基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、脑机接口穿戴设备及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供了基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、脑机接口穿戴设备及其控制方法包括，处理器，用以控制整个脑机接口系统；光源模块，光电传感器，跨阻放大器，模数转换器，第一高度比较器，第二高速比较器。本发明专利技术将直接测量飞行时间技术(DToF)应用到功能近红外脑机接口领域。通过直接测量入射超短脉冲近红外光线和出射超短脉冲近红外光线之间的时间差，来计算出近红外光在大脑中经过的距离，这种方案不仅可以测量出大脑中脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白浓度的绝对值，还可以直接测量出大脑血氧变化所处的位置。

【技术实现步骤摘要】
基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、脑机接口穿戴设备及其控制方法
本专利技术属于人工智能
，尤其涉及一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、脑机接口穿戴设备及其控制方法。
技术介绍
大脑的思维活动会引起脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化，会引发600nm到900nm近红外光在大脑皮层的能量传输损耗发生变化。通过近红外光谱技术可实时检测大脑皮层的血氧值进而反推出大脑的思维活动从而控制外部设备，最终实现人工智能，实现人和机器的高度融合。目前，通过功能近红外技术实现脑机接口的方案主要有三种,分别是连续波法、频域法和时域法。传统的连续波功能近红外脑机接口技术的缺点是精度低、只能测量血氧变化的相对值，也无法测量到相位信息。频域法功能近红外脑机接口技术需要将信号调制到高频波段，因此设备体积大、成本高、很难做成可穿戴产品，限制了应用范围。时域法功能近红外脑机接口技术需要产生纳秒甚至皮秒的脉冲波，对半导体器件尤其是光传感器要求极高，目前该技术的成本也是最高的。面对现有技术中的诸多缺陷，需要设计出一种脑机接口系统以及实现方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、脑机接口穿戴设备及其控制方法。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，包括，处理器，用以控制整个脑机接口系统；光源模块，用以发射入射光；光电传感器，用以接收反射光，并将光信号转换为电信号；r>跨阻放大器，用以将光电传感器转换输出的电信号转换成可处理的电压信号；模数转换器，用以对接收到的电压信号进行模数采样，并记录幅度大小；第一高度比较器，用以记录光源模块发光的时刻，作为时间测量的起始时刻；第二高速比较器，用以记录接收到反射光的时刻，作为时间测量的结束时刻。作为本专利技术的进一步改进，所述光源模块发射出的为600nm-900nm的皮秒量级超短脉冲近红外光。作为本专利技术的进一步改进，所述处理器采用FPGA处理器，所述处理器上集成有时间数字转换器，用以将起始时刻和结束时刻的时间差ΔT转换为数字量。作为本专利技术的进一步改进，所述脑机接口系统还包括高速MOSFET管，通过FPGA处理器的控制来产生皮秒量级的脉冲信号，并以此来驱动光源模块发光。作为本专利技术的进一步改进，所述光电传感器为SPAD单光子雪崩光电二极管或CCD探测器。作为本专利技术的进一步改进，所述跨阻放大器和模数转化器之间还设置有射频放大器，用以将经过跨阻放大器放大之后的电压信号进一步放大。本专利技术还提供了一种脑机接口穿戴设备，包括所述基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、外部受控设备以及配套设置于两者之上的无线通信模块。本专利技术还提供了一种脑机接口穿戴设备的控制方法，包括以下步骤，光源模块向大脑皮层发射600nm-900nm的近红外光线，其中入射近红外光线为皮秒量级的超短光脉冲，第一高速比较器将光源模块发光时刻记录为起始时刻；入射近红外光线到达人脑的不同深度位置之后发生散射，变为包含了大脑组织光学特性信息的出射近红外光线，此时出射近红外光线的信号类型为皮秒量级的超短光脉冲；光电传感器将出射的近红外光线接收并转换成电信号，然后对电信号进行放大处理，第二高速比较器将接收到出射光时刻记录为结束时刻，起始时刻和结束时刻的时间差记录为ΔT；处理器将时间差转换成数字量，然后计算出近红外光线在大脑中经过的距离，并获取出射近红外光的时间点扩散函数，进而进行逆向求解，计算出大脑组织的散射系数、吸收系数，以此判断大脑的思维活动情况，通过无线通信模块发送控制指令，以完成对于外部受控设备的控制。作为本专利技术的进一步改进，所述时间点扩散函数的计算方法方法包括以下步骤，先通过直接测量飞行时间技术计算出出射光在大脑中经过的距离ρ，然后建立数学模型，其中μs为散射系数，μa为吸收系数，ls为光在介质中传播时散射长度，la为光在介质中传播时吸收长度；μs′＝(1-g)μs(2)其中μs′为优化散射系数，g为各向异性因子；其公式如(3)所示：Φ(r,t)为单位体积内的光通量，S(r,t)为单位体积内的光源产生的光通量，D为扩散系数，ν为光在介质中的传播速度；注入一个δ型近红外激光脉冲，方程(3)的解是：其中，R(ρ,t)是在距离ρ处的时间点扩散函数，B(μs′,t)是取决于优化散射系数μs′和边界条件的项。作为本专利技术的进一步改进，通过理论模型拟合实验数据计算发色团浓度的绝对值来计算吸收系数的绝对值。与现有技术相比，本专利技术具备以下有益效果：本专利技术将直接测量飞行时间技术(DToF)应用到功能近红外脑机接口领域。通过直接测量入射超短脉冲近红外光线和出射超短脉冲近红外光线之间的时间差，来计算出近红外光在大脑中经过的距离，这种方案不仅可以测量出大脑中脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白浓度的绝对值变化，还可以直接测量出大脑血氧变化所处的位置。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统模块示意图；图2是本专利技术一种脑机接口穿戴设备应用示意图；图3是本专利技术一种脑机接口穿戴设备另一应用示意图。具体实施方式以下将结合附图所示的各实施方式对本专利技术进行详细描述。但该等实施方式并不限制本专利技术，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本专利技术的保护范围内。实施方式一本实施方式提供了一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，包括，处理器，用以控制整个脑机接口系统；光源模块，用以发射入射光；光电传感器，用以接收反射光，并将光信号转换为电信号；跨阻放大器，用以将光电传感器转换输出的电信号转换成可处理的电压信号；模数转换器，用以对接收到的电压信号进行模数采样，并记录幅度大小；第一高度比较器，用以记录光源模块发光的时刻，作为时间测量的起始时刻；第二高速比较器，用以记录接收到反射光的时刻，作为时间测量的结束时刻。在本实施方式中，光源模块发射出的为600nm-900nm的皮秒量级超短脉冲近红外光，所述处理器采用FPGA处理器，所述处理器上集成有时间数字转换器，用以将起始时刻和结束时刻的时间差ΔT转换为数字量，所述脑机接口系统还包括高速MOSFET管，通过FPGA处理器的控制来产生皮秒量级的脉冲信号，并以此来驱动光源模块发光，所述光电传感器为SPAD单光子雪崩光电二极管或CCD探本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：包括，/n处理器，用以控制整个脑机接口系统；/n光源模块，用以发射入射光；/n光电传感器，用以接收反射光，并将光信号转换为电信号；/n跨阻放大器，用以将光电传感器转换输出的电信号转换成可处理的电压信号；/n模数转换器，用以对接收到的电压信号进行模数采样，并记录幅度大小；/n第一高度比较器，用以记录光源模块发光的时刻，作为时间测量的起始时刻；/n第二高速比较器，用以记录接收到反射光的时刻，作为时间测量的结束时刻。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：包括，
处理器，用以控制整个脑机接口系统；
光源模块，用以发射入射光；
光电传感器，用以接收反射光，并将光信号转换为电信号；
跨阻放大器，用以将光电传感器转换输出的电信号转换成可处理的电压信号；
模数转换器，用以对接收到的电压信号进行模数采样，并记录幅度大小；
第一高度比较器，用以记录光源模块发光的时刻，作为时间测量的起始时刻；
第二高速比较器，用以记录接收到反射光的时刻，作为时间测量的结束时刻。


2.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述光源模块发射出的为600nm-900nm的皮秒量级超短脉冲近红外光。


3.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述处理器采用FPGA处理器，所述处理器上集成有时间数字转换器，用以将起始时刻和结束时刻的时间差ΔT转换为数字量。


4.根据权利要求3所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述脑机接口系统还包括高速MOSFET管，通过FPGA处理器的控制来产生皮秒量级的脉冲信号，并以此来驱动光源模块发光。


5.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述光电传感器为SPAD单光子雪崩光电二极管或CCD探测器。


6.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统，其特征在于：所述跨阻放大器和模数转化器之间还设置有射频放大器，用以将经过跨阻放大器放大之后的电压信号进一步放大。


7.一种脑机接口穿戴设备，其特征在于：包括如权利要求1-6中所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、外部受控设备以及配套设置于两者之上的无线通信模块。


8.一种如权利要求7所述的脑机接口穿戴设备的控制方法，其特征在于：包括以下...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刘杰，程传同，陈弘达，黄北举，丁可，黄海鹏，
申请(专利权)人：江苏集萃脑机融合智能技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32