【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光场调控、脑机接口，主要涉及一种通过脑电芯片实现意念直接控制微粒的方法，特别地涉及一种脑电波控制的光镊系统及其控制方法。
技术介绍
1、目前，人们已经可以通过脑机接口（brain-computer interface， bci）技术，控制机械装置（轮椅、机械手等）。然而，由于外部设备的影响，脑机接口的应用场景和应用对象都受到了一定的限制。例如，利用bci设备将人脑意念映射到电磁全息中，该实验必须在微波暗室中进行，否则将会受到较大的干扰导致实验失败，这极大的限制了bci的应用场景。目前为止，bci设备一般是控制机械器件对物体进行操作，极易对物体造成损伤。而且，bci系统的应用对象几乎都是宏观物体，其在微观尺度的应用基本是一片空白。另一方面，光镊是以光形成的一种特殊的无损伤操作工具，宏观上与机械镊子相比不存在局部受压点，不会产生机械损伤。然而，目前的光镊系统多数是手动操控，面对突发情况比较被动，容易让微粒脱离控制。
2、本专利技术首次提出将bci设备和光镊相结合，生成一种脑电波控制的光镊系统，实现操作者远程意念操控微粒运动。与传统的光镊相比，操作者可以直接意念操控微粒，节省手动操作时间，能更加快捷的应对各种突发情况。同时，该系统利用激光代替传统的机械器件，不存在局部受压点，不会对应用物体产生机械损伤。并且，操作者将可以借助bci设备，用意念控制激光越过透明屏障，穿过封闭系统的表层(如细胞膜)，操控其内部微粒(如细胞器等)，也可以透过封闭的样品室的外壁，操控室内微粒，实现真正的无菌操作。通过该系统，脑机接口的
3、本申请是光学调控技术和bci技术的交叉应用，首次将bci 设备与光镊相结合，实现脑电波控制的光镊系统。主要涉及以下两个技术背景：
4、1.光镊是以光形成的一种特殊的无损伤操作工具，宏观上与机械镊子相比不存在局部受压点，不会产生机械损伤。此外，光镊还可以无阻挡越过透明屏障，穿过封闭系统的表层(如细胞膜)，操控其内部微粒(如细胞器等)，也可以透过封闭的样品室的外壁，操控室内微粒，实现真正的无菌操作。具有轨道角动量的涡旋光束在光镊捕获方面有其独特的优势，它作用在球形微粒上时会产生光学力，例如梯度力和散射力。在具有梯度的光场中，微粒会受到光强梯度力的作用而向光阱中心运动。当具有轨道角动量的涡旋光被微粒吸收，其所携带的动量就会传递给微粒，对微粒施加前向散射力，使微粒绕涡旋光阱的中心旋转。值得一提的是，改变涡旋光的拓扑荷符号，微球的旋转方向也会改变，拓扑荷为正时微球逆时针旋转，拓扑荷为负时微球顺时针旋转。并且，光镊操控微粒的尺度在几十纳米到几十微米，在活体生物研究领域，目前是该尺度范围唯一的操作工具。因此，我们可以借助光镊中的涡旋光阱来操纵微粒或生物细胞。
5、2.bci技术是在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与计算机或其他电子设备之间建立的不依赖于常规大脑信息输出通路(外周神经和肌肉组织)的一种全新通讯和控制技术。其中，脑电图(eeg)信号因其成本低、无创、技术难度相对较低等优点，在脑机接口系统众多脑信号中占有较为重要的地位。脑电图信号可以通过附着在头皮上的干电极无创收集，并具有多种脑电图模式。收集到的eeg信号可以使用bci设备精确解码为外部机器的相应控制命令，实现人脑与机器之间的深度交互。
6、基于eeg信号的脑机应用主要实现过程：干电极可以测量大量皮层神经元自发或持续的电活动，然后脑波芯片将eeg信号记录、预处理，并传输给计算机，由计算机解码，捕捉脑机接口的指令。eeg信号的变化被用作受试者与计算机的通信或控制指令，如超表面、语音神经假体或机械臂。这些脑电图信号可以通过计算机的精确解码转换为对外部设备的相应控制命令，从而实现人脑与机器的深度交互，完成意念控制。
7、3.本申请是光学操纵和bci技术的首次交叉应用，只在其他领域存在一些相似的技术方案，例如通过脑电波远程控制超表面。它由传感器、控制器和执行器三部分组成。传感器是指脑电波模块，它可以根据大脑意念专注程度的不同输出不同幅值的电信号，并通过蓝牙将其传输给控制器。该控制器由微程序控制单元和输出端组成。控制器接收来自传感器的脑电波信号，然后将注意力信号输入执行器。此信号根据专注度的高低分为四个不同的区间，并以四个阈值为特征。控制器输出引脚与执行器连接，输出电压高低对应编码1/0序列。执行器是一个带有pin二极管嵌入其元原子的超表面。二极管在开关状态下将对应不同的编码状态，控制器输出的电压序列表示在超表面上的不同编码序列，从而实现对电磁波的散射调控。利用这种方式，完成直接通过人脑的实时反应来操纵电磁波。
技术实现思路
1、针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种脑电波控制的光镊系统，包括脑电波采集模块、空间光调制器模块和激光器模块；
2、脑电波采集模块实时采集脑电波信号并通过内置算法对其进行预处理，然后传输到计算机；
3、空间光调制器模块根据计算机指令加载相应的灰度相位图，使基模光转化为具有不同螺旋相位波前的涡旋光，建立起注意力值和涡旋光的映射关系；
4、激光器模块包括激光器、反射镜、透镜、半波片、物镜、二向色镜、滤光片；激光器发出的基模高斯光通过反射镜改变激光路径，然后经过透镜扩大，扩束后的基模高斯光通过半波片调节到最佳光强比之后投射到空间光调制器，空间光调制器已经由计算机控制并加载上了灰度相位图，基模高斯光经空间光调制器调制后生成涡旋光束；涡旋光束聚焦后由激光反射镜dm耦合到物镜中；经过物镜聚焦以后，涡旋光在载玻片的后焦面上形成环状涡旋光阱。
5、在一种实施方式中，脑电波采集模块通过干电极收集eeg信号，利用tgam芯片的内置算法对信号做预处理，并通过蓝牙传输到计算机进行处理；其中，tgam芯片的采样时间设置为1秒，蓝牙传输的波特率设置为57600bit/s。
6、在一种实施方式中，纯相位空间光调制器通过加载涡旋光的相位图，将基模高斯光调制成相应拓扑荷的涡旋光；空间光调制器的图像帧率最大为60hz，通过快速切换slm上的灰度相位图，来实时改变生成涡旋光的拓扑荷正负和大小，进而控制微粒的旋转方向和旋转角速度。
7、在一种实施方式中，激光器为532nm高稳定性连续绿色激光器，产生的光束直径约为2mm，光束质量因子小于等于1.5，输出功率小于等于2.5w。
8、本申请还涉及一种光镊系统控制方法，包括以下步骤：
9、s1、脑电波采集模块实时采集脑电波信号并通过内置算法对其进行预处理，然后传输到计算机；
10、s2、计算机接收到信号后，通过程序处理并输出控制指令；
11、s3、空间光调制器加载相应的灰度相位图，使基模光转化为具有不同螺旋相位波前的涡旋光，建立起注意力值和涡旋光的映射关系；
12、s4、当样本溶液中的涡旋光拓扑荷改变时，微粒的旋转方向本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种脑电波控制的光镊系统，其特征在于，包括脑电波采集模块、空间光调制器模块和激光器模块；
2.根据权利要求1所述的脑电波控制的光镊系统，其特征在于，脑电波采集模块通过干电极收集EEG信号，利用TGAM芯片的内置算法对信号做预处理，并通过蓝牙传输到计算机进行处理；其中，TGAM芯片的采样时间设置为1秒，蓝牙传输的波特率设置为57600bit/s。
3.根据权利要求1所述的脑电波控制的光镊系统，其特征在于，纯相位空间光调制器通过加载涡旋光的相位图，将基模高斯光调制成相应拓扑荷的涡旋光；空间光调制器的图像帧率最大为60Hz，通过快速切换SLM上的灰度相位图，来实时改变生成涡旋光的拓扑荷正负和大小，进而控制微粒的旋转方向和旋转角速度。
4.根据权利要求1所述的脑电波控制的光镊系统，其特征在于，激光器为532nm高稳定性连续绿色激光器，产生的光束直径约为2mm，光束质量因子小于等于1.5，输出功率小于等于2.5W。
5.一种光镊系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的光镊系统控制方法，其特征在于，步骤
7.根据权利要求6所述的光镊系统控制方法，其特征在于，步骤S3还包括：
...【技术特征摘要】
1.一种脑电波控制的光镊系统，其特征在于，包括脑电波采集模块、空间光调制器模块和激光器模块；
2.根据权利要求1所述的脑电波控制的光镊系统，其特征在于，脑电波采集模块通过干电极收集eeg信号，利用tgam芯片的内置算法对信号做预处理，并通过蓝牙传输到计算机进行处理；其中，tgam芯片的采样时间设置为1秒，蓝牙传输的波特率设置为57600bit/s。
3.根据权利要求1所述的脑电波控制的光镊系统，其特征在于，纯相位空间光调制器通过加载涡旋光的相位图，将基模高斯光调制成相应拓扑荷的涡旋光；空间光调制器的图像帧率最大为60h...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨元杰，彭璐，张庆，曾炯超，姚骏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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