專利名稱：收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種利用檢測腦部特定部位信息以與外界溝通的接ロ，特別是關(guān)于ー種收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ。
背景技術(shù)：
腦機(jī)接ロ(brain-computer interface,簡稱 BCI ;有時(shí)也稱作 direct neuralinterface或者brain-machine interface),是在人或動物腦(或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物)與外部裝置間建立的直接聯(lián)機(jī)通路。在單向腦機(jī)接ロ的情況下，計(jì)算機(jī)或者接受腦傳來的命令，或者發(fā)送訊號到腦(例如視訊重建)，但不能同時(shí)發(fā)送和接收訊號。而雙向腦機(jī)接ロ允許腦和外部裝置間的雙向信息交換。在該定義中，“腦”ー詞意指有機(jī)生命形式的腦或神經(jīng)系統(tǒng)，而并非僅僅是抽象的“心智”(mind)?！皺C(jī)”意指任何處理或計(jì)算的裝置，其形式可以從簡單電路到硅芯片。在多年來動物實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐基礎(chǔ)上，應(yīng)用于人體的早期植入裝置被設(shè)計(jì)及制造出來，用于恢復(fù)損傷的聽覺、視覺和肢體運(yùn)動能力。研究的主線是大腦不同尋常的皮層可塑性，它與腦機(jī)接ロ相適應(yīng)，可以自然肢體那樣控制植入的假肢。在當(dāng)前所取得的技術(shù)與知識的進(jìn)展之下，腦機(jī)接ロ研究者可令人信服地嘗試制造出增強(qiáng)人體功能的腦機(jī)接ロ，而不僅僅止于恢復(fù)人體的功能。目前在相關(guān)技術(shù)的發(fā)展上，主流的非侵入式腦機(jī)接ロ主要是利用腦波(Electroencephalogram,簡稱EEG)訊號來讓使用者與外界溝通，由使用者意念所產(chǎn)生的EEG訊號變化是否能夠穩(wěn)定且顯著到足以被系統(tǒng)測得。由于BCI分類機(jī)制的確立通常必須透過適當(dāng)?shù)挠?xùn)練程序來完成，故目前多采用類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)部份。然而，除了EEG訊號判讀分類機(jī)制是否具有容錯(cuò)性好且效率高的特性，足以將所測得的EEG訊號特征精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)譯成所要執(zhí)行的機(jī)器指令之外，如何將特定的動作、意念、情緒正確對應(yīng)到其特定的大腦部位上，以建立一個(gè)在實(shí)際上可應(yīng)用且正確性高的腦機(jī)界面，仍是ー個(gè)亟待解決的問題。未來，腦機(jī)接ロ技術(shù)可用來幫助殘障、癱瘓或喪失行動能力的患者，讓他們擁有可以控制外部世界的能力，而不是被動的接受外界的控制。如上所述，利用EEG訊號判讀的腦機(jī)接ロ，除了受限于EEG訊號主要是量測頭殼的電位改變，而非直接偵測大腦內(nèi)部的活動信息外，且在特定動作、意念、情緒無法正確對應(yīng)到其特定的大腦部位的情況下，實(shí)難以提高腦機(jī)接ロ的正確性及實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的一目的即是提供ー種收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ，特別是利用近紅外線光譜(Near-Infrared Spectroscopy,NIRS)的方式檢測使用者的大腦特定部位的腦血流信號，以應(yīng)用于本發(fā)明的腦機(jī)界面。本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題所采用的技術(shù)手段為ー種收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ，其包括、
一腦血流檢測單元，用以檢測一使用者的大腦特定部位的腦血流信號，其中該腦血流檢測單元為ー近紅外線腦血流檢測單元，用于檢測波長介于700nm至2500nm的近紅外線光譜；一信號放大/濾波單元，將接收自該腦血流檢測單元的腦血流信號進(jìn)行放大及濾波；ー模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，將接收自該信號放大/濾波單元的腦血流信號轉(zhuǎn)換為一數(shù)字信號；一數(shù)字信號處理單元，將接收自該模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字信號進(jìn)行分析處理判斷該使用者的大腦特定部位是否為活躍狀態(tài)，并據(jù)以對應(yīng)產(chǎn)生一信息信號或動作信號；一信號傳輸接ロ，連接于該數(shù)字信號處理單元，用以將該信息信號或動作信號傳輸至一外部連接裝置。經(jīng)由本發(fā)明所采用的技術(shù)手段，利用近紅外線光譜的方式檢測使用者的大腦特定部位的腦血流信號，可直接偵測大腦內(nèi)部的活動信息，且利用特定動作、意念、情緒所對應(yīng) 的特定大腦部位，可有效地提高腦機(jī)接ロ的正確性及實(shí)用性，且在未來可應(yīng)用于癱瘓、行動不便或無法表達(dá)言語的使用者的輔助醫(yī)療用途方面。


圖I為本發(fā)明收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ的系統(tǒng)方塊圖；圖2為本發(fā)明收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ第一實(shí)施例的示意圖；圖3為本發(fā)明收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ第二實(shí)施例的示意圖；圖4為顯示大腦肯定回答區(qū)及否定回答區(qū)的位置圖；圖5為顯示以腦機(jī)接ロ偵測腦血流量變化的圖形解析；圖6A、圖6B、圖7A、圖7B為顯示本發(fā)明的腦機(jī)接ロ偵測腦血流量變化的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式以下配合說明書附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式做更詳細(xì)的說明，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員在研讀本說明書后能據(jù)以實(shí)施。參閱圖1，其為本發(fā)明收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ的系統(tǒng)方塊圖。如圖I所示，本發(fā)明收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ 1，其主要包括一腦血流檢測單元11、一信號放大/濾波單元12、ー模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元13、一數(shù)字信號處理單元14以及一信號傳輸接ロ 15，以下就使用方式及各個(gè)組成単元功能逐一介紹。本發(fā)明所使用的腦血流檢測單元11可以是ー近紅外線腦血流檢測單元(Nearinfrared sensor),用以檢測一使用者2的大腦特定部位的腦血流信號SI。由于700nm至2500nm的近紅外線光譜相對于其它波長光區(qū)，有比較強(qiáng)的人體穿透性，而波長較長光譜區(qū)對人體的穿透性低，并帶有增熱特性，可在非侵入的狀態(tài)下，即可測量到人類腦部活動狀況的動態(tài)影像。其利用不同的紅外線短波(如選用640nm和830nm的近紅外線)，測量腦內(nèi)的氧化血紅素(xy-Hb)、去氧化血紅素(deoxy-Hb)及總血紅素(total_Hb)等數(shù)據(jù)，以建構(gòu)腦部活動的狀況。腦血流檢測單元11所檢測到的是ー模擬信號，傳輸至信號放大/濾波單元12之后可進(jìn)行放大及濾波，再經(jīng)由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元13將其轉(zhuǎn)換為ー數(shù)字信號S2。接著，由數(shù)字信號處理單元14將接收自模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元13的數(shù)字信號S2進(jìn)行分析處理判斷該使用者2的大腦特定部位是否為活躍狀態(tài)，并據(jù)以對應(yīng)產(chǎn)生一信息信號S3、S4或動作信號S5，并可經(jīng)由連接于數(shù)字信號處理單元14的信號傳輸接ロ 15將信息信號S3、S4或動作信號S5傳輸至一外部連接裝置3。在本發(fā)明中，外部連接裝置3包括有ー顯示裝置4、揚(yáng)聲裝置5及驅(qū)動裝置6。其中動作信號S5傳輸至驅(qū)動裝置6，用以作動驅(qū)動裝置6，并進(jìn)行一預(yù)定動作。若信息信號S3是ー影像信號，則可傳輸至顯示裝置4予以顯示，而若信息信號S4是ー聲音信號，則可傳輸至ー揚(yáng)聲裝置5，無論是以顯示影像或發(fā)出聲音的方式，皆可藉此直接讓使用者表現(xiàn)出腦部所要下達(dá)的指令，或讓外界可直接地理解其需求，特別適合用于例如癱瘓、行動不便或無法表達(dá)言語的使用者。 在實(shí)際使用上，除了可利用主動式的方式，針對使用者各個(gè)不同功能的特定大腦區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，亦可利用被動式的方式，施以外部環(huán)境信息的刺激，例如提供一影像信號S6或聲音信號S7，例如以影像顯示或詢問問題的方式(包括是否肚子餓、是否要上廁所等各種問題)，再透過本發(fā)明的腦機(jī)接ロ I與使用者產(chǎn)生互動。參閱圖2，其為本發(fā)明收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ第一實(shí)施例的示意圖。在本實(shí)施例中，以前述的實(shí)施方式可讓使用者2特定大腦區(qū)域所顯示的特定訊息，經(jīng)由腦機(jī)接ロ I的偵測及分析判別后，顯示于顯示裝置4上(例如圖中即顯示出使用者的目前為饑餓的狀態(tài))，或是以揚(yáng)聲裝置5直接發(fā)出對應(yīng)的語音內(nèi)容，可提醒照護(hù)人員注意使用者所發(fā)出的需求。參閱圖3，為本發(fā)明收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ第二實(shí)施例的示意圖。其中驅(qū)動裝置包括一醫(yī)療輔具及一警示單元。在本實(shí)施例中，以前述的實(shí)施方式可讓使用者2直接控制或作動驅(qū)動裝置6進(jìn)行特定動作。特別是，本實(shí)施例的信號傳輸接ロ可包括一無線傳輸模塊(圖未示)，而驅(qū)動裝置6可以是ー醫(yī)療輔具(例如可調(diào)式病床、輪椅或其它醫(yī)療相關(guān)裝置)，且其包括一警示單元61，可在動作信號S5傳輸至驅(qū)動裝置6之后，驅(qū)動病床的上下升降，或是驅(qū)動警示單元61以閃燈或聲響的方式，提醒照護(hù)人員注意使用者的需求。在本發(fā)明的實(shí)施例中，前述的腦機(jī)界面可應(yīng)用于大腦特定部位，例如偵測大腦的肯定回答區(qū)及否定回答區(qū)的腦血流量變化。參閱圖4、圖5所示，圖4為顯示大腦肯定回答區(qū)及否定回答區(qū)的位置圖，而圖5為顯示以腦機(jī)接ロ偵測腦血流量變化的圖形解析。如圖所示，圖4的A區(qū)為肯定回答區(qū)，而B區(qū)為否定回答區(qū)。圖5中顯示出以腦機(jī)接ロ偵測腦血流量的結(jié)果，其中紅色波段表示含氧血紅素隨時(shí)間的變化量，藍(lán)色波段表示脫氧血紅素隨時(shí)間的變化量，而綠色波段表示兩者的綜合值。圖6A、圖6B、圖7A、圖7B為顯示本發(fā)明的腦機(jī)接ロ偵測腦血流量變化的結(jié)果。例如，在圖6A、圖6B中，分別顯示出以本發(fā)明的腦機(jī)接ロ偵測受測者的肯定回答區(qū)(A區(qū))的腦血流量變化結(jié)果，例如在圖6A、圖6B中分別顯示出在肯定回答區(qū)無活躍及活躍的含氧及脫氧血紅素變化量，而在圖7A、圖7B中則是分別顯示出在否定回答區(qū)(B區(qū))無活躍及活躍的含氧及脫氧血紅素變化量。根據(jù)此些信息，可在對受測者提問后，在無須受測者直接回答的情形下，直接以受測者的肯定回答區(qū)(A區(qū))及否定回答區(qū)(B區(qū))的腦血流量變化結(jié)果，判斷受測者的回答為“是”(肯定回答)或“不是”(否定回答)。此種應(yīng)用讓外界可直接地理解其需求，特別適合用于例如癱瘓、行動不便或無法表達(dá)言語的使用者。在此雖以大腦的肯定回答區(qū)及否定回答區(qū)作為特定實(shí)施例，但未來可應(yīng)用的大腦功能區(qū)并非僅限于此，更可進(jìn)ー步應(yīng)用于其它掌管特定功能的大腦功能區(qū)。因此，除了上述藉由提問問題及回答的交互式應(yīng)用之外，更可進(jìn)一步針對其它掌管特定功能的大腦功能區(qū)，以主動式檢測該些區(qū)域是否活躍的方式，主動地理解受測者的腦部訊號及思維，以改善其在醫(yī)療照護(hù)方面的質(zhì)量與用途。以上所述僅為用以解釋本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非企圖據(jù)以對本發(fā)明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的創(chuàng)作精神下所作有關(guān)本發(fā)明的任何修飾或變更，皆仍應(yīng)包括 在本發(fā)明意圖保護(hù)的范疇。
權(quán)利要求
1.ー種收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ，其特征在于，包括 一腦血流檢測單元，用以檢測一使用者的大腦特定部位的腦血流信號，其中，該腦血流檢測單元為ー近紅外線腦血流檢測單元，用于檢測波長介于700nm至2500nm的近紅外線光譜； 一信號放大/濾波單元，將接收自該腦血流檢測單元的腦血流信號進(jìn)行放大及濾波； ー模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，將接收自該信號放大/濾波單元的腦血流信號轉(zhuǎn)換為一數(shù)字信號; 一數(shù)字信號處理單元，將接收自該模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字信號進(jìn)行分析處理判斷該使用者的大腦特定部位是否為活躍狀態(tài)，并據(jù)以對應(yīng)產(chǎn)生一信息信號或動作信號； 一信號傳輸接ロ，連接于該數(shù)字信號處理單元，用以將該信息信號或動作信號傳輸至一外部連接裝置。
2.如權(quán)利要求I所述的收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ，其特征在于，該外部連接裝置為ー顯示裝置，且該信息信號為ー影像信號。
3.如權(quán)利要求I所述的收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ，其特征在于，該外部連接裝置為ー揚(yáng)聲裝置，且該信息信號為ー聲音信號。
4.如權(quán)利要求I所述的收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ，其特征在于，該外部連接裝置為ー驅(qū)動裝置，并受到該動作信號驅(qū)動進(jìn)行一預(yù)定動作。
5.如權(quán)利要求4所述的收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ，其特征在干，該驅(qū)動裝置包括一醫(yī)療輔具及一警示單元。
6.如權(quán)利要求I所述的收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ，其特征在于，該信號傳輸接ロ包括ー無線傳輸模塊。
7.如權(quán)利要求I所述的收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ，其特征在于，該腦血流檢測單元用于檢測波長介于640nm和830nm的近紅外線光譜，可測量該使用者大腦特定部位的氧化血紅素、去氧化血紅素及總血紅素。
8.如權(quán)利要求I所述的收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接ロ，其特征在于，該大腦特定部位包括一肯定回答區(qū)及一否定回答區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種收集大腦特定部位信息的腦機(jī)接口，其包括一腦血流檢測單元，用以檢測一使用者的大腦特定部位的腦血流信號，其中腦血流檢測單元為一近紅外線腦血流檢測單元；一信號放大/濾波單元，將腦血流信號進(jìn)行放大及濾波；一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，將腦血流信號轉(zhuǎn)換為一數(shù)字信號；一數(shù)字信號處理單元，將接收自模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字信號進(jìn)行分析處理判斷使用者的大腦特定部位是否為活躍狀態(tài)，并據(jù)以對應(yīng)產(chǎn)生一信息信號或動作信號；一信號傳輸接口，用以將信息信號或動作信號傳輸至外部連接裝置。
文檔編號G06F3/01GK102645969SQ20111004235
公開日2012年8月22日 申請日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者吳明達(dá) 申請人:吳明達(dá)