基于FPGA的腦機(jī)接口系統(tǒng)方案

腦機(jī)接口BCI(Brain Computer Interface)是一種新穎的人機(jī)接口方式。它的定義是：不依賴于腦的正常輸出通路(外周神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉組織)的腦-機(jī)(計(jì)算機(jī)或其他裝置)通訊系統(tǒng)[1]。液晶面板走勢(shì)要實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口，必須有一種能反映人腦不同狀態(tài)的信號(hào)，并且能夠?qū)崟r(shí)或短時(shí)對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行提取和分類[2]。瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位與刺激之間具有嚴(yán)格的鎖時(shí)同步關(guān)系，能比較準(zhǔn)確地檢測(cè)液晶面板走勢(shì),而且它所需的視覺(jué)刺激頻率比較低，不容易引起視覺(jué)疲勞。因此本研究采用瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位來(lái)實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口。

腦機(jī)接口系統(tǒng)是由人和機(jī)器構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)[3]。除人本身外, 腦機(jī)接口系統(tǒng)包括：信號(hào)采集、信號(hào)處理、外部設(shè)備及控制部分。本文的方案采用FPGA取代計(jì)算機(jī)，作為腦機(jī)接口的控制和信息處理器。主要包括腦電采集電路、基于FPGA的VGA視覺(jué)刺激器和FPGA開(kāi)發(fā)板三部分，如圖1所示。

電極帽和腦電采集電路組成了腦電信號(hào)采集部分。液晶面板走勢(shì)VGA視覺(jué)刺激器屬于外部設(shè)備及控制部分。FPGA開(kāi)發(fā)板是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它不僅實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理，而且還實(shí)現(xiàn)了對(duì)腦電采集電路的控制和VGA控制器。FPGA開(kāi)發(fā)板采用Cyclone II EP2C35 DSP開(kāi)發(fā)板，F(xiàn)PGA芯片為Cyclone II EP2C35F672。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 腦電采集電路的設(shè)計(jì)

腦電信號(hào)比較微弱，而且淹沒(méi)在很強(qiáng)的背景噪聲和干擾中。必須設(shè)計(jì)合適的電路，在放大腦電信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)濾波抑制噪聲，提高信噪比，得到較好的模擬腦電信號(hào)，并通過(guò)AD轉(zhuǎn)換為適合于FPGA處理的數(shù)字信號(hào)。

本文設(shè)計(jì)的腦電采集電路主要包括有源電極、右腿驅(qū)動(dòng)電路、模擬電路、數(shù)字電路和電源。有源電極用來(lái)傳導(dǎo)腦電信號(hào)，右腿驅(qū)動(dòng)電路可以降低共模電壓。模擬電路包括前置放大電路、高通濾波電路、放大濾波電路和電壓抬升電路，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)調(diào)理和信噪比的提高。數(shù)字電路包括AD轉(zhuǎn)換電路和光耦隔離電路，主要功能是模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

1.2 基于FPGA的VGA視覺(jué)刺激器的設(shè)計(jì)

腦機(jī)接口視覺(jué)刺激器通?？梢栽谟?jì)算機(jī)顯示器或電視機(jī)上通過(guò)硬件和軟件兩種方式產(chǎn)生，也可以設(shè)計(jì)專門(mén)的圖形顯示電路[4]。采用硬件實(shí)現(xiàn)視覺(jué)刺激，最大優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，但修改和升級(jí)比較困難。

本文的方案是基于FPGA的VGA視覺(jué)刺激器，采用VGA顯示器作為視覺(jué)刺激器，通過(guò)VHDL編程的方式產(chǎn)生圖形刺激信號(hào)。FPGA是一種半定制電路，具有很強(qiáng)的在線修改能力，可以隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路。因此，通過(guò)編程可以靈活地產(chǎn)生不同的刺激模式，修改和升級(jí)十分方便。按照VGA顯示器逐行掃描的工作原理和VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]，在FPGA中設(shè)計(jì)了VGA控制器，包括分頻模塊、掃描時(shí)序產(chǎn)生模塊、圖像描述模塊、刺激頻率控制模塊和光標(biāo)控制模塊，其框圖如圖2所示。

分頻模塊產(chǎn)生像素輸出頻率和刺激所需的頻率。CycloneⅡEP2C35芯片具備4個(gè)增強(qiáng)型嵌入式鎖相環(huán)(PLL)，每個(gè)鎖相環(huán)可以提供3個(gè)輸出時(shí)鐘，頻率非常穩(wěn)定，還可以分頻和倍頻。用鎖相環(huán)IP核調(diào)用嵌入式鎖相環(huán)，直接分頻產(chǎn)生像素輸出頻率，保證了系統(tǒng)時(shí)鐘的精確和穩(wěn)定。計(jì)數(shù)器分頻得到刺激所需的頻率，可產(chǎn)生不同的刺激頻率。

掃描時(shí)序產(chǎn)生模塊提供VGA行掃描和場(chǎng)掃描的時(shí)序。對(duì)像素輸出頻率計(jì)數(shù)分頻，產(chǎn)生行掃描頻率，其頻率為31.469 kHz。然后，對(duì)行掃描頻率計(jì)數(shù)分頻，得到場(chǎng)掃描頻率,其場(chǎng)頻為59.94 Hz。

圖像描述模塊描述需要產(chǎn)生的刺激圖形,液晶面板走勢(shì)包括位于屏幕上下左右4個(gè)方向的4個(gè)方塊和0、1、2、3數(shù)字。4個(gè)方塊是實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)目標(biāo)選擇的刺激目標(biāo)，光標(biāo)用來(lái)反饋選擇的結(jié)果。通過(guò)行坐標(biāo)和場(chǎng)坐標(biāo)來(lái)描述方塊和數(shù)字的位置及大小。在方塊上標(biāo)注數(shù)字，以區(qū)別不同的方塊。圖形的改變或運(yùn)動(dòng)可引起有效的誘發(fā)電位，因此，方塊的顏色是黑色和白色交替變化的。為了使方塊更顯著，底色采用深石板灰色。

刺激頻率控制模塊設(shè)計(jì)了刺激的模式。采用同頻次復(fù)合刺激方式，即在單位時(shí)間內(nèi)各個(gè)視覺(jué)刺激模塊閃爍的次數(shù)相同，但各個(gè)刺激模塊閃爍的時(shí)刻相互錯(cuò)開(kāi)。通過(guò)計(jì)數(shù)器分頻產(chǎn)生模塊閃爍的時(shí)鐘。閃爍時(shí)刻的錯(cuò)開(kāi)用相位延時(shí)實(shí)現(xiàn),用系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器，根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制延時(shí)，達(dá)到精確定時(shí)的要求。當(dāng)閃爍的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，方塊為黑色;為高電平時(shí)，方塊為白色。在刺激模塊黑變白的同時(shí)，發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。

光標(biāo)控制模塊描述光標(biāo)的圖形，控制光標(biāo)的移動(dòng)。通過(guò)改變光標(biāo)的坐標(biāo)和分頻來(lái)控制光標(biāo)移動(dòng)的方向和速度。光標(biāo)的顏色為紅色。

基于FPGA的VGA視覺(jué)刺激器充分利用了FPGA半定制電路的特點(diǎn)，采用同步時(shí)序設(shè)計(jì)方式，不但性能穩(wěn)定，而且能根據(jù)需要靈活地設(shè)計(jì)不同的視覺(jué)刺激器。它實(shí)現(xiàn)方便，功能強(qiáng)大，兼具用硬件或軟件方式實(shí)現(xiàn)視覺(jué)刺激器的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的提取與識(shí)別

累加平均方法是最經(jīng)典的誘發(fā)電位信號(hào)處理方法，也是電生理測(cè)量中提高信噪比最常用的方法[2]。在FPGA中設(shè)計(jì)的累加平均算法的框圖如圖3所示，包括觸發(fā)信號(hào)檢測(cè)模塊、RAM地址控制模塊、異步雙口RAM、累加器和除法器。

觸發(fā)信號(hào)檢測(cè)保證了刺激與視覺(jué)誘發(fā)電位的鎖時(shí)同步關(guān)系。只有檢測(cè)到最早閃爍的刺激模塊的觸發(fā)信號(hào)，才把腦電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM中。當(dāng)達(dá)到要求的閃爍次數(shù)時(shí)，停止數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。根據(jù)刺激模塊之間的延時(shí)關(guān)系，可以確定與各個(gè)刺激模塊相應(yīng)的數(shù)據(jù)在RAM中的起始地址。然后，按照起始地址讀出數(shù)據(jù)給累加器，累加的次數(shù)與閃爍次數(shù)相同。最后，用除法器除以累加的次數(shù)，得到累加后的平均結(jié)果.

知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)核，是指己驗(yàn)證的、可重利用的、具有某種確定功能的IC模塊。FPGA有大量各種用途的IP核。這些IP核對(duì)內(nèi)核進(jìn)行了參數(shù)化，通過(guò)頭文件或圖形用戶接口(GUI)可以方便地對(duì)參數(shù)進(jìn)行操作。通過(guò)異步雙口RAM IP核調(diào)用片內(nèi)RAM來(lái)緩存腦電數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)接口的同步和數(shù)據(jù)處理速度。用累加器IP核和除法器IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)算法中的累加器和除法器。

只采用累加平均的方法, 需要進(jìn)行上百次才能得到可靠的誘發(fā)電位波形, 信號(hào)提取的時(shí)間太長(zhǎng)。在少量次累加平均時(shí)，為了進(jìn)一步提高信噪比，提取出較為理想的誘發(fā)電位波形，采用數(shù)字濾波的方法來(lái)減少噪聲的影響。FIR濾波器具有嚴(yán)格的線性相位，穩(wěn)定性好，而且通頻帶比較平坦。所以，采用FIR濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。用窗函數(shù)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)一個(gè)15階的低通FIR濾波器，窗函數(shù)為海明窗，截止頻率為10 Hz。利用MATLAB工具箱中的FDATool設(shè)計(jì)濾波器，并轉(zhuǎn)換為HDL代碼，可以很方便地在FPGA中實(shí)現(xiàn)FIR濾波器。通過(guò)調(diào)用CycloneⅡ芯片中用于DSP運(yùn)算的嵌入式乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)FIR濾波中的乘法運(yùn)算。與基于邏輯單元的乘法器相比，嵌入式乘法器性能更高，占用邏輯單元更少。嵌入式乘法器能夠與CycloneⅡ器件的M4K RAM塊進(jìn)行無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)高效的DSP算法[6]。

瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的識(shí)別，就是要將誘發(fā)電位信號(hào)轉(zhuǎn)換成一系列控制命令，從而實(shí)現(xiàn)人腦與外界的通信與控制。模板匹配是傳統(tǒng)的模式識(shí)別方法之一。相關(guān)系數(shù)是變量之間相關(guān)程度的指標(biāo)，可以用于判斷曲線擬合程度。用相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量模板與未知模式匹配的好壞，是一個(gè)有效且可行的方法。

首先,選定一個(gè)特征明顯的瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位波形，作為模板匹配的參考模板;然后，把實(shí)時(shí)提取誘發(fā)電位波形與參考模板做相關(guān)系數(shù)計(jì)算。若相關(guān)系數(shù)值大于設(shè)定的閾值時(shí)，就認(rèn)為檢測(cè)到了的誘發(fā)電位，發(fā)出控制命令，使光標(biāo)移向相應(yīng)的刺激模塊，從而實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的識(shí)別。

相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

假定模板的數(shù)據(jù)為y，可以先離線計(jì)算出公式(1)中含y項(xiàng)的值，存在ROM中，從而提高實(shí)時(shí)計(jì)算的速度。只需要1個(gè)乘加器IP核，調(diào)用FPGA芯片中的嵌入式乘法器，就可以實(shí)現(xiàn)分子和分母中的乘加運(yùn)算，節(jié)省了器件的資源。用開(kāi)根號(hào)IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)根號(hào)運(yùn)算。

FPGA運(yùn)行速度快，內(nèi)部程序并行運(yùn)行，并且有DSP運(yùn)算IP核和嵌入式乘法器，能夠快速準(zhǔn)確地完成腦電處理算法，滿足信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用本文方案構(gòu)建的腦機(jī)接口系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。液晶面板走勢(shì)腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)通常為一組實(shí)驗(yàn)，分別選擇不同的4個(gè)刺激模塊(包括全部目標(biāo)的選擇)。在實(shí)驗(yàn)中，受試者頭戴電極帽，眼睛距屏幕70 cm左右，控制光標(biāo)移向所注視的目標(biāo)。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，4個(gè)刺激模塊完成一輪閃爍后，然后停頓幾秒，進(jìn)行下一輪閃爍。4輪閃爍，即4個(gè)刺激模塊都能被選中后，自動(dòng)停止閃爍。

實(shí)驗(yàn)中提取的瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位波形如圖4所示。圖4(a)中，已經(jīng)可以看到視覺(jué)誘發(fā)電位的雛形，但視覺(jué)誘發(fā)電位的特征不是十分明顯。圖4(b)中，用FIR濾波對(duì)誘發(fā)電位信號(hào)進(jìn)一步處理，得到了特征比較明顯的視覺(jué)誘發(fā)電位。

腦機(jī)接口的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，受試者是5名健康男性。正確判斷時(shí)，在刺激模塊停止閃爍的同時(shí)，光標(biāo)立刻移向受試者注視的模塊。

基于瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)表明，本文給出的基于液晶面板走勢(shì)FPGA的腦機(jī)接口實(shí)時(shí)系統(tǒng)的方案是可行的。基于FPGA的VGA視覺(jué)刺激器，刺激頻率十分穩(wěn)定，刺激界面易于接受，修改升級(jí)方便。基于FPGA的腦電信號(hào)處理算法，采用少量次累加平均結(jié)合FIR濾波來(lái)提取誘發(fā)電位，并通過(guò)模板匹配的方法加以識(shí)別，可以快速準(zhǔn)確地把瞬態(tài)誘發(fā)電位信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制命令，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的腦機(jī)接口系統(tǒng)?；?strong>FPGA的腦機(jī)接口系統(tǒng)，是一種新的方法，也是對(duì)液晶面板走勢(shì)腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)方法的有益探索。