專利名稱：基于腦電信息檢波的呼叫裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及腦-計算機接口技術，尤其是一種可應用于病房的基于腦電 信息檢波的無接觸、非動作式呼叫系統(tǒng)中的呼叫裝置。
技術背景病房呼叫系統(tǒng)是目前醫(yī)院病房中的必配設備，用于病人或陪護在需要時 向醫(yī)生發(fā)出呼叫，從而及時得到醫(yī)生的關注，它對于病人看護和病房管理都 有著很大價值。病房呼叫系統(tǒng)一般由呼叫主機和呼叫器(或稱呼叫分機)組成， 呼叫器一般是每個病床一個， 一般懸掛或固定在病床上方的墻壁上，用于向 呼叫主機發(fā)出呼叫信號；呼叫主機是一臺計算機， 一般位于醫(yī)生所在的值班 室，用于接收呼叫信號，向醫(yī)生發(fā)出警報，并指示呼叫床位。目前市場上存 在著很多廠家生產的病房呼叫系統(tǒng)，其樣式各有不同，功能也有所差異。例 如，主機和呼叫器間的通訊，有的采用RS485總線，有的采用無線通訊；主 機可存儲的呼叫歷史信息量和顯示的信息各有不同；呼叫器發(fā)送的信息內容 有多有少等等。但這些呼叫系統(tǒng)有一個共同特點，即呼叫器均為按鍵式或觸 摸式，它們的使用必須是通過按鍵直接發(fā)送呼叫內容或者通過按鍵啟動對講 功能后與醫(yī)生進行交談。因此上述按鍵式呼叫器要求通過手臂和手指的運動去觸摸按鍵而使用， 對于下面幾種情況的患者，這種類型的呼叫器就不適用了 1)進行手臂外 科手術或者手臂截肢的患者；2)其它手臂運動受限或因極度虛弱而無法活 動手臂的患者；3)局部或全部喪失了運動能力的運動神經疾病患者，如半
身/全身癱瘓、脊索側索硬化(Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS)患者，他們的手臂完全無法移動或者無法做大腦支配下的運動。更有甚者，有相當 一部分患者還喪失了語言功能，難以表達自己的想法。對這些患者來講，讓 他們使用按鍵式的呼叫系統(tǒng)去發(fā)送信號或與醫(yī)生通話都是不現(xiàn)實的。
目前對于這類患者的治療， 一般是在醫(yī)護人員的精心看護和照料下，通 過某些訓練和康復手段，逐步恢復其運動或語言機能。然而在很多情況下并 不能得到令人滿意的效果。這主要是因為，首先，運動或語言機能的恢復是 一個復雜漫長的過程，并需要專業(yè)人員的指導和技巧性的操作和患者的密切 配合，然而有時由于腦區(qū)受到損傷或患者經濟承受力等原因，這甚至是永遠 不可能實現(xiàn)的。另外，這些癱瘓、麻痹、手術后無法動作等患者，由于無法 自己利用呼叫系統(tǒng)，在有需要的時候有效地向外界表達自己的想法，所以必 須有醫(yī)護人員或陪床親屬時刻陪伴在左右，通過觀察和體驗來做出判斷，這 項工作費時費力且需要很多經驗，如果措施不當就很可能會對病人的心理和 身體造成不必要的傷害。
腦-計算機接口技術(Brain-Computer Interface, BCI)是利用腦電信號實現(xiàn) 人腦與外界交流和控制的一種新的有效的信息傳達和通訊方式。它通過檢測 并判別腦電信號中對應不同大腦活動所體現(xiàn)出來的時空模式來識別人的意 圖。腦-計算機接口技術的研究初衷是服務于運動神經疾病患者，它不需要 人的肢體活動或語言表達的參與，是非動作、無接觸的。其基本原理是人 腦在進行不同思維活動或受到不同的外部刺激(如視覺、聽覺或觸覺)時，其 神經活動會在對應的腦電信號中體現(xiàn)出不同的模式，通過實時采集并提取出 這些模式，就可以判斷出患者目前進行什么樣的意識活動或受到什么樣的刺激。在腦-計算機接口系統(tǒng)中一般使用與頭皮接觸的非侵入式的、無損傷的 電極。傳統(tǒng)的被動電極使用時需要預先在頭皮上準備，需要特殊的導電膏來 降低電極和皮膚之間的阻抗，其效果往往依賴于操作者的經驗和技術，而且 花費時間較多，會對患者造成不必要的心理壓力。另外，隨著采集時間變長， 導電膏會變干，使得信號質量變差。近些年發(fā)展起來的主動電極，在離頭皮 很近的地方放置前置濾波器進行信號調整，改善信號性能，在抗干擾、穩(wěn)定 性、安全性等方面有著獨特的優(yōu)勢，且不需要對頭皮做特別的預處理，可大 大減少準備時間。由于腦電信號采自頭皮，感興趣的腦區(qū)發(fā)生的電活動傳遞到電極處已經 受到很多干擾，其中包括顱骨等不均勻介質的影響和正常代謝(如心跳、呼 吸)的電活動的非線性疊加等，所以正常情況下，腦電信號是雜亂無章的， 必須通過巧妙的實驗設計和先進的信號處理技術實現(xiàn)有效的通訊。在實驗設計中，使用較多的是事件相關腦電位(Event related potential, ERP)，即外界刺 激或特定大腦活動所誘發(fā)的電位變化，對它的研究已經較為廣泛而成熟。視 覺誘發(fā)電位(Visual evoked potential, VEP)是在腦-計算機接口中使用較多的 一種事件相關腦電位，它是大腦對視覺信息處理加工的電生理機制的反映。 當外部視覺刺激的頻率高于6Hz時，便會在腦電信號中引發(fā)周期響應，由與 刺激同頻率和整數(shù)倍的諧波成分組成，稱為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(Steady-state visual evoked potential, SSVEP)。通過檢測腦電信號中相應頻率成分的變化， 即可判斷出當前刺激的頻率。利用這一點，可以設計以不同頻率閃爍的刺激 目標，當注視目標時，檢測腦電信號中頻率成分的變化，即可知道當前注視
的是哪個目標，從而實現(xiàn)不同的選擇任務。在80年代起，視覺誘發(fā)電位就 已經應用于早期的腦-計算機接口系統(tǒng)中，1992年，Sutter開發(fā)出了基于視覺 誘發(fā)電位的腦-計算機接口系統(tǒng)。目前關于視覺誘發(fā)電位的信號特征和處理 方法都已比較成熟，通過合理設計頻率載波模式，基于視覺誘發(fā)電位的腦-計算機接口系統(tǒng)的識別正確率、識別速度和可靠性都能夠達到較高水平，因 此，視覺誘發(fā)電位也成為目前用于腦-計算機通訊的最佳誘發(fā)電位。另外根 據(jù)研究成果，視覺誘發(fā)電位在大腦皮層上的空間分布主要集中于大腦皮層的 枕葉部位，因此只要在這個區(qū)域放置若干電極即可，不需要在整個頭部進行 采集，在實際應用中，這個特點可以大大簡化采集設備和提高處理速度?；谝曈X誘發(fā)電位的腦-計算機接口系統(tǒng)的關鍵在于實時檢測腦電信號 中頻率成分的變化， 一般包括兩個步驟1)提取出與所關注的頻率成分相 關的特征；2)衡量頻率特征的顯著性，即是否顯著到足夠可以認為由于注 視相應目標而引發(fā)了相應頻率成分的增加，從模式識別的角度來說就是設計 分類器進行分類，并做出判決。關于第一步特征提取，目前可以使用的方法 有1) 快速傅立葉變換(FFT);2) 譜估計方法；3) 時間濾波+空間濾波先逐電極濾除非剌激頻率成分，然后進行有監(jiān)督的空間變換，如公共空間模式(Common spatial pattern, CSP)、典型相關 分析(Canonical correlation analysis, CCA)、偏最小二乘(Partial least squares, PLS)等。關于第二步顯著性判斷，主要使用的分類器有1) 線性分類器，如線性判別分析(Linear discriminant analysis, LDA);2) 非線性分類器，包括人工神經網絡(Artificial neural networks, ANN)、 支持向量機(Support vector machine, SVM)，以及各種核學習方法(Kemel method傳。雖然腦-計算機接口領域的研究已經取得了很多振奮人心的成果，但是目 前的研究大多還處于實驗室探索階段，真正將腦電信號特征用于服務殘障人 士及康復輔助的產品還為數(shù)甚少，至于綜合運用以上各種技術的基于穩(wěn)態(tài)視 覺誘發(fā)電位檢波的呼叫系統(tǒng)還未見公開報導。 發(fā)明內容本發(fā)明要解決的技術問題是為病房呼叫系統(tǒng)設計一種新型的基于穩(wěn)態(tài) 視覺誘發(fā)電位檢波的病房呼叫裝置代替呼叫器，用無接觸、非動作式的注視 操作代替目前的按鍵式操作。本發(fā)明由服務標志屏、腦電采集器、腦電放大器、A/D轉換器、呼叫分 機組成。服務標志屏通過網線與呼叫分機連接，腦電采集器的電極固定于患 者頭皮，電極通過導線與腦電放大器的輸入端相連，腦電放大器的輸出端與 A/D轉換器的輸入端相連，A/D轉換器的輸出端與呼叫分機通過USB 口相 連。呼叫分機是一臺計算機，通過總線連接到位于值班室的呼叫主機(是一 臺與背景技術所述病房呼叫系統(tǒng)相同的呼叫主機)，呼叫分機上安裝有服務 標志屏附帶的LED顯示控制軟件和腦電處理與分析軟件，LED顯示控制軟 件帶有由在服務標志屏上顯示的關于病人需求的視頻文件組成的視頻庫，腦 電處理與分析軟件對腦電數(shù)據(jù)進行實時處理與分析，將呼叫信息傳送給呼叫 主機。服務標志屏為LED顯示屏，尺寸大于等于1.5mX0.2m，懸掛于病人可 以注視到的墻壁或天花板上， 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(tài)下視線易于逗留或很容易注視到的地方，如病床正對面的墻壁 或病床正上方的天花板，因為病人的視線容易落在這些位置而引起誤判，即 誤以為病人需要某種服務而發(fā)出呼叫，因此要一定程度上偏離開這些位置， 但也不要放在病人很難看到或被遮擋的角落。各塊LED顯示屏都通過網線 與呼叫分機連接，并由呼叫分機運行LED顯示屏附帶的LED顯示控制軟件 播放視頻文件，對LED顯示屏的顯示進行控制。視頻文件是代表服務內容的標志圖像和背景圖像連續(xù)循環(huán)顯示的數(shù)據(jù) 流，存儲于呼叫分機上，由LED顯示控制軟件播放，并在服務標志屏上實 時同步顯示出來。每種視頻文件有特定含義和特殊顯示方式，代表著一種對 患者視覺的刺激方式。視頻文件根據(jù)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(n—般取4 7)，每塊區(qū)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(如進食、鎮(zhèn) 痛、急救、換藥等)，而每塊區(qū)域都以標志(文字或圖片)和背景切換的方式循 環(huán)顯示。期望顯示頻率f的取值范圍為6 15Hz，各區(qū)域的期望顯示頻率各不 相同。設視頻文件的幀率為Z，即每秒鐘顯示Z幀圖像，每幀圖像由n個區(qū) 域的圖像并排組合而成，每個區(qū)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= 視頻文件的幀率/d二Z/d。 f、 Z、 d的取值由下面的條件確定當Z取某個整 數(shù)值，d取n個(n—般取4 7)不同的整數(shù)值dl，dl，.,.',dn時，由fNZ/d得到n 個不同的期望顯示頻率fl,fl,…,fil，應該滿足"min"^^x""15，且各fi
之間的間隔大于0.5Hz。例如，當Z取60， d取4 10時，對應的期望顯示 頻率分別為15Hz、 12Hz、 10Hz、 8.57Hz、 7.5Hz、 6.67Hz、 6Hz。各個區(qū)域 從這些頻率中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(qū)域都顯示標志圖片，則后面每幀圖像中每個區(qū)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。 采用這種設計方法，再根據(jù)不同疾病患者的不同需要，甚至考慮到患者個體 的特殊需要，可以有針對性地設計不同的視頻文件，比如它們可以具有不同 的服務類型的數(shù)量(對應于劃分區(qū)域的個數(shù)不同)、不同的服務內容(對應于顯 示標志圖片不同)，等等。這些視頻文件形成LED顯示控制軟件的視頻庫， 供LED顯示控制軟件選擇使用。腦電采集器由3 5個主動電極組成，用頭帶輔助固定于患者后腦枕葉 位置(如果患者佩戴頸托，也可利用頸托輔助固定，不會給患者帶來額外的 痛苦)。每個電極都由導線引出，匯成一束，接到腦電放大器的輸入端。腦 電放大器對從多個主動電極來的多導聯(lián)腦電信號進行放大，并將放大后信號 送入A/D轉換器，A/D轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號，再通過USB接 口傳入呼叫分機。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。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。此模塊和可視化模塊配合，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，具體流程如下1) 向腦電采集器發(fā)送阻抗檢測指令。2) 從呼叫分機USB接口讀取數(shù)據(jù)，此時的數(shù)據(jù)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(fā)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。主模塊完成腦電信號的獲取、信號濾波、特征提取和模式判別，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。其流程如下信號獲取模塊從呼叫分機的USB接口讀取從A/D轉換器傳送來的數(shù)字 化的原始腦電信號，進行數(shù)據(jù)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) 向腦電采集器發(fā)送腦電采集模式控制指令，開始腦電數(shù)據(jù)的傳輸。2) 每隔一定時間間隔(10ms 80ms)，從呼叫分機USB接口讀取該時間間隔 內采集到的數(shù)據(jù)。3) 進行數(shù)據(jù)解析，即按照采樣頻率、數(shù)據(jù)長度、電極個數(shù)把連續(xù)采集到的 數(shù)據(jù)按電極進行分離，存放到內存中。4) 把解析后的數(shù)據(jù)存放到磁盤上。 信號濾波模塊采用經典的有限脈沖響應(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，濾波器通帶范圍應覆蓋服務標 志屏上各顯示區(qū)域的期望顯示頻率，默認為4 20Hz，也可通過菜單對此項 參數(shù)進行配置。針對濾波后的腦電信號，特征提取和模式判別模塊選用一種特征提取方
法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，如果注視著，則進一步判斷注視的是哪塊區(qū)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及注視的區(qū)域發(fā)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，就發(fā)送零，如果注視，就 發(fā)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(shù)據(jù)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(qū)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(qū)域的視頻文 件，設其對應期望顯示頻率分別為&，f2, fn。對應fi(i^，…,n)處的頻 譜幅值為Pi，則提取出的n維特征向量為F-[PbP2,.,.，Pn]。2) 選定分類器(線性判別分析、人工神經網絡、支持向量機中的一種)，對 特征向量F進行分類。分類器是在系統(tǒng)使用前經由對大量人群的特征訓 練得到的。將特征向量F輸入分類器，分類器輸出F對頻率fi(i4，...,11) 的顯著度Si(i-l，...,n)，它的意義是F由fi所激發(fā)的可能性大小。取最大 值max—S=max{Si}，對應的頻率為fmax—i。將max—S與激發(fā)閾值thd—S(經 由對分類器的訓練得到)比較。若maX_S<thd—S，表明F不由任何fi所激 發(fā)，此時服務標志屏沒有任何區(qū)域被注視；若max—S》thd一S，則判斷為F 由frr^一i所激發(fā)，即第max_i塊區(qū)域被注視。3) 向接口與控制模塊發(fā)送分類器的判別結果decision。若F不由任何fi所 激發(fā)，則decision為0;若F由fmaxj所激發(fā)，則decision為區(qū)域標號 max i0
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發(fā)送到位于值班室的呼叫主機。接口與控制模塊內部設有記錄當前判別結果的服務狀態(tài)變量service和 記錄持續(xù)呼叫時間的計時器timer，以及表示呼叫持續(xù)時間上限的時間閾值 thd—T(2s 5s，默認為3s)。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(表明沒有注 視任何服務標志)，將service清零，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為服務標志屏某 個區(qū)域的標號max—i，如果service為零，則置service為maxj，同時timer 開始啟動計時；如果service不為零，則比較service與max—i，若 ■sem'ce-max—/ ，貝ll置service為max—i， 同時timer重新啟動計時；若 ^rv/ce == max— / ，則timer繼續(xù)計時，并與thd—T進行比較，若"mw 〉fW — r ， 則通過總線向呼叫主機發(fā)送信息(呼叫時間、呼叫病房號、床位、需要 的服務等)，并發(fā)出聲音提示患者呼叫己經成功，然后將service清零并 停止timer o可視化模塊根據(jù)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， 提醒用戶重新檢査該電極的佩戴情況，直到其阻抗值降到正常為止。2) 當主模塊運行時，根據(jù)用戶的選擇(通過菜單進行操作)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(tài)、 向呼叫主機發(fā)送信息的情況、發(fā)送成功后的文字提示。 使用本發(fā)明進行呼叫的過程是-首先接通服務標志屏的電源，啟動呼叫分機。將呼叫分機的串口連接到總線上(總線與位于外部值班室的呼叫主機相連)。呼叫分機啟動LED顯示控 制軟件，在視頻庫中選擇播放所需顯示的視頻。為患者佩戴腦電采集器，并 將電極的導線束接到腦電放大器中，將腦電放大器的輸出端與A/D轉換器的 輸入端相連，A/D轉換器的輸出端與呼叫分機的USB接口連接。呼叫分機 啟動腦電處理與分析軟件，運行阻抗檢測模塊，調整腦電采集器的佩戴，使 各個電極的阻抗在正常內，確定腦電信號可以正常采集。然后運行主模塊， 接口和控制模塊隨之自動運行?；颊咴诤艚袝r，連續(xù)注視服務標志屏上的某 個標志，在此過程中盡量保持頭部的穩(wěn)定，直到聽到呼叫分機發(fā)出呼叫成功 的聲音提示為止。呼叫成功后，系統(tǒng)自動復位，等待下一次呼叫。 采用本發(fā)明可以達到以下技術效果1) 腦電信號以無損傷方式采集，對病人身體沒有傷害。腦電采集器采用主 動電極，使得采集的準備時間短，抗千擾性、安全性好。2) 特別針對運動障礙患者設計，無需動手或動口，只要對所需服務的顯示 標志進行一定時間的連續(xù)注視，即可實現(xiàn)對相應標志所代表內容的呼 口q，使用方便，無需訓練。值得指出的是，本發(fā)明對其它患者也一樣適 用，而且可以和普通呼叫系統(tǒng)互為補充。3) 呼叫內容分類多，且內容及顯示方式多樣，可考慮到不同患者的特殊需 要，人性化程度更高。
4)本發(fā)明結構簡單、組裝方便、體積適中，便于移動。


圖1:本發(fā)明的各部件連接示意圖；圖2:本發(fā)明使用布局示意圖；圖3: —種服務標志屏視頻顯示示意圖；圖4:本發(fā)明腦電處理與分析軟件基本流程圖；圖5:本發(fā)明腦電處理與分析軟件的接口與控制模塊流程圖。
具體實施方式
圖1是本發(fā)明的連接示意圖，本發(fā)明由服務標志屏1、腦電采集器2、 腦電放大器3、 A/D轉換器4、呼叫分機5組成。服務標志屏1通過網線6 與呼叫分機5連接，腦電采集器2的電極利用頭帶固定于患者頭部，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，A/D轉換器4的輸出端與呼叫分機5通過USB 口相連。 呼叫分機運行服務標志屏1附帶的LED顯示控制軟件，播放在服務標志屏1 上顯示的視頻文件，同時運行腦電處理與分析軟件，對腦電數(shù)據(jù)進行實時的 處理與分析。呼叫分機5通過總線8連接至呼叫主機。圖2為本發(fā)明各部件布局示意圖，服務標志屏1懸掛于病床對面或側面 墻壁或上方的天花板上， 一個病房可視情況放置多個。其位置使患者可以看 到即可，但應偏離患者正常情況下視線易于逗留或很容易注視到的地方，以 免發(fā)生誤判。病人躺在病床上，佩帶著腦電采集器2，導線7連接到置于病 床一側的腦電放大器3、 A/D轉換器4和呼叫分機5。呼叫分機5運行LED 顯示控制軟件播放設定的視頻，對服務標志屏1顯示進行控制，同時運行腦 電處理與分析軟件，對腦電數(shù)據(jù)進行實時處理與分析。圖3是一種服務標志屏視頻文件顯示示意圖。服務標志屏的顯示內容是 由呼叫分機5上的LED顯示控制軟件所播放的視頻文件決定的。按照視頻 文件的設計方式，每塊LED顯示屏均勻分割成幾塊區(qū)域(圖中以四塊為例)， 每塊區(qū)域分別顯示代表不同服務內容的文字及相應的可以直觀表示其意義 的圖片(如進食、鎮(zhèn)痛、急救、換藥等)。其中，文字部分(包括中英文)總是 一直顯示，而圖片部分則以和背景(即沒有任何顯示)切換的方式循環(huán)顯示。 不同區(qū)域圖片的顯示頻率不同。為使患者可以清楚地看出顯示的圖片，在一 個循環(huán)周期內(即顯示一次圖片和一次背景的時間)，圖片和背景的占時比為 2:1 4:1。圖4是呼叫分機5上運行的腦電處理與分析軟件基本流程圖。該軟件由 阻抗檢測模塊、主模塊(包括信號獲取模塊、信號濾波模塊、特征提取和模 式判別模塊)、接口與控制模塊和可視化模塊組成。其流程是軟件啟動后，首先通過軟件界面的菜單對主模塊的運行參數(shù)進行設置， 具體包括1) 濾波的帶通范圍(應包含所選視頻的期望顯示頻率范圍，可使用默認值 4 20Hz);2) 特征提取的方法(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)；3) 模式判別的方法(線性判別分析、人工神經網絡、支持向量機)；4) 可視化顯示的內容。上述參數(shù)也統(tǒng)一保存為配置文件，放到軟件的對應目錄中，使用時直接
加載即可。參數(shù)設定完畢后，啟動阻抗檢測模塊，向腦電采集器發(fā)送阻抗檢測指令，從呼叫分機USB接口讀取電極阻抗值數(shù)據(jù)，并做可視化顯示。檢查調整大 阻抗電極的佩戴情況，直至所有電極的阻抗都在正常范圍內為止。退出阻抗檢測模塊，運行主模塊，進行腦電的實時采集和處理，并根據(jù)設定顯示當前處理的信息。流程如下1) 信號獲取模塊向腦電采集器發(fā)送腦電采集模式控制指令，開始腦電數(shù)據(jù) 的傳輸。2) 信號獲取模塊每隔一定時間間隔(10ms 80ms)，從呼叫分機USB接口讀 取該時間間隔內采集到的數(shù)據(jù)。3) 信號獲取模塊進行數(shù)據(jù)解析，即按照采樣頻率、數(shù)據(jù)長度、通道數(shù)參數(shù) 把連續(xù)采集到的數(shù)據(jù)按通道進行分離，存放到內存中。根據(jù)參數(shù)配置， 選擇是否把解析后的數(shù)據(jù)存放到磁盤上。4) 信號濾波模塊采用經典的有限脈沖響應(FIR)或無限脈沖響應(IIR)濾波 器對內存中的腦電信號按通道進行帶通濾波。5) 特征提取和模式判別模塊使用參數(shù)配置中選定的特征提取方法對濾波 后的數(shù)據(jù)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(qū)域的期望顯示頻率處的頻帶能量作為特征。對于劃 分為n個區(qū)域的視頻文件，設其對應期望顯示頻率分別為fl,f2,…,fn。 對應fi(i^,…，n)處的頻譜幅值為Pi，則提取出的n維特征向量為F=[PhP2，…,PJ。6) 特征提取和模式判別模塊使用參數(shù)配置中選定的分類器對前面提取的
特征F進行分類。將特征F輸入分類器，分類器輸出特征F對頻率 fi(i^，…，n)的顯著度Si(i=l，'"，n)，它的意義是F由fi所激發(fā)的可能性大 小。取最大值max一S-max(Si》，對應的頻率為fmaxj。將max一S與激 發(fā)閾值thd—S比較。若max—S<thd—S，表明F不由任何fi所激發(fā)，此時 服務標志屏沒有任何區(qū)域被注視；若ma、S2thcLS，則判斷為F由fmax—i 所激發(fā)，即第max一i塊區(qū)域被注視。 7)特征提取和模式判別模塊向接口與控制模塊發(fā)送分類器的判斷結果 decision。若F不由任何fi所激發(fā)，則decision為0;若F由fmax—i所 激發(fā)，則decision為區(qū)域標號max—i。圖5是呼叫分機5上運行的腦電處理與分析軟件的接口與控制模塊流程 圖。模塊內部設置的三個變量的意義為service:記錄當前判別結果的服務狀態(tài)變量 timer:記錄持續(xù)呼叫時間的計時器 thd—T:表示呼叫持續(xù)時間上限的時間閾值 此模塊的流程如下1) 從特征提取和模式判別模塊接收到判別結果decision。2) 判斷decision是否為零。若是，將service清零，timer如果已啟動則停 止，退出模塊。3) 若decision不為零，也即decision為服務標志屏某個區(qū)域的標號max—i， 判斷變量service是否為零。若是，置service為max—i， timer開始啟動 計時，退出模塊。4) 若service不為零，判斷service禾口 max一i是否相等。若否，置service為
max—i，同時timer重新啟動計時，退出模塊。
5) 若service和max—i相等，timer累加計時。6) 判斷是否timer〉thd—T。若是，通過總線向呼叫主機發(fā)送信息(呼叫時間、 呼叫病房號、床位、需要的服務等)，并發(fā)出聲音提示患者呼叫已經成 功；將service清零，停止timer。退出模塊。
在上述各模塊運行過程中間，可視化模塊根據(jù)參數(shù)設置中設定的顯示內 容實時在呼叫分機5的屏幕上顯示出相應的內容。
權利要求
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(lián)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(shù)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(shù)據(jù)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(tài)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(xù)循環(huán)顯示的數(shù)據(jù)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(jù)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(qū)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(qū)域都以標志和背景切換的方式循環(huán)顯示； 視頻文件每幀圖像由n個區(qū)域的圖像并排組合而成，每個區(qū)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(qū)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(qū)域都顯示標志圖片，則后面每幀圖像中每個區(qū)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 15Hz， Z和d的取值由下述條件確定當Z取某個整數(shù) 值，d取n個不同的整數(shù)值dbdi，...，dj寸，由f-Z/d得到n個不同的期望顯示 頻率應該滿足6Smina;hmaxaK15，且各fi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(fā)送阻抗檢測指令； 2) 從呼叫分機(5) USB接口讀取數(shù)據(jù)，此時的數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)字化的原始腦電信號，進行數(shù)據(jù)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(fā)送腦電采集模式控制指令，開始腦電數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)； 3) 進行數(shù)據(jù)解析，即按照采樣頻率、數(shù)據(jù)長度、電極個數(shù)把連續(xù)采集到的 數(shù)據(jù)按電極進行分離，存放到內存中； 4) 把解析后的數(shù)據(jù)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(qū)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(qū)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(qū) 域發(fā)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(fā) 送零，如果注視，就發(fā)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(shù)據(jù)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(qū)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(qū)域的視頻文 件，設其對應期望顯示頻率分別為fb f2, ...,fn，對應fi(i-l,...，n)處的頻 譜幅值為Pi，則提取出的n維特征向量為F=[P,， P2，...， Pn]。 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fi(i=l,...,n) 的顯著度Si(i-l,...,n)，它的意義是F由fi所激發(fā)的可能性大??；取最大 值max—S=max{Si}，對應的頻率為fmaxJ;將max一S與激發(fā)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fi所激發(fā)，此時服務標志屏(l)沒有任何區(qū)域被注視；若max—SMhd_S， 則判斷為F由fmax—i所激發(fā)，即第max一i塊區(qū)域被注視； 3) 向接口與控制模塊發(fā)送分類器的判別結果decision,若F不由任何fl所 激發(fā)，則decision為0;若F由fmax i所激發(fā)，則decision為區(qū)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(fā)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(xù)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(qū)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(tài)變量 service不為零，貝U比較service與max—i，若sen;/ce-rnax—/，貝U置service 為max—i，同時timer重新啟動計時；若wm'ce == max_/ ，則timer繼續(xù)計 時，并與表示呼叫持續(xù)時間上限的時間閾值thd—T進行比較，thd—T為 2s 5s，若"m^〉^^r，則通過總線(8)向呼叫主機發(fā)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(fā)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(jù)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(jù)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(tài)、向 呼叫主機發(fā)送信息的情況、發(fā)送成功后的文字提示。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于腦電信息檢波的呼叫裝置，目的是為病房呼叫系統(tǒng)提供一種基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位檢波的呼叫裝置代替按鍵式呼叫器。它由服務標志屏、腦電采集器、腦電放大器、A/D轉換器、呼叫分機組成。服務標志屏為LED顯示屏，腦電采集器由3～5個主動電極組成，固定于患者后腦枕葉位置的頭皮，與腦電放大器相連；腦電放大器對多導聯(lián)腦電信號進行放大后送入A/D轉換器；A/D轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號傳入呼叫分機；呼叫分機上安裝有LED顯示控制軟件和腦電處理與分析軟件；LED顯示控制軟件對服務標志屏的顯示進行控制；腦電處理與分析軟件對腦電數(shù)據(jù)進行實時處理與分析，將呼叫信息傳送給呼叫主機。采用本發(fā)明可用無接觸、非動作式的注視操作代替按鍵式操作。
文檔編號G08B25/00GK101159086SQ20071003619
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月22日 優(yōu)先權日2007年11月22日
發(fā)明者楊 劉, 周宗潭, 岳敬偉, 胡德文 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學