人體表皮電信號無線采集及其應(yīng)用探索

1 引言

活的細胞、組織或器官興奮時，不論其外部表現(xiàn)如何不同，都伴隨著有電的變化，這也是人體電信號產(chǎn)生的原因。這些電信號可以通過儀器記錄下來并進行分析，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，在眼球運動的過程中，會產(chǎn)生可測量的電位變化，稱為眼電 (electro-oculogram，簡稱EOG)。對眼電信號進行放大濾波并進行分析，可以得到眼球運動的軌跡。利用這一原理，就可以利用眼球的運動對計算機界面直接進行操作，實現(xiàn)人腦和計算機的交互。在此，我們設(shè)計了一套利用EOG信號實現(xiàn)對計算機的實時控制系統(tǒng)，對EOG信號進行放大和消躁處理后，對其中的眼動軌跡相關(guān)信息進行抽提和分析，用以對計算機進行控制。這一系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的鼠標(biāo)等外接設(shè)備進行人機交互的方式，有著很強的新穎性。

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，在腦機界面（BCI，Brian computer interface）研究領(lǐng)域中，EOG由于其成本低廉，信號穩(wěn)定，實用性強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：

眼球運動：人類視覺系統(tǒng)的最前端，就是人的眼球。人的眼球是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計巧妙的光學(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。眼部運動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，對準(zhǔn)目標(biāo)物。眼球的運動是由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。結(jié)構(gòu)如圖2。

眼球運動可以分為下面幾種類型：

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

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

3. 補償移動（Compensatory movements）：為了使得頭部以及身體移動過程中視覺焦點相對固定而進行的無意識的補償運動。

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

圖1：眼球結(jié)構(gòu)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(jù)這一特點，我們可以把眼球看作一個雙極子。當(dāng)將電極放置于皮膚上的時候，眼球這一雙極子因為運動而造成的電位變化就可以被測量出來。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)眼球移動的時候，電位的變化和眼球移動的方向以及角度成線性關(guān)系變化。EOG可以用來監(jiān)測距離中央點70度以內(nèi)眼球的移動，精確度可以達到2度。圖3當(dāng)眼球分別向右移動30度和向左移動15度時其電位的變化。

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皮膚進行清潔。然后，根據(jù)不同方向的測量，將帶有導(dǎo)電膏的Ag－Agcl皮膚電極貼上。為了測量水平方向上的運動，通常將電極分別放置在眼球的左右兩側(cè)的皮膚上，而豎直方向的運動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 信號具有以下一些優(yōu)點：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，由于其有用信號與各種噪音的頻率分布相差較遠，可通過簡單的濾波方法將噪音消除。最后，信號和眼球運動呈線性關(guān)系，易于分析。

3 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

整個系統(tǒng)分成兩個部分，數(shù)據(jù)采集端（簡稱采集端）和數(shù)據(jù)接收模塊（簡稱接收端），兩個模塊之間通過義統(tǒng)27M無線通訊模塊進行連接和通訊。采集端用于采集人體EOG信號和加速傳感器信號，并進行處理和計算，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給接收端，接收端則負責(zé)和PC進行交互，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為PC可以識別的鼠標(biāo)指令，通過串口傳給PC，以完成對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，還打開了另外一個加速傳感器模塊，這個時候這個加速傳感器模塊的前后左右運動同樣可以對鼠標(biāo)進行控制。

采集端使用周立功公司的arm2131開發(fā)板來實現(xiàn)，自行設(shè)計了外圍的接口電路和各個采集模塊。數(shù)據(jù)采集端主要實現(xiàn)的功能包括：加速傳感器數(shù)據(jù)采集，EOG信號采集和無線傳輸。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電路用于實現(xiàn)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(diào)節(jié)：第一級放大電路放在倍數(shù)為3倍。其中的三個電阻取值相等。第二級放大電路為差分放大電路?？蓪奢斎胄盘柌罘址糯螅@個倍數(shù)取決于我們所加的電阻值。第三級放大電路為可調(diào)放大電路。在第二級和第三級中間增加了一個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 200uS。數(shù)據(jù)區(qū)每四個字節(jié)進行一下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。包括一個電源電路模塊、一個接口電路模塊，兩個加速度傳感器電路模塊和一個EOG電路模塊。

圖10 采集端pcb版圖

在軟件設(shè)計方面，采集端和接收端均采用多任務(wù)設(shè)計，在uCOS操作系統(tǒng)上完成開發(fā)。采集端共包括三個進程：主進程，負責(zé)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(jiān)控進程，負責(zé)檢測兩個加速傳感器模塊的輸入變換；EOG輸入檢測進程，負責(zé)檢測EOG模塊的輸入信號。接收端則負責(zé)完成串口的初始化，在PC端執(zhí)行硬件刷新時將自己識別成鼠標(biāo)設(shè)備，并負責(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PC進行控制。

4 小結(jié)

本系統(tǒng)是以EOG為理論基礎(chǔ)，使用信號采集電路對眼睛周圍的表皮電信號進行采集，是對EOG理論的探索和實踐，有很強的新穎性，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)用價值。當(dāng)然，系統(tǒng)還有很多需要改進的地方，例如在信號精度、去噪設(shè)計、穩(wěn)定性和適應(yīng)性設(shè)計、易用性方面還有很多改進的空間。

參考文獻：

[1] Fabian, C; Fuller, M; Guo, B; Lin, X; Kavanagh, M. Development of an Electro-Oculography (EOG) Measurement System. ee.virginia.edu, 2002.
[2] Aserinsky, E. and Kleitman, N. Two types of ocular motility occurring insleep[J]. J. Appl. Physiol., 1955, 8: 1C10.
[3] Belyavin, A. and Wright, N.A. Changes in electrical activity of the brainwith vigilance[J]. Electroenceph. clin. Neurophysiol., 1987, 66: 137C144.
[4] Degler, H.E., Smith, J.R. and Black, F.O. Automatic detection and resolution of synchronous rapid eye movements[J]. Comput. Biomed. Res., 1975, 8: 393C404.