据，提供给压力实时显示器。所述压力实时显示器与电压转换单元连接，用于采集电压转换单元提供的压力数据，将压力数据实时显示。所述压力实时显示器优选LED显示器。

电源管理模块：电源管理模块用于为无线通信模块、驱动控制模块和压力采集模块提供匹配的电源。

所述电源管理模块由锂电池、电压转换器及其外围电路组成，为系统供电。所述锂电池为可充电电池，优选纽扣可充电电池。所述电压转换器与锂电池连接，将锂电池的电压转换成正负两个电压，为无线通信模块、驱动控制模块和压力采集模块供电。所属电压转换器优选BQ25895。

振动马达：根据驱动控制模块输出的驱动信号产生相应频率和强度的振动刺激。

所述振动马达与驱动控制模块连接，用于输出特定频率和强度的振动刺激。所述振动马达优选压电陶瓷马达。

关于实现刺激频率和强度可调节的详细设计方法，如下文所述。

为使主控单元向驱动单元输出一定频率的使能信号，在主控单元开启定时器，对使能信号的输出进行计时。当定时器对使能信号高电平的计时值满足条件时，程序进入定时器中断，中断过程中执行使能信号拉低操作。使能信号维持一个高电平和低电平的时间即为一个周期，一个周期结束后，计数值清零，定时器重新开始计数，如此循环反复。

如上图3所示。主控单元输出一定频率和占空比的使能信号，对驱动单元向振动马达输出的驱动信号进行PWM调制。

振动马达在驱动单元正常输出驱动信号的情况下，以谐振频率振动。而在上述受到PWM调制的驱动信号的驱动下，振动马达输出以自身谐振频率为基频，由PWM信号调制的振动刺激。PWM调制的频率即为振动刺激的频率。

因此，当驱动单元的使能周期发生改变时，振动马达输出的振动刺激频率也随之改变。同时，若改变使能周期内使能时间长度，振动马达输出的振动刺激的强度也会改变。

在此基础上，调节定时器的计数周期值便能实现振动刺激频率的调节，振动刺激强度的调节则可通过调节定时器对使能信号高电平的计数值实现。

以上步骤可概括为：

主控单元开启定时器和定时器中断，并初始化定时器计数周期值；

定时器对使能信号的高低电平时间进行计时，输出一定频率和占空比的使能信号；

驱动单元输出经过PWM调制的驱动信号；

振动马达输出以自身谐振频率为基频，由PWM信号调制的振动刺激。

具体而言，本发明由无线通信模块接收上位机下发的指令；驱动控制模块对指令进行解析，控制和驱动马达产生一定频率和强度的振动刺激，对用户的大脑信号进行编码；设计压力采集模块实时采集并显示振动马达与刺激部位之间的压力值，供用户实时观测并及时调整振动马达与刺激部位之间的接触状态。实际采用何种硬件形态和选型、各模块间采用何种方式进行通信或连接等，均不影响本发明的技术实质。

本发明实施例一的技术方案

本实施例以PC端为上位机，采用LD0832AA线性马达，进行对象操作的应用案例。系统的硬件框架如下：

无线通信模块采用具有BLE功能的CC2642R芯片，并设计其外围电路。

驱动控制模块的主控单元采用一片STM32F103C8T6系列MCU芯片，驱动单元选用DRV2605L型驱动芯片，并通过IIC协议实现STM32F1C8T6与DRV2605L之间的通信。

压力采集模块采用薄膜压力传感器，并设计相应的电压转换单元，压力实时显示器选用LED显示器。

电源管理模块采用3.6V可充电纽扣锂电池、3.3V和2.5V的电压转换芯片。

无线通信模块、电源管理模块、驱动控制模块、振动马达和压力采集模块全部集成于宽度为1.5cm的电路板上，在电路板上设计一块圆形区域，将薄膜压力传感器固定在这块圆形区域中，将振动马达驱动信号的正负输入电极焊接在驱动芯片对应输出引脚的焊盘上，并将振动马达粘附于薄膜压力传感器上。将电路板固定于一款外壳中，外壳具有可供手指伸入的孔洞和用于固定手指的固定旋钮。各个微型振动刺激发生器之间采用同步设计，保证多个微型振动刺激发生器能够同时向手指输出振动刺激。

①完成振动刺激发生器与用户之间的连接。

让用户将双手的中指指尖分别通过外壳的空洞与微型振动刺激发生器的振动马达接触，旋转固定旋钮，使LED显示屏上显示相同的初始压力值。

②用户基于实际需求，发送开始/停止指令、刺激频率/强度调节指令。

上位机中的软件开发平台给用户提供调用BLE通信功能的接口，对指令进行打包，通过BLE的方式进行操作指令下发。

③完成上位机指令的接收和解析，输出相应的驱动信号。

集成于电路板的无线通信模块以BLE方式接收上位机下发的指令，由驱动控制模块通过STM32F103C8T6完成上位机指令的解析，并对DRV2605L驱动芯片进行控制，输出经过调制的驱动信号。

④输出一定频率和强度的振动刺激。

与DRV2605L驱动芯片连接的线性马达接收到驱动信号，输出经过PWM调制的振动刺激。

⑤采集并实时显示线性马达与手指之间的压力，观测两者的接触状态。

集成于控制板卡上的压力采集模块通过压力传感器对线性马达与手指之间的压力进行检测，将其转换为真实压力值后显示在LED显示屏上。

本发明实施例一的技术效果

尽管上面对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器，所述刺激发生器包括上位机、刺激部、控制电路和振动马达；所述控制电路分别连接刺激部和振动马达；其特征在于:所述控制电路包括无线通信模块、驱动控制模块、压力采集模块和电源管理模块；其中：

所述无线通信模块用于接收上位机的指令；

所述驱动控制模块用于解析上位机指令、进行逻辑控制和输出驱动信号控制振动马达工作；

所述振动马达：根据驱动控制模块输出的驱动信号产生相应频率和强度的振动刺激；

所述压力采集模块用于采集振动马达的振动压力信息并实时显示；

所述电源管理模块用于向控制电路上述各模块输出具有正负电压的电信号；其中：所述驱动控制模块包括主控单元和驱动单元；所述驱动单元驱动振动马达输出特定频率和强度振动刺激的过程为：

所述主控单元开启定时器和定时器中断，并初始化定时器计数周期值和中断阈值；其中：定时器开始计数，并根据计数周期值和中断阈值分别对使能信号的周期和高低电平时间进行控制，输出PWM形式的使能信号；

驱动单元根据PWM形式的使能信号进而输出经PWM调制的振动刺激信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器，其特征在于:所述主控单元采用STM32F103C8T6系列MCU芯片；所述驱动单元采用DRV2605L芯片。

3.根据权利要求1所述的一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器，其特征在于:所述压力采集模块包括压力传感器、电压转换单元和压力实时显示器；其中：

所述压力传感器与振动马达表面接触，用于将振动马达的振动压力转换为电压值；

所述电压转换单元与压力传感器连接，用于采集压力传感器的提供的电压，将其转换为压力数据，提供给压力实时显示器；

所述压力实时显示器与电压转换单元连接，用于采集电压转换单元提供的压力数据，将压力数据实时显示。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器，其特征在于:所述控制电路采用4层PCB设计，所述PCB的总宽度在1.0cm～2.0cm。

5.根据权利要求4所述的一种用于脑-机接口的微型振动刺激发生器，其特征在于：所述刺激部上设置有与用户手指连接的连接件。