人体表皮电信号无线采集及其应用探索
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关键词：数据采集，信号处理，EOG，眼控鼠标
1 引言
活的细胞、组织或器官兴奋时，不论其外部表现如何不同，都伴随着有电的变化，这也是人体电信号产生的原因。这些电信号可以通过仪器记录下来并进行分析，可以获得重要的信息。到目前为止，脑电、心电等都已经广泛地应用与医学和科研中。同样，在眼球运动的过程中，会产生可测量的电位变化，称为眼电 (electro-oculogram，简称EOG)。对眼电信号进行放大滤波并进行分析，可以得到眼球运动的轨迹。利用这一原理，就可以利用眼球的运动对计算机界面直接进行操作，实现人脑和计算机的交互。在此，我们设计了一套利用EOG信号实现对计算机的实时控制系统，对EOG信号进行放大和消躁处理后，对其中的眼动轨迹相关信息进行抽提和分析，用以对计算机进行控制。这一系统代替了传统的鼠标等外接设备进行人机交互的方式，有着很强的新颖性。
2 工作原理
在临床中，眼电（electro -oculogram，EOG）记录是应用最为广泛的一种技术。而近几年来，在脑机界面（BCI，Brian computer interface）研究领域中，EOG由于其成本低廉，信号稳定，实用性强以及非侵入性而越来越受到广泛关注。接下来介绍一下系统的原理：
眼球运动：人类视觉系统的最前端，就是人的眼球。人的眼球是一个结构复杂，设计巧妙的光学成像系统。如图1 所示。外界的图像通过角膜，虹膜，晶状体，玻璃体等一系列结构的反复折射，最终在视网膜上形成缩小、倒立的影像。眼部运动的目的是让物体的影像落在视网膜成像最清晰的区域。这意味这眼球要能够任意调整位置，对准目标物。眼球的运动是由6组肌肉控制的，这6组肌肉受到第三，第四和第六脑神经的支配。这些肌肉成对配合，分别控制水平，垂直以及环行移动。结构如图2。
眼球运动可以分为下面几种类型：
1. 扫视（Saccadic）： 快速的眼球运动，将视觉的焦点从一点马上移到另外一点。
2. 平滑移动（Smooth Pursuit）：眼球随着位置缓慢变化的物体平滑地移动
3. 补偿移动（Compensatory movements）：为了使得头部以及身体移动过程中视觉焦点相对固定而进行的无意识的补偿运动。
4. 趋异运动（Vergence）：两只眼球为了保持立体视觉而产生的移动。
图1：眼球结构图
图2：眼部6组肌肉的示意图
EOG 信号的产生：眼球前部的角膜在电学特性上是正性的，而视网膜是负性的。根据这一特点，我们可以把眼球看作一个双极子。当将电极放置于皮肤上的时候，眼球这一双极子因为运动而造成的电位变化就可以被测量出来。如果被试向前方直视，我们可以记录到一条稳定的基线。当眼球移动的时候，电位的变化和眼球移动的方向以及角度成线性关系变化。EOG可以用来监测距离中央点70度以内眼球的移动，精确度可以达到2度。图3当眼球分别向右移动30度和向左移动15度时其电位的变化。
图3：EOG信号变化图
EOG 的测量方法：为了测量眼球的电位，要将电极放置在眼睛周围的皮肤上。为了降低偏移以及获得合适的电阻，在放置电极之前需要用对皮肤进行清洁。然后，根据不同方向的测量，将带有导电膏的Ag－Agcl皮肤电极贴上。为了测量水平方向上的运动，通常将电极分别放置在眼球的左右两侧的皮肤上，而竖直方向的运动则是通过将电极放置在眼球上下两侧。前额上放置一枚电极作为Ground。如图4所示。
图 4：EOG电极放置示意图
EOG 信号具有以下一些优点：首先，EOG是各种生物电信号中最容易测量的。其次，其信号幅度较强（15～200uv），而且在头部位置相对固定的情况下，其干扰也很小。同时，由于其有用信号与各种噪音的频率分布相差较远，可通过简单的滤波方法将噪音消除。最后，信号和眼球运动呈线性关系，易于分析。
3 系统设计及实现
整个系统分成两个部分，数据采集端（简称采集端）和数据接收模块（简称接收端），两个模块之间通过义统27M无线通讯模块进行连接和通讯。采集端用于采集人体EOG信号和加速传感器信号，并进行处理和计算，将数据打包发送给接收端，接收端则负责和PC进行交互，将数据转换成为PC可以识别的鼠标指令，通过串口传给PC，以完成对PC的控制。系统的整体结构如图5所示。
图5：系统整体框图
系统有两种工作状态，通过开发板上的按键控制选择。一种状态是正常工作状态，在这个状态下，鼠标的上下左右由眼睛控制，头部向左侧偏转一下代表一次左击，向右侧偏转一下代表由击，头部向左侧偏转并停留一段时间代表双击。另外一种状态是辅助调节状态，这种状态下除了包括正常工作状态下的功能之外，还打开了另外一个加速传感器模块，这个时候这个加速传感器模块的前后左右运动同样可以对鼠标进行控制。
采集端使用周立功公司的arm2131开发板来实现，自行设计了外围的接口电路和各个采集模块。数据采集端主要实现的功能包括：加速传感器数据采集，EOG信号采集和无线传输。采集端的外观图如图6所示。
图6：数据采集端外观图
EOG电路用于实现眼电信号的采集。该电路共分三级放大，最后加上一级电位调节：第一级放大电路放在倍数为3倍。其中的三个电阻取值相等。第二级放大电路为差分放大电路。可将两输入信号差分放大，这个倍数取决于我们所加的电阻值。第三级放大电路为可调放大电路。在第二级和第三级中间增加了一个二阶有源底通滤波器，虑除不需要的高频信号和噪声。集成运放的芯片选用的TI公司的tlv2264芯片。模块的原理图如图7所示。
图7：EOG模块电路原理图
加速传感器模块中使用的芯片是Freescale公司的MMA7260Q。该芯片可以测量水平两个方向和垂直方向的加速度，具有较高的精确度和响应速度。模块的原理图如图8所示。
图8：加速模块电路原理图
无线通讯模块我们使用了义统的27M无线通讯模块进行连接。数据包的格式如图9所示，首先需要连续的发送10次hi/lo当做前导波形，该前导波用于调整无线模块的状态，接着发送起始波形Start 600 uS Hi / 600 uS LO / 600 uS Hi / 400 uS LO，最后是数据，hi / lo 都為 200uS。数据区每四个字节进行一下LoHi的同步，保证无线传输的可靠同步。
图9 无线通讯数据包
采集端最终的pcb版图如图10所示。包括一个电源电路模块、一个接口电路模块，两个加速度传感器电路模块和一个EOG电路模块。
图10 采集端pcb版图
在软件设计方面，采集端和接收端均采用多任务设计，在uCOS操作系统上完成开发。采集端共包括三个进程：主进程，负责检测键输入和切换状态，并控制指示灯显示；加速传感器监控进程，负责检测两个加速传感器模块的输入变换；EOG输入检测进程，负责检测EOG模块的输入信号。接收端则负责完成串口的初始化，在PC端执行硬件刷新时将自己识别成鼠标设备，并负责将接收到的控制数据按照串口鼠标的数据格式打包，通过串口发送给PC，从而对PC进行控制。
4 小结
本系统是以EOG为理论基础，使用信号采集电路对眼睛周围的表皮电信号进行采集，是对EOG理论的探索和实践，有很强的新颖性，在医学领域、家庭应用领域、甚至在工业和军事领域都有着潜在的应用价值。当然，系统还有很多需要改进的地方，例如在信号精度、去噪设计、稳定性和适应性设计、易用性方面还有很多改进的空间。
参考文献：
[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: 1–10.
[3] Belyavin, A. and Wright, N.A. Changes in electrical activity of the brainwith vigilance[J]. Electroenceph. clin. Neurophysiol., 1987, 66: 137–144.
[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: 393–404.
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