人體表皮電信號無(wú)線(xiàn)采集及其應用探索

1 引言

活的細胞、組織或器官興奮時(shí)，不論其外部表現如何不同，都伴隨著(zhù)有電的變化，這也是人體電信號產(chǎn)生的原因。這些電信號可以通過(guò)儀器記錄下來(lái)并進(jìn)行分析，可以獲得重要的信息。到目前為止，腦電、心電等都已經(jīng)廣泛地應用與醫學(xué)和科研中。同樣，在眼球運動(dòng)的過(guò)程中，會(huì )產(chǎn)生可測量的電位變化，稱(chēng)為眼電 (electro-oculogram，簡(jiǎn)稱(chēng)EOG)。對眼電信號進(jìn)行放大濾波并進(jìn)行分析，可以得到眼球運動(dòng)的軌跡。利用這一原理，就可以利用眼球的運動(dòng)對計算機界面直接進(jìn)行操作，實(shí)現人腦和計算機的交互。在此，我們設計了一套利用EOG信號實(shí)現對計算機的實(shí)時(shí)控制系統，對EOG信號進(jìn)行放大和消躁處理后，對其中的眼動(dòng)軌跡相關(guān)信息進(jìn)行抽提和分析，用以對計算機進(jìn)行控制。這一系統代替了傳統的鼠標等外接設備進(jìn)行人機交互的方式，有著(zhù)很強的新穎性。

2 工作原理

在臨床中，眼電（electro -oculogram，EOG）記錄是應用最為廣泛的一種技術(shù)。而近幾年來(lái)，在腦機界面（BCI，Brian computer interface）研究領(lǐng)域中，EOG由于其成本低廉，信號穩定，實(shí)用性強以及非侵入性而越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。接下來(lái)介紹一下系統的原理：

眼球運動(dòng)：人類(lèi)視覺(jué)系統的最前端，就是人的眼球。人的眼球是一個(gè)結構復雜，設計巧妙的光學(xué)成像系統。如圖1 所示。外界的圖像通過(guò)角膜，虹膜，晶狀體，玻璃體等一系列結構的反復折射，最終在視網(wǎng)膜上形成縮小、倒立的影像。眼部運動(dòng)的目的是讓物體的影像落在視網(wǎng)膜成像最清晰的區域。這意味這眼球要能夠任意調整位置，對準目標物。眼球的運動(dòng)是由6組肌肉控制的，這6組肌肉受到第三，第四和第六腦神經(jīng)的支配。這些肌肉成對配合，分別控制水平，垂直以及環(huán)行移動(dòng)。結構如圖2。

眼球運動(dòng)可以分為下面幾種類(lèi)型：

1. 掃視（Saccadic）： 快速的眼球運動(dòng)，將視覺(jué)的焦點(diǎn)從一點(diǎn)馬上移到另外一點(diǎn)。

2. 平滑移動(dòng)（Smooth Pursuit）：眼球隨著(zhù)位置緩慢變化的物體平滑地移動(dòng)

3. 補償移動(dòng)（Compensatory movements）：為了使得頭部以及身體移動(dòng)過(guò)程中視覺(jué)焦點(diǎn)相對固定而進(jìn)行的無(wú)意識的補償運動(dòng)。

4. 趨異運動(dòng)（Vergence）：兩只眼球為了保持立體視覺(jué)而產(chǎn)生的移動(dòng)。

圖1：眼球結構圖

圖2：眼部6組肌肉的示意圖

EOG 信號的產(chǎn)生：眼球前部的角膜在電學(xué)特性上是正性的，而視網(wǎng)膜是負性的。根據這一特點(diǎn)，我們可以把眼球看作一個(gè)雙極子。當將電極放置于皮膚上的時(shí)候，眼球這一雙極子因為運動(dòng)而造成的電位變化就可以被測量出來(lái)。如果被試向前方直視，我們可以記錄到一條穩定的基線(xiàn)。當眼球移動(dòng)的時(shí)候，電位的變化和眼球移動(dòng)的方向以及角度成線(xiàn)性關(guān)系變化。EOG可以用來(lái)監測距離中央點(diǎn)70度以?xún)妊矍虻囊苿?dòng)，精確度可以達到2度。圖3當眼球分別向右移動(dòng)30度和向左移動(dòng)15度時(shí)其電位的變化。

圖3：EOG信號變化圖

EOG 的測量方法：為了測量眼球的電位，要將電極放置在眼睛周?chē)钠つw上。為了降低偏移以及獲得合適的電阻，在放置電極之前需要用對皮膚進(jìn)行清潔。然后，根據不同方向的測量，將帶有導電膏的Ag－Agcl皮膚電極貼上。為了測量水平方向上的運動(dòng)，通常將電極分別放置在眼球的左右兩側的皮膚上，而豎直方向的運動(dòng)則是通過(guò)將電極放置在眼球上下兩側。前額上放置一枚電極作為Ground。如圖4所示。

圖 4：EOG電極放置示意圖

EOG 信號具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：首先，EOG是各種生物電信號中最容易測量的。其次，其信號幅度較強（15～200uv），而且在頭部位置相對固定的情況下，其干擾也很小。同時(shí)，由于其有用信號與各種噪音的頻率分布相差較遠，可通過(guò)簡(jiǎn)單的濾波方法將噪音消除。最后，信號和眼球運動(dòng)呈線(xiàn)性關(guān)系，易于分析。

3 系統設計及實(shí)現

整個(gè)系統分成兩個(gè)部分，數據采集端（簡(jiǎn)稱(chēng)采集端）和數據接收模塊（簡(jiǎn)稱(chēng)接收端），兩個(gè)模塊之間通過(guò)義統27M無(wú)線(xiàn)通訊模塊進(jìn)行連接和通訊。采集端用于采集人體EOG信號和加速傳感器信號，并進(jìn)行處理和計算，將數據打包發(fā)送給接收端，接收端則負責和PC進(jìn)行交互，將數據轉換成為PC可以識別的鼠標指令，通過(guò)串口傳給PC，以完成對PC的控制。系統的整體結構如圖5所示。

圖5：系統整體框圖

系統有兩種工作狀態(tài)，通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的按鍵控制選擇。一種狀態(tài)是正常工作狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，鼠標的上下左右由眼睛控制，頭部向左側偏轉一下代表一次左擊，向右側偏轉一下代表由擊，頭部向左側偏轉并停留一段時(shí)間代表雙擊。另外一種狀態(tài)是輔助調節狀態(tài)，這種狀態(tài)下除了包括正常工作狀態(tài)下的功能之外，還打開(kāi)了另外一個(gè)加速傳感器模塊，這個(gè)時(shí)候這個(gè)加速傳感器模塊的前后左右運動(dòng)同樣可以對鼠標進(jìn)行控制。

采集端使用周立功公司的arm2131開(kāi)發(fā)板來(lái)實(shí)現，自行設計了外圍的接口電路和各個(gè)采集模塊。數據采集端主要實(shí)現的功能包括：加速傳感器數據采集，EOG信號采集和無(wú)線(xiàn)傳輸。采集端的外觀(guān)圖如圖6所示。

圖6：數據采集端外觀(guān)圖

EOG電路用于實(shí)現眼電信號的采集。該電路共分三級放大，最后加上一級電位調節：第一級放大電路放在倍數為3倍。其中的三個(gè)電阻取值相等。第二級放大電路為差分放大電路?？蓪奢斎胄盘柌罘址糯?，這個(gè)倍數取決于我們所加的電阻值。第三級放大電路為可調放大電路。在第二級和第三級中間增加了一個(gè)二階有源底通濾波器，慮除不需要的高頻信號和噪聲。集成運放的芯片選用的TI公司的tlv2264芯片。模塊的原理圖如圖7所示。

圖7：EOG模塊電路原理圖

加速傳感器模塊中使用的芯片是Freescale公司的MMA7260Q。該芯片可以測量水平兩個(gè)方向和垂直方向的加速度，具有較高的精確度和響應速度。模塊的原理圖如圖8所示。

圖8：加速模塊電路原理圖

無(wú)線(xiàn)通訊模塊我們使用了義統的27M無(wú)線(xiàn)通訊模塊進(jìn)行連接。數據包的格式如圖9所示，首先需要連續的發(fā)送10次hi/lo當做前導波形，該前導波用于調整無(wú)線(xiàn)模塊的狀態(tài)，接著(zhù)發(fā)送起始波形Start 600 uS Hi / 600 uS LO / 600 uS Hi / 400 uS LO，最后是數據，hi / lo 都 200uS。數據區每四個(gè)字節進(jìn)行一下LoHi的同步，保證無(wú)線(xiàn)傳輸的可靠同步。

圖9 無(wú)線(xiàn)通訊數據包

采集端最終的pcb版圖如圖10所示。包括一個(gè)電源電路模塊、一個(gè)接口電路模塊，兩個(gè)加速度傳感器電路模塊和一個(gè)EOG電路模塊。

圖10 采集端pcb版圖

在軟件設計方面，采集端和接收端均采用多任務(wù)設計，在uCOS操作系統上完成開(kāi)發(fā)。采集端共包括三個(gè)進(jìn)程：主進(jìn)程，負責檢測鍵輸入和切換狀態(tài)，并控制指示燈顯示；加速傳感器監控進(jìn)程，負責檢測兩個(gè)加速傳感器模塊的輸入變換；EOG輸入檢測進(jìn)程，負責檢測EOG模塊的輸入信號。接收端則負責完成串口的初始化，在PC端執行硬件刷新時(shí)將自己識別成鼠標設備，并負責將接收到的控制數據按照串口鼠標的數據格式打包，通過(guò)串口發(fā)送給PC，從而對PC進(jìn)行控制。

4 小結

本系統是以EOG為理論基礎，使用信號采集電路對眼睛周?chē)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/表皮">表皮電信號進(jìn)行采集，是對EOG理論的探索和實(shí)踐，有很強的新穎性，在醫學(xué)領(lǐng)域、家庭應用領(lǐng)域、甚至在工業(yè)和軍事領(lǐng)域都有著(zhù)潛在的應用價(jià)值。當然，系統還有很多需要改進(jìn)的地方，例如在信號精度、去噪設計、穩定性和適應性設計、易用性方面還有很多改進(jìn)的空間。

參考文獻：

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