有许多检测脑波并利用脑波作为控制信号以及诊断工具的可用方 法。然而，仍存在无噪音地测量脑波的许多障碍，尤其是在良好控制的 实验室环境外面就尤其如此。一般在环境和电磁噪音被严格控制的实验 室中检测和利用脑波，且针对其脑波被测量的病人或对象来说仅静态条 件是病人或对象不应移动。该理想设置在实验室外不存在，从而使得这 些系统不能用来可靠地测量用户的脑波。另外，一般的传感器布置需要 对头部的特殊处理，因为大部分当前使用的用来测量脑波的电极需要浸 渍有胶体的电极或者针状电极。
该理想设置在实验室外不存在，从而使得这些系统不能用来在非实 验室环境中可靠地测量用户的脑波。另外，对头部进行特殊处理以使用 实验室电极在非实验室环境中不现实。因而，期望提供一种克服典型的 脑波测量系统的这些限制的设备和方法，且为此目的作出本发明。

所述设备可包括神经耳机，该神经耳机包括一个或多个干式有源电 极，该干式有源电极在没有湿电极的情况下测量戴着耳机的用户的脑 波。该设备可合并入如下系统中，该系统使用神经耳机、另外的硬件和 软件提供人/机接口。例如，示例性系统是用于如下更详细地所述的使用 用户的脑波控制玩具的系统。在该系统中，硬件检测脑波，滤波掉噪音 并放大结果信号。软件处理脑波信号，基于对脑波信号的分析显示用户 的精神状态并生成可用来控制装置如玩具的控制信号。

图1A示出用于定量评估正被用来控制玩具的动作的精神状态的设 备的例子；
图1B示出图1的设备中使用的干式有源电极的示例实施方式；
图2A和2B示出作为图1A所示的设备的一部分的神经耳机；
图3A和3B示出图1A、2A和2B示出的设备的进一步细节；
图4示出使用用于定量评估精神状态且包括图2A、2B、3A和3B 所示的神经耳机、其它硬件和软件的设备来控制玩具的系统的实施方 式；
图5A和5B示出图4所示的系统的硬件的更多细节；
图6示出图4所示的硬件的数字部分的示例性电路实施方式；
图7示出图4所示的硬件的功率调节部分的示例性电路实施方式；
图8A示出干式有源电极的模拟部分的更多细节；
图8B示出干式有源电极的模拟部分的更多细节；
图9示出图5所示的模拟EEG信号处理部分的示例性电路实施方 式；
图10A是图5所示的模拟EOG信号处理部分的框图；
图10B示出图5所示的模拟EOG信号处理部分的示例性电路实施 方式；
图11示出作为图4所示的一部分的软件的操作的例子；
图12示出图11的数据处理过程的进一步细节；
图13示出数据处理步骤的流程；以及
图14示出用户的精神状态的图形显示的例子。

该设备和方法特别适用于用于使用用户的脑波控制玩具的系统且 以下正是在该情境中为了说明的目的描述该设备和方法。然而，应理解 该设备和方法可用于除了控制玩具之外的应用，且实际上可在期望定量 评估用户的脑波并基于对脑波的定量评估提供人机接口和/或神经反馈 的任何应用中使用。例如，该设备和方法可用来控制计算机或计算机系 统、游戏控制台等。作为另一个例子，该设备和方法可被实现并集成到 飞行员的头盔中，该头盔具有置入其中的脑波监视系统，其中干式传感 器可监控飞行期间飞行员的脑波，且如果飞行员在飞行期间失去意识， 则该设备可检测到该失去意识并执行一个或多个动作如启动自动驾驶 系统并对飞行员提供紧急治疗/警告(如氧气或振动)，这可解救飞机以 及飞行员的生命。该设备可方法还可被实现为头带式病人脑波监视系 统，其中利用易于使用且对病人具有用户友好性的干式传感器来监视病 人的EEG，且可使用无线方法(如蓝牙)或有线方法将脑波发送到可记 录/显示病人的EEG信号的远程装置。作为另一例子，该设备和方法可 被实现且集成到具有脑波监视系统的战斗头盔中，其中干式传感器可监 视战士的脑波且如果战士在任务期间失去意识或入睡就向战士发送警 报信号(声音警告、视觉警告或物理警告如击打)。
作为另一个例子，该设备和方法可并入针对雇员的安全装置中，因 为当工人失去对任务的精神集中力时在工厂内会发生许多事故。具有干 式传感器和EEG系统且为头带、棒球帽或安全帽形状的安全装置可在 工人的精神集中力水平下降到指定水平时停止机器以防止事故并保护 雇工。
作为另一个例子，该设备和方法可合并入针对驾驶员的睡眠检测器 中，其中检测器是具有脑波监视系统的头带类型、耳机类型或棒球帽类 型，该脑波监视系统具有可检测驾驶员的睡意或睡眠(基于脑波)并向 驾驶员提供警报信号或激励以唤醒驾驶员的干式传感器。
作为又一例子，该设备和方法可实现在具有头带类型、耳机类型或 棒球帽类型的脑波监视系统的压力管理系统中，该压力管理系统具有可 连接到计算装置如PC、PDA或移动电话以监视工作期间的精神压力水 平并记录这些压力水平的干式传感器。针对该设备和方法的以上应用例 子不是穷举的。为了说明该设备和方法，现在描述使用该设备和方法来 控制玩具的示例性系统。
图1A示出了用于定量评估用来控制玩具的动作的精神状态的设备 的例子。该设备可包括如图1A所示的可置于用户的头部上的神经耳机 50。该神经耳机可包括各种硬件和软件，在带上通电的耳机时该硬件和 软件其使得用户能够基于用户的脑波无线地控制如玩具52的装置。该 设备实际上可用来控制多个不同的玩具，如卡车、汽车、图片或机器宠 物，只要该设备具有适当的信息以生成针对特定玩具的必要控制信号即 可。耳机50可包括用来检测用户的脑波的一个或多个干式有源电极(传 感器)。该一个或多个电极可邻近于用户的前额和/或邻近用户耳后的皮 肤。
图1B示出了图1的设备中使用的干式有源电极的机械部分的示例 性实施方式。该传感器还可包括图8更详细地示出的电子部分，其中该 电子部分可与机械部分相分离。该干式有源电极/传感器具有银/氯化银 (Ag/AgCl)电极53和附着到可以是非传导材料的基座55的弹性机构 54(如薄金属板)。该弹性机构使得在传感器靠着用户的皮肤放置时能 够通过弹性机构使电极53偏置向用户。该电极还可具有传导元件56如 导线，该传导元件56接收电极拾取的信号并将该信号发送到下述模拟 处理部分。弹性机构54可具有孔区域57，孔区域57具有将传导元件 56与弹性机构54隔离的非传导材料。在该设备的示例性实施方式中使 用的干式有源电极和模块在2006年7月6日提交的共同未决的美国专 利申请序列号No.10/585,500中有更详细的说明，该专利申请主张2004 年6月29日提交的PCT/KR2004/001573的优先权，PCT/KR2004/001573 又主张2004年1月8日提交的韩国专利申请序列号No.10-2004-0001127 的优先权，这些专利申请被共同拥有并通过引用被包括在此。
该设备可包括执行一个或多个功能的一个或多个软件(由耳机内的 处理单元执行，嵌入耳机中的处理单元中或由耳机外部的处理单元执 行)。这些功能可包括信号处理步骤和过程以及用于至少部分地基于用 户的脑波定量确定用户的精神状态的过程。所确定出的精神状态可表示 为注意、放松、焦虑、睡意和睡眠，且每个精神状态的水平可通过软件 来确定且以从0到100的数字来表示，这可根据应用而变化。除了图1 所示的玩具控制应用之外，该设备还可用于各种人机接口和神经反馈。
图2A和2B示出了作为图1所示的设备的一部分的神经耳机50， 其中图2A是耳机的透视图且图2B是用户戴耳机时耳机的透视图。该耳 机可具有前部分60、第一侧部分62和与第一侧部分相对的第二侧部分 64。当如图2B所示被用户配戴时，前部分60靠着用户的前额使得前部 分中的一个或多个干式传感器靠着用户的前额。第一和第二侧部分62、 64适配用户的耳朵。该耳机可进一步包括从第二侧部分64延伸出的支 臂部分66。该支臂部分66可包括当耳机激活时允许耳机测量或检测用 户的眼睛的运动的眼睛运动传感器。
图3A和3B示出了图1、2A和2B所示的设备的进一步的细节，其 中图3A是耳机的前视图，且图3B是耳机的侧透视图。该耳机可包括一 个或多个有源干式传感器70，如第一组有源干式传感器701和第二组有 源干式传感器702、布置在耳机的前部分上的眼电图(EOG)上传感器 72和生物信号处理模块74。有源干式传感器701和702测量耳机的用户 的脑电图(EEG)信号。EOG上传感器检测耳机的用户何时在向上看。 EOG传感器检测来自眼睛周围肌肉的EMG(肌电图)信号。为了检测 眼球的四个方向的运动需要四个EOG传感器且每个EOG传感器在眼球 移动时检测小肌肉的EMG信号。在图2和图3中，在右眼附近安装三 个EOG传感器且在左眼的左侧安装一个传感器。眼睛上方的EOG传感 器检测向上的眼球移动，而眼睛下方的传感器检测向下的眼球移动。眼 睛右侧的传感器检测眼球向右移动时的EOG信号，眼睛左侧的传感器 检测眼球向左移动时的EOG信号。生物信号处理模块74处理传感器检 测的EEG和EOG信号并生成一组控制信号。参考图4更详细地说明生 物信号处理模块74。
一般有两种协议来检测生物信号，单极(单极性)和双极。在单极 协议中，参考电极布置在检测不到生物信号的地方，而在耳垂或耳朵的 背面处没有EEG信号。因而，对于单极协议，参考电极附着在耳朵的 背面处，而有源电极附着在前额上。在双极协议中，参考电极附着在可 检测到生物信号(EEG信号)的地方(一般分离一英寸)。对于双极协 议，有源和参考电极都附着在前额上。在图3A和3B所示的示例性实施 例中，使用单极协议，然而耳机还可使用两个电极都附着在前额上的双 极协议。
耳机还可包括分别检测何时用户在向右、向下和向左看的EOG右 传感器76、EOG下传感器78和EOG左传感器80。因而，使用这四个 EOG传感器，确定了戴上耳机时眼睛运动的方向，可分析并使用该方向 来生成用作人/机接口等的控制信号。耳机50可进一步包括在配戴耳机 时适配入用户耳朵中的第一扬声器82和第二扬声器、84，以对用户提 供音频。耳机还可包括诸如电池的电源86、接地连接88和参考连接90。 参考连接提供生物信号的基线，且接地连接确保稳定的信号并保护耳机 的用户。因而，当用户戴上了耳机时，扬声器适配入用户的耳朵中，且 检测到来自用户的EEG和EOG信号(与眨眼一起)，使得结合其它硬 件和软件的耳机能够定量评估用户的精神状态且然后生成可用作人/机 接口的一部分的控制信号(部分地基于用户的精神状态)，如用来控制 如图1所示的玩具的控制信号。
图4示出用于使用定量评估精神状态的设备来控制玩具的系统的实 施方式，该设备包括图2A、2B、3A和3B所示的神经耳机、其它硬件 和软件。特别地，图4更详细地示出了生物处理模块74的实施方式， 其中该模块可包括模拟部分100、功率供应/调节部分102和数字部分 104。然而该设备和方法不限于图4-9所示的特定硬件/软件/固件实施方 式。该模块的模拟部分100与传感器接口且可包括来自传感器的正、接 地和负输入。在一些实施方式中，模拟部分的某部分可集成到作为耳机 的一部分的传感器中。模拟部分可进行各种模拟操作，如信号放大、信 号滤波(例如使得频率范围在0-35Hz的信号被输出到数字部分)以及 陷波滤波并将信号输出到数字部分104。在示例性实施例中，模拟部分 可提供10000X放大，具有10T欧姆的输入阻抗，60Hz处-90dB处的陷 波滤波，提供60Hz处135dB的共模抑制比(CMRR)，且提供-3dB处 0-35Hz的带通滤波。功率供应/调节部分102进行各种功率调节处理且 为模块74的模拟和数字部分二者生成功率信号(来自诸如电池的电源)。 在示例性实施例中，功率供应可接收约12伏的功率并调节电压。数字 部分104可包括将信号从模拟部分转换成数字信号并处理这些数字信号 以检测用户的精神状态并生成输出信号的转换和处理部分106，以及发 送/传送所生成的输出信号到可由用户的被检测的精神状态控制、影响等 的诸如图1所示的玩具的机器的发送部分108。发送部分可使用各种发 送协议和发送介质，如例如USB发送器、IR发送器、RF发送器、蓝牙 发送器且使用其它有线/无线方法作为系统和机器(计算机)之间的接口。 在示例性实施例中，数字部分的转换部分可具有128KHz的采样率和每 秒57600位的波特率，且数字部分的处理部分可执行噪声滤波、快速傅 里叶变换(FFT)分析，执行对信号的处理，生成控制信号，并使用一 系列步骤确定耳机的配戴者的精神状态。图6示出了处理部分和发送部 分的示例性电路实施方式。
图5A示出了图4所示的系统的硬件的更多细节。特别地，模拟部 分100进一步包括EEG信号模拟处理部分110(其中该部分的电路实施 方式如图9A所示)和EOG模拟处理部分112(其中该部分的电路实施 方式如图9B所示)。EOG处理部分可接收来自EOG输出DC基线偏移 电路114的EOG输出DC基线偏移信号。EOG输出DC基线偏移电路 114可以是耦合到处理核106的移位寄存器、耦合到该移位寄存器的数 模转换器以及使用从该数模转换器输出的模拟信号来调整用来调整 EOG信号的放大器的增益的放大器。
在示例性实施例中，使用第一移位寄存器、第一D/A转换器和第一 放大器来偏移左右EOG信号，且使用第二移位寄存器、第二D/A转换 器和第二放大器来偏移上下EOG信号。在示例性实施方式中功率调节 部分102可生成若干不同的电压，如+5V、-5V和+3.3V，其中功率调节 部分的示例性电路实施方式如图7所示。
数字部分104包括模数转换器(未示出)和处理核106，在示例性 实施例中处理核106可以是对EEG和EOG信号进行各种信号处理操作 的具有嵌入代码/微代码的数字信号处理器。在示例性实施例中，模数转 换器(ADC)可以是具有用于每个EEG信号的分别的通道、用于组合 的左右EOG信号(具有偏移)的通道以及用于组合的上下信号(具有 偏移)的通道的六通道ADC。更详细地，信号可由采样率为128Hz的 模数转换器(A/D转换器)采样，且然后以特殊设计的例程来处理数据 使得基于数据处理来确定用户的精神状态的类型及其水平。这些结果由 数字和图形表示。该处理核还可生成可用于各种目的的一个或多个输出 信号。例如，输出信号可被输出到数据发送器120且继而被输出到通信 装置122，如示例性实施例中的无线RF调制解调器，该通信装置122 将输出信号(可以是控制信号)传送到玩具52。输出信号还可控制声音 和语音控制装置124，声音和语音控制装置124可例如生成用以唤醒用 户的语音消息，该语音消息然后通过耳机的扬声器被发送以向用户提供 可听警报。
在图5所示的示例性实施例中，通信装置122是与玩具中的40MHz RF ASK调制解调器52a通信的40MHz RF幅移键控(ASK)调制解调 器。玩具还具有基于从耳机传送的输出信号允许玩具响应于输出信号执 行动作的微型控制器52b和激活电路52c，所述动作诸如在某方向上移 动玩具、停止玩具、改变玩具的行进方向、发出声音等。在该示例性实 施例中，具有耳机的设备替代典型的远程控制装置且允许用户以脑波控 制玩具。
图5B示出系统的生物处理单元74的硬件的更多细节。EEG和EOG 模拟处理单元110、112在示例性实施例中可以是将来自耳机的模拟EEG 和EOG信号转换成数字信号的六通道12位模数转换器(ADC)以及向 向用于EOG信号的运算放大器提供反馈信号的四通道12位数模转换器 (DAC)。核106可进一步包括EOG处理单元106a和EEG处理单元 106b。
EOG处理单元确定EOG基线信号且然后生成EOG控制信号，且还 生成被反馈回运算放大器的EOG基线反馈信号。EOG基线反馈信号和 EOG控制信号被反馈回作为12位串行数据通道的四通道12位DAC。 EEG处理单元执行EEG信号滤波(以下更详细地说明)、EEG信号的 EOG噪声滤波(以下说明)并执行EEG信号的快速傅里叶变换(FFT)。 EEG处理单元根据FFT变换后的EEG信号生成控制信号。
图6示出图4所示的硬件的数字部分的示例性电路实施方式。处理 核在示例性实施例中是作为基于AVR增强RISC构造的低功率CMOS 八位微型控制器的ATmegal28，其由Atmel公司商业销售，具体芯片的 进一步细节在以下网址可得到： http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2467.pdf，通过引用将 其包括在此。发送电路是FT232BM，其是USB UART芯片，在商业上 从未来技术装置国际有限公司(Future Technology Devices International Ltd.)可得到，且该芯片的进一步细节在 http://www.ftdichip.com/Products/FT232BM.htm，通过引用将其包括在此。
图7示出了图4所示的硬件的功率调节部分的示例性电路实施方 式。具体地，示出了设备的模拟和数字功率部分。
图8A示出了每个干式有源电极的模拟部分的更多细节，其中每个 电极/传感器包括器械放大、陷波滤波器以及带通滤波器和放大器。如图 8B所示，每个干式有源电极/传感器具有连接到差分放大器(使用以已 知方式连接在一起的两个运算放大器形成)的参考电极和测量电极，差 分放大器的输出耦合到陷波滤波器，陷波滤波器排除60Hz信号(功率 线信号)且然后陷波滤波器的输出耦合到带通滤波器和放大器。
图9示出执行由设备的EEG传感器生成的EEG信号的模拟处理的 图5所示的硬件的模拟EEG信号处理部分的示例性电路实施方式。如 图所示，该电路使用一个或多个放大器以处理并放大设备的EEG信号。
图10A是图5所示的模拟EOG信号处理部分的框图，且图10B示 出了图5所示的模拟EOG信号处理部分的示例性电路实施方式。如图 10A所示，模拟EOG信号处理部分通过DAC和放大器接收被给送到放 大器中的参考电极信号和测量电极信号，放大器的增益/偏移由处理核 106生成的参考控制信号调整。放大器的输出被给送到陷波滤波器(以 从功率线排除60Hz信号)，然后在给送到处理核106之前被给送到放 大器和低通滤波器。图10B示出了模拟EOG信号处理部分的示例性电 路实施方式，其中一个或多个运算放大器执行EOG信号的信号处理。
图11示出作为图4所示的一部分的软件130的操作的例子。初始 设置(132)开始设备的软件的操作。一旦完成初始设置，就开始了与 被控制的对象的通信会话(134)。一旦开始了通信，软件就执行电极 信号的信号处理和EEG和EOG信号的数字表示的数据处理。
图12示出图11的数据处理过程的进一步的细节，其中数据处理过 程包括多个例程，其中每个例程是可由处理单元执行的多行计算机代码 (在示例性实施例中以C或C++语言来实现)，如由图5所示的处理核 106执行或在分离的计算机系统上执行的嵌入代码。该过程可包括 Windows接口例程140、用于图形显示EEG和FFT信号的例程142、用 于通信接口的例程144、主例程146和神经算法例程148。主例程控制 其它例程，Windows接口例程允许数据处理软件与诸如Windows的操作 系统接口，且例程142生成EEG和FFT信号的图形显示。通信例程144 管理设备和正使用该设备所控制的对象之间的通信且神经算法例程处 理EEG和EOG信号以生成控制信号且生成如图14所示的设备的用户 的精神状态的图形表示。
用户的精神状态一旦被测量就可置入如0-100的水平的水平标度 中，如图14所示。用户的精神状态(以及所测得的精神状态的水平) 可用来生成控制信号以控制机器如计算机。对机器的控制可包括：视频 显示器处的光标或对象移动(其中精神状态的高水平使得光标或对象向 上或更快地移动，反之亦然)，扬声器的音量控制(其中精神状态的高 水平增加音量，反之亦然)，对机器的运动控制(其中精神状态的高水 平使得机器移动得更快，反之亦然)，在便携式音频系统中选择音乐(歌 曲)，包括mp3(其中存储的音乐或歌曲中选择的特定类型和拍子的音 乐或歌曲是匹配于精神状态和精神状态的水平的歌曲/音乐)，可用于诸 如放松或注意力训练之类的精神训练或可用来测试压力水平、精神集中 水平和睡意的生物反馈或神经反馈，和/或如开/关控制、速度控制、方 向控制、亮度控制、响度控制、颜色控制等的其它脑-机器(计算机)接 口。
图13示出数据处理步骤的流程图150。首先，数字EEG数据的DC 偏移被滤波掉(150)，以使得可图形显示原始EEG数据且可过滤EOG 信号(152)。可使用已知的JADE算法来过滤EOG信号以过滤噪声。 然后，EEG和EOG信号被低通滤波(154)且然后信号被汉宁窗化 (Hanning windowed)(156)。生成滤波后的EEG数据信号且可对其 进行图形表示。然后，针对其功率频谱分析滤波后的信号(158)，滤 波后的信号然后被给送到神经算法(160)，以确定用户的精神和情绪 状态(162)。每秒针对512数据点进行功率频谱分析。使用功率频谱 分析，提取针对德尔塔(delta)、西塔(theta)、阿尔法(alpha)和贝 塔(beta)波的功率频谱数据。
包括若干等式和例程的神经算法使用德尔塔、西塔、阿尔法和贝塔 波的功率频谱数据计算精神状态的水平。这些等式是基于实验的数据库 作出的。可针对不同的应用和用户水平修改和改变这些等式。精神状态 可被表示为注意、放松或沉思、焦虑和睡意。通过包括德尔塔、西塔、 阿尔法和贝塔功率频谱值作为输入数据的等式确定每个精神状态水平。 精神状态的水平可由0-100的数字来表示，这可根据应用来改变。精神 状态水平的值每秒都更新。然后，设备可使用精神和情绪状态来例如生 成控制信号或显示用户的精神状态，如图14所示。
如上所述该设备测量用户的EEG(两通道)和EOG信号(四通道) 以及眨眼。使用该设备，可如下表中所示确定用户的精神状态：
用户的精神状态
  EEG类型   占据的频率带宽   精神状态&状况   德尔塔   0.1Hz～3Hz   深度、无梦睡眠、非REM睡眠、   无意识   西塔   4Hz～7Hz   直觉、创造、回忆、幻想、想象、   创造、梦幻、转换想法、困倦   阿尔法   8Hz～12Hz   闭上眼睛、放松、不激动、不困   倦、平静有意识   低贝塔   12Hz～15Hz   从前SMR，放松且专心，集中   中间范围贝塔   16Hz～20Hz   思考，意识到自身&周围   高贝塔   21Hz～30Hz   警觉，激动
在系统的示例性实施方式中，EEG传感器可以是镀金的(gold plate) 干式传感器有源电路，其中每个EEG传感器可包括放大和带通滤波。 EEG传感器模块可具有80dB的增益和在-1dB处为1Hz-33Hz、在-3dB 处为0.5-40Hz以及在-12dB处为0.16Hz-60Hz的带通滤波器带宽。每 个EOG传感器可以是镀金无源传感器且可具有60dB的增益以及在-1dB 处为DC-40Hz的低通滤波带宽。无线通信机构可以是27或40MHz ASK 系统，但是还可以是2.4GHz ISM通信方法(FHSS或DSSS)。模数转 换可以是12位且采样频率可以是128Hz。设备的总的电流消耗是在 5VDC处为70mA，且主电源优选地是DC 10.8V、2000mAh的锂离子可 充电电池。
虽然已参考了本发明的特定实施例说明了本发明，都是本领域技术 人员应理解在不脱离本发明的原则和精神的情况下可对实施例作出改 变，本发明的范围由权利要求来限定。