[發明專利]基于腦電信息檢波的呼叫裝置

無效

• 申請號: 200710036195.5
• 申請日: 2007-11-22
• 公開（公告）號: CN101159086A
• 公開（公告）日: 2008-04-09
• 發明（設計）人: 胡德文;周宗潭;劉楊;岳敬偉
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G08B25/00
• 分類號: G08B25/00;G09F9/00
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心
• 代理人: 郭敏

1.一種基于腦電信息檢波的呼叫裝置，其特征在于它由服務標志屏(1)、腦電采集器(2)、腦電放大器(3)、A/D轉換器(4)和呼叫分機(5)組成；服務標志屏(1)為LED顯示屏，尺寸大于等于1.5m×0.2m，懸掛于病人可以注視到的墻壁或天花板上，通過網線(6)與呼叫分機(5)連接；腦電采集器(2)由3～5個主動電極組成，電極固定于患者后腦枕葉位置的頭皮，電極通過導線(7)與腦電放大器(3)的輸入端相連；腦電放大器(3)的輸出端與A/D轉換器(4)的輸入端相連，腦電放大器(3)對從多個主動電極來的多導聯腦電信號進行放大，并將放大后信號送入A/D轉換器(4)；A/D轉換器(4)的輸出端與呼叫分機(5)通過USB口相連，A/D轉換器(4)將模擬信號轉換為數字信號通過USB接口傳入呼叫分機(5)；呼叫分機(5)是一臺計算機，通過總線(8)連接到呼叫總機，呼叫分機(5)上安裝有服務標志屏(1)附帶的LED顯示控制軟件和腦電處理與分析軟件；LED顯示控制軟件帶有由視頻文件組成的視頻庫，通過播放視頻文件對服務標志屏(1)的顯示進行控制；腦電處理與分析軟件對腦電數據進行實時處理與分析，將呼叫信息傳送給呼叫主機。

2.如權利要求1所述的基于腦電信息檢波的呼叫裝置，其特征在于所述服務標志屏(1)一個病房可視情況放置多塊，但要求不放在病人在自然狀態下視線易于逗留或很容易注視到的地方。

3.如權利要求1所述的基于腦電信息檢波的呼叫裝置，其特征在于所述視頻文件是代表服務內容的標志圖像和背景圖像連續循環顯示的數據流，存儲于呼叫分機(5)上，由LED顯示控制軟件播放，并在服務標志屏(1)上實時同步顯示出來；每種視頻文件代表一種對患者視覺的刺激方式；視頻文件根據不同類型病人的需要進行設計，設計方法為：將每塊LED顯示屏均勻分割成n塊，每塊區域分別以不同的期望顯示頻率f顯示代表不同服務內容的文字或相應圖片，而每塊區域都以標志和背景切換的方式循環顯示；視頻文件每幀圖像由n個區域的圖像并排組合而成，每個區域的圖像或為代表服務內容的標志圖片，或為背景圖片；設標志圖片每隔d幀顯示一次，則對應的期望顯示頻率為f＝Z/d，Z為視頻文件的幀率；各個區域選擇不同的期望顯示頻率，從而按照各自對應的d幀間隔顯示；設第一幀視頻圖像各個區域都顯示標志圖片，則后面每幀圖像中每個區域是標志圖片還是背景圖片由各自的d推算得到，從而設計出相應的視頻文件。

4.如權利要求3所述的基于腦電信息檢波的呼叫裝置，其特征在于所述n取4～7，f為6～1?5Hz，Z和d的取值由下述條件確定：當Z取某個整數值，d取n個不同的整數值d₁，d₁，...，d_n時，由f＝Z/d得到n個不同的期望顯示頻率f₁，f₁，...，f_n，應該滿足6≤min{f_i}＜max{f_i}≤15，且各f_i之間的間隔大于0.5Hz。

5.如權利要求3或4所述的基于腦電信息檢波的呼叫裝置，其特征在于所述Z取60，d取4～10，對應的期望顯示頻率分別為15Hz、12Hz、10Hz、8.57Hz、7.5Hz、6.67Hz、6Hz。

6.如權利要求1所述的基于腦電信息檢波的呼叫裝置，其特征在于所述腦電處理與分析軟件由阻抗檢測模塊、主模塊、接口與控制模塊和可視化模塊組成：

6.1阻抗檢測模塊測量主動電極與頭皮接觸的阻抗，從而確定電極是否佩戴合適，可否開始采集腦電信號，它和可視化模塊配合，利用可視化技術，顯示出各個電極在頭皮上的位置及名稱，按照電極的阻抗大小分別用不同的標識進行顯示，從而直觀地顯示阻抗的范圍；此模塊在每次佩戴電極后采集信號前運行，流程如下：

1)向腦電采集器(2)發送阻抗檢測指令；

2)從呼叫分機(5)USB接口讀取數據，此時的數據不是腦電信號，而代表對應電極的阻抗值；

3)將每個電極的阻抗值發送到可視化模塊；

4)當所有電極的阻抗值都正常后，退出此模塊；

6.2主模塊由信號獲取模塊、信號濾波模塊、特征提取和模式判別模塊構成：

6.2.1信號獲取模塊從呼叫分機(5)的USB接口讀取從A/D轉換器(4)傳送來的數字化的原始腦電信號，進行數據解析，并存放到內存，并同時存儲到磁盤上，供以后離線分析使用，具體流程如下：

1)向腦電采集器(2)發送腦電采集模式控制指令，開始腦電數據的傳輸；

2)每隔10ms～80ms從呼叫分機(5)USB接口讀取該時間間隔內采集到的數據；

3)進行數據解析，即按照采樣頻率、數據長度、電極個數把連續采集到的數據按電極進行分離，存放到內存中；

4)把解析后的數據存放到磁盤上；

6.2.2信號濾波模塊采用有限脈沖響應FIR或無限脈沖響應IIR濾波器對內存中的腦電信號按電極進行帶通濾波，濾波器通帶范圍要求覆蓋服務標志屏(1)上各顯示區域的期望顯示頻率，默認為4～20Hz；

6.2.3特征提取和模式判別模塊選用一種特征提取方法從濾波后的腦電信號中提取出所需要的特征，并選用一種分類器判斷出當前電極佩戴者是否注視著服務標志屏(1)，如果注視著，則進一步判斷注視的是哪塊區域，即需要何種服務，然后把相應的結果即是否注視服務標志屏(1)及注視的區域發送到接口與控制模塊，如果判別結果為沒有注視服務標志屏(1)，就發送零，如果注視，就發送相應服務的代號；具體流程如下：

1)選定特征提取方法，包括快速傅立葉變換、譜估計方法、公共空間模式、典型相關分析、偏最小二乘方法中的一種對濾波后的數據進行頻率及空間上的變換，然后在變換后的頻譜上，提取所使用的視頻文件各個區域的期望顯示頻率處的頻譜幅值作為特征；對于劃分為n個區域的視頻文件，設其對應期望顯示頻率分別為f₁，f₂，...，f_n，對應f_i(i＝1，...，n)處的頻譜幅值為Pi，則提取出的n維特征向量為F＝[P₁，P₂，...，P_n]。

2)選定分類器即線性判別分析或人工神經網絡或支持向量機，對特征向量F進行分類：將特征向量F輸入分類器，分類器輸出F對頻率f_i(i＝1，...，n)的顯著度S_i(i＝1，...，n)，它的意義是F由f_i所激發的可能性大小；取最大值max_S＝max{S_i}，對應的頻率為f_{max_i}；將max_S與激發閾值thd_S比較，thd_S由對分類器的訓練得到；若max_S＜thd_S，表明F不由任何f_i所激發，此時服務標志屏(1)沒有任何區域被注視；若max_S≥thd_S，則判斷為F由f_{max_i}所激發，即第max_i塊區域被注視；

3)向接口與控制模塊發送分類器的判別結果decision，若F不由任何f_i所激發，則decision為0；若F由f_{max_i}所激發，則decision為區域標號max_i；

6.3接口與控制模塊接收到主模塊中特征提取和模式判別模塊傳送來的判別結果后做相應的處理，并將呼叫信息通過總線(8)發送到呼叫主機；

具體流程如下：

1)若特征提取和模式判別模塊傳送來判別結果decision為零，將service清零，記錄持續呼叫時間的計時器timer如果已啟動則停止；

2)若特征提取和模式判別模塊傳送來的判別結果decision為服務標志屏(1)某個區域的標號max_i，如果service為零，則置service為max_i，同時timer開始啟動計時；如果記錄當前判別結果的服務狀態變量service不為零，則比較service與max_i，若service≠max_i，則置service為max_i，同時timer重新啟動計時；若service＝＝max_i，則timer繼續計時，并與表示呼叫持續時間上限的時間閾值thd_T進行比較，thd_T為2s～5s，若timer＞thd_T，則通過總線(8)向呼叫主機發送呼叫時間、呼叫病房號、床位、需要的服務這樣的呼叫信息，并發出聲音提示患者呼叫已經成功，然后將service清零并停止timer；

6.4可視化模塊根據阻抗檢測模塊、主模塊、接口與控制模塊的運行情況，負責在呼叫分機(5)上顯示一些信息，具體為：

1)當阻抗檢測模塊運行時，顯示電極在皮層上的位置、名稱、阻抗值信息，并按阻抗值大小用不同的標識顯示電極，如果存在阻抗值較大的電極，提醒用戶重新檢查該電極的佩戴情況，直到其阻抗值降到正常為止；

2)當主模塊運行時，根據用戶的選擇顯示采集到的腦電信號波形、濾波后的波形、判別結果；

3)當接口與控制模塊運行時，顯示當前的判別結果，計時器的計時狀態、向呼叫主機發送信息的情況、發送成功后的文字提示。