人體表皮電信號(hào)無線采集及其應(yīng)用探索
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集，信號(hào)處理，EOG，眼控鼠標(biāo)
1 引言
活的細(xì)胞、組織或器官興奮時(shí)，不論其外部表現(xiàn)如何不同，都伴隨著有電的變化，這也是人體電信號(hào)產(chǎn)生的原因。這些電信號(hào)可以通過儀器記錄下來并進(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(yīng)用與醫(yī)學(xué)和科研中。同樣，在眼球運(yùn)動(dòng)的過程中，會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電位變化，稱為眼電 (electro-oculogram，簡(jiǎn)稱EOG)。對(duì)眼電信號(hào)進(jìn)行放大濾波并進(jìn)行分析，可以得到眼球運(yùn)動(dòng)的軌跡。利用這一原理，就可以利用眼球的運(yùn)動(dòng)對(duì)計(jì)算機(jī)界面直接進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)人腦和計(jì)算機(jī)的交互。在此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套利用EOG信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，對(duì)EOG信號(hào)進(jìn)行放大和消躁處理后，對(duì)其中的眼動(dòng)軌跡相關(guān)信息進(jìn)行抽提和分析，用以對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。這一系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的鼠標(biāo)等外接設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互的方式，有著很強(qiáng)的新穎性。
2 工作原理
在臨床中，眼電（electro -oculogram，EOG）記錄是應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)。而近幾年來，在腦機(jī)界面（BCI，Brian computer interface）研究領(lǐng)域中，EOG由于其成本低廉，信號(hào)穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)以及非侵入性而越來越受到廣泛關(guān)注。接下來介紹一下系統(tǒng)的原理：
眼球運(yùn)動(dòng)：人類視覺系統(tǒng)的最前端，就是人的眼球。人的眼球是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)巧妙的光學(xué)成像系統(tǒng)。如圖1 所示。外界的圖像通過角膜，虹膜，晶狀體，玻璃體等一系列結(jié)構(gòu)的反復(fù)折射，最終在視網(wǎng)膜上形成縮小、倒立的影像。眼部運(yùn)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(qū)域。這意味這眼球要能夠任意調(diào)整位置，對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)物。眼球的運(yùn)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(duì)配合，分別控制水平，垂直以及環(huán)行移動(dòng)。結(jié)構(gòu)如圖2。
眼球運(yùn)動(dòng)可以分為下面幾種類型：
1. 掃視（Saccadic）： 快速的眼球運(yùn)動(dòng)，將視覺的焦點(diǎn)從一點(diǎn)馬上移到另外一點(diǎn)。
2. 平滑移動(dòng)（Smooth Pursuit）：眼球隨著位置緩慢變化的物體平滑地移動(dòng)
3. 補(bǔ)償移動(dòng)（Compensatory movements）：為了使得頭部以及身體移動(dòng)過程中視覺焦點(diǎn)相對(duì)固定而進(jìn)行的無意識(shí)的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。
4. 趨異運(yùn)動(dòng)（Vergence）：兩只眼球?yàn)榱吮３至Ⅲw視覺而產(chǎn)生的移動(dòng)。
圖1：眼球結(jié)構(gòu)圖
圖2：眼部6組肌肉的示意圖
EOG 信號(hào)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(fù)性的。根據(jù)這一特點(diǎn)，我們可以把眼球看作一個(gè)雙極子。當(dāng)將電極放置于皮膚上的時(shí)候，眼球這一雙極子因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而造成的電位變化就可以被測(cè)量出來。如果被試向前方直視，我們可以記錄到一條穩(wěn)定的基線。當(dāng)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性關(guān)系變化。EOG可以用來監(jiān)測(cè)距離中央點(diǎn)70度以內(nèi)眼球的移動(dòng)，精確度可以達(dá)到2度。圖3當(dāng)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(hào)變化圖
EOG 的測(cè)量方法：為了測(cè)量眼球的電位，要將電極放置在眼睛周圍的皮膚上。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(duì)皮膚進(jìn)行清潔。然后，根據(jù)不同方向的測(cè)量，將帶有導(dǎo)電膏的Ag－Agcl皮膚電極貼上。為了測(cè)量水平方向上的運(yùn)動(dòng)，通常將電極分別放置在眼球的左右兩側(cè)的皮膚上，而豎直方向的運(yùn)動(dòng)則是通過將電極放置在眼球上下兩側(cè)。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(hào)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：首先，EOG是各種生物電信號(hào)中最容易測(cè)量的。其次，其信號(hào)幅度較強(qiáng)（15～200uv），而且在頭部位置相對(duì)固定的情況下，其干擾也很小。同時(shí)，由于其有用信號(hào)與各種噪音的頻率分布相差較遠(yuǎn)，可通過簡(jiǎn)單的濾波方法將噪音消除。最后，信號(hào)和眼球運(yùn)動(dòng)呈線性關(guān)系，易于分析。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
整個(gè)系統(tǒng)分成兩個(gè)部分，數(shù)據(jù)采集端（簡(jiǎn)稱采集端）和數(shù)據(jù)接收模塊（簡(jiǎn)稱接收端），兩個(gè)模塊之間通過義統(tǒng)27M無線通訊模塊進(jìn)行連接和通訊。采集端用于采集人體EOG信號(hào)和加速傳感器信號(hào)，并進(jìn)行處理和計(jì)算，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給接收端，接收端則負(fù)責(zé)和PC進(jìn)行交互，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為PC可以識(shí)別的鼠標(biāo)指令，通過串口傳給PC，以完成對(duì)PC的控制。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5：系統(tǒng)整體框圖
系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)，通過開發(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(biāo)的上下左右由眼睛控制，頭部向左側(cè)偏轉(zhuǎn)一下代表一次左擊，向右側(cè)偏轉(zhuǎn)一下代表由擊，頭部向左側(cè)偏轉(zhuǎn)并停留一段時(shí)間代表雙擊。另外一種狀態(tài)是輔助調(diào)節(jié)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(yùn)動(dòng)同樣可以對(duì)鼠標(biāo)進(jìn)行控制。
采集端使用周立功公司的arm2131開發(fā)板來實(shí)現(xiàn)，自行設(shè)計(jì)了外圍的接口電路和各個(gè)采集模塊。數(shù)據(jù)采集端主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：加速傳感器數(shù)據(jù)采集，EOG信號(hào)采集和無線傳輸。采集端的外觀圖如圖6所示。
圖6：數(shù)據(jù)采集端外觀圖
EOG電路用于實(shí)現(xiàn)眼電信號(hào)的采集。該電路共分三級(jí)放大，最后加上一級(jí)電位調(diào)節(jié)：第一級(jí)放大電路放在倍數(shù)為3倍。其中的三個(gè)電阻取值相等。第二級(jí)放大電路為差分放大電路?？蓪奢斎胄盘?hào)差分放大，這個(gè)倍數(shù)取決于我們所加的電阻值。第三級(jí)放大電路為可調(diào)放大電路。在第二級(jí)和第三級(jí)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(hào)和噪聲。集成運(yùn)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(cè)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(yīng)速度。模塊的原理圖如圖8所示。
圖8：加速模塊電路原理圖
無線通訊模塊我們使用了義統(tǒng)的27M無線通訊模塊進(jìn)行連接。數(shù)據(jù)包的格式如圖9所示，首先需要連續(xù)的發(fā)送10次hi/lo當(dāng)做前導(dǎo)波形，該前導(dǎo)波用于調(diào)整無線模塊的狀態(tài)，接著發(fā)送起始波形Start 600 uS Hi / 600 uS LO / 600 uS Hi / 400 uS LO，最后是數(shù)據(jù)，hi / lo 都為 200uS。數(shù)據(jù)區(qū)每四個(gè)字節(jié)進(jìn)行一下LoHi的同步，保證無線傳輸?shù)目煽客健?/P>
圖9 無線通訊數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)方面，采集端和接收端均采用多任務(wù)設(shè)計(jì)，在uCOS操作系統(tǒng)上完成開發(fā)。采集端共包括三個(gè)進(jìn)程：主進(jìn)程，負(fù)責(zé)檢測(cè)鍵輸入和切換狀態(tài)，并控制指示燈顯示；加速傳感器監(jiān)控進(jìn)程，負(fù)責(zé)檢測(cè)兩個(gè)加速傳感器模塊的輸入變換；EOG輸入檢測(cè)進(jìn)程，負(fù)責(zé)檢測(cè)EOG模塊的輸入信號(hào)。接收端則負(fù)責(zé)完成串口的初始化，在PC端執(zhí)行硬件刷新時(shí)將自己識(shí)別成鼠標(biāo)設(shè)備，并負(fù)責(zé)將接收到的控制數(shù)據(jù)按照串口鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)格式打包，通過串口發(fā)送給PC，從而對(duì)PC進(jìn)行控制。
4 小結(jié)
本系統(tǒng)是以EOG為理論基礎(chǔ)，使用信號(hào)采集電路對(duì)眼睛周圍的表皮電信號(hào)進(jìn)行采集，是對(duì)EOG理論的探索和實(shí)踐，有很強(qiáng)的新穎性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、家庭應(yīng)用領(lǐng)域、甚至在工業(yè)和軍事領(lǐng)域都有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然，系統(tǒng)還有很多需要改進(jìn)的地方，例如在信號(hào)精度、去噪設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性和適應(yīng)性設(shè)計(jì)、易用性方面還有很多改進(jìn)的空間。
參考文獻(xiàn)：
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