腦電心理測試儀的製作方法
2023-08-06 12:42:06
專利名稱：腦電心理測試儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子測試儀器，特別是涉及可應用於心理測試與健康監護領域的腦電波測試裝置。
背景技術：
儀器心理測試最早可追溯至1895年，是義大利犯罪心理學家龍勃羅梭(C.Lombroso)首次將水圖式脈搏記錄儀用於心理測試，此可視為用儀器心理測試的最早嘗試。1949年基勒研製可連續記錄血壓、脈搏、呼吸、皮電等多項生理指標的記錄儀，使得用儀器進行心理測試的準確性得到了進一步的提高。這些早期的心理測試儀常被稱為Polygraph心理測試儀，或被簡化直以Polygraph相稱。目前，在世界範圍內普遍應用的心理測試儀，大都是採用多導生理記錄儀(Polygraph)來記錄呼吸、心跳、皮電等自主神經系統活動的生理指標。但一些特殊被試和老練的當事人或受試者故意採取生理心理的對抗措施等一些反偵察手段常使Polygraph測試十分困難。由於不同受試者的生理心理素質、自制能力不同，敏感者易產生假陽性，自制能力強者易出現假陰性，受試者對待心理測試的態度也會影響到測試的結果。Polygraph心理測試這些難免的缺陷，其根本原因就是由於採用了心理生理變化心跳、呼吸、血壓、皮膚電阻等作指標。這些指標是間接的，並非測試大腦本身。
自從1875年英國生理學家卡頓(Caton)在動物腦上記錄到生物電，到1929年德國精神病學家貝格爾(Berger)第一次報導了人的腦電圖，至今已有一百多年的歷史。人們曾以狂喜的心情看待從腦中發出來的電波，自然對從人腦中送出來的電波充滿了神秘感，並對它寄予了很高的期望有朝一日人們能從一個人的腦波中知道他在想些什麼？但是，由於受科學與技術水平的限制，這種期望一直未能實現。1965年Sutton等人發現P300波(ERP電位)，P300波是一個主要與心理因素相關的內源性成分，也稱意義波和理解波。經過近30年的研究，人們對P300的認識不斷深入，P300現已被公認是研究人的認知活動和判斷人的認知能力的有用指標，我國與美國的學者都發現，刺激物與被試者的利害關係及被試者的情緒都在P300上有所反映，而且P300的這些變化是被試者無法控制的。P300已經成為用腦電波進行心理測試的主要成分，這是當代心理測試研究的一次突破。
目前，針對ERP信號的研究，主要還是採用疊加平均法。但疊加平均法具有刺激次數多，測試時間長的弊端，這給實際應用帶來了很大的不便。而本發明則採用小波分析和獨立向量分析相結合的方法提取腦電ERP，並採用人工智慧技術進行專家分析與評判，這樣可大大減少必需的腦電極數和測試時間，並且對用戶沒有特殊的背景知識要求。
發明內容
本發明目的在於提供一種腦電心理測試儀，用事先編輯好的圖片、文字、聲音等刺激序列，隨機呈現給被試者，並同時實時採集其頭部的腦電信號，然後對腦電波電位變化進行算法分析，從而對被試者在接受某一刺激時的心理狀態進行評判。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種腦電心理測試儀，由腦電極、信號採集與轉換電路、計算機、耳機和投影儀組成，其是通過對被試者施加一定方式的刺激，並從放置在頭皮上的腦電極實時採集到的腦電波信號中，提取相應的事件相關電位進行分析，從而對被試者的身心狀態做出評判。
所述的腦電心理測試儀，其放置在頭皮上的腦電極通過屏蔽線與腦電信號採集與轉換電路連接，再與計算機相連；投影儀和耳機同計算機輸出相連。
所述的腦電心理測試儀，其腦電信號採集與轉換電路由前置放大器、陷波器、高通放大濾波器、低通放大濾波器及A/D轉換器順序連接組成；腦電信號採集與轉換電路的輸入端連接放置在頭皮上的腦電極，A/D轉換器的輸出端通過USB總線與計算機相連。
所述的腦電心理測試儀，其計算機包括數據通訊模塊、ERP提取和分析系統、專家評判系統和刺激發生系統；其中，輸入端接數據通訊模塊，數據通訊模塊與ERP提取和分析系統電連接，ERP提取和分析系統分別與專家評判系統和刺激發生系統電連接，專家評判系統連有顯示器，刺激發生系統連有輸出端。
所述的腦電心理測試儀，其腦電信號中ERP電位的提取算法採用B-樣條小波變換和獨立分量分析。
所述的腦電心理測試儀，其投影儀屏幕或終端顯示器上呈現的刺激信息，由操作人員事先編輯好後，存於計算機硬碟，再由計算機主機控制播放。
所述的腦電心理測試儀，其所述刺激，為視覺或聽覺方式的刺激。
本發明腦電心理測試儀採用小波變換和獨立分量分析等方法，測試時間縮短，信號提取效果好，操作簡單。本發明中的腦電信號採集與轉換電路為自行研製完成，信號放大倍數高且可調，性能指標高，完全可以滿足實際腦電信號的採集。
本發明腦電心理測試儀可用於公、檢、法機關案件偵查，也可應用於神經病學、神經心理學、認知心理學、工程心理學、犯罪心理學等方面的應用和研究。
圖1為本發明腦電心理測試儀原理圖；圖2為本發明腦電放大濾波系統結構圖；圖3為國際標準10-20系統腦電極放置位圖；圖4為本發明腦電心理測試儀工作流程圖。
具體實施例方式
本發明的實現原理圖如圖1所示。一種由投影儀、屏幕、耳機、腦電極、採集與轉換電路、計算機等部分組成的腦電心理測試儀，其特徵在於放置在頭皮上的腦電極通過屏蔽線與腦電採集與轉換電路相連，採集與轉換電路再與計算機輸入端相連，投影儀和耳機同計算機輸出相連。
所述腦電信號採集與轉換電路，如圖2所示，由前置放大器、陷波器、高通放大濾波器、低通放大濾波器及A/D轉換器順序連接組成；腦電信號採集與轉換電路的輸入端連接放置在頭皮上的腦電極，A/D轉換器的輸出端通過USB總線與計算機相連。腦電信號採集與轉換電路按以下方式連接腦電極通過屏蔽線與精密儀器放大器1的正負輸入端相連接，電阻R3、電容C1並聯連接放大器1的輸出端，電阻R3的另一端連接運算放大器2的正輸入端、電容C3；電容C1、C2、C3串聯，電阻R1的一端與電容C1、C2連接，R1的另一端與電位器P2的一端連接，電阻R2的一端與電容C2、C3連接，R2的另一端與電位器P2的另一端連接，電位器P2的可調端與運算放大器3的負輸入端和輸出端連接，運算放大器3的正輸入端與電位器P1的可調端連接，電位器P1的一端接地，另一端與放大器2的負輸入端、輸出端連接；運算放大器2的輸出端與高通放大濾波器的輸入端連接，高通放大濾波器的輸出端連接到低通放大濾波器的輸入端，低通放大濾波器的輸出端再與A/D轉換器連接，最後連接到計算機主機。
經測試，腦電信號採集與轉換電路性能指標如下1)短路輸入噪聲小於0.7uV峰峰值；2)系統頻帶0.5～40Hz；3)50Hz陷波衰減不低於60dB(±0.5Hz)；4)輸入阻抗可實現大於1010Ω；5)放大倍數可實現50,000倍以上，可調；
6)共模抑制比不低於110dB；7)採樣頻率每導程為256Hz；8)電極導聯方式單極導聯，雙極導聯可選；9)各通道間隔離度不低於100dB；其中通道間隔離度的測試方法是(1)各通道前置放大器兩個輸入端短路共地，記錄各通道短路輸出噪聲的峰峰值Ai(i＝1，...，n)；(2)保留第i通道輸入端短路共地，其它通道通過調節輸入信號，使其輸出處於滿幅工作狀態，並記錄其峰峰值P，同時記錄第i通道輸出信號的峰峰值Ai′；(3)然後帶入公式通道間隔離度＝(20×log(Ai′-Ai/P))dB(4)同樣方法對其它各通道進行測試；所述腦電心理測試儀中ERP電位(P300)的提取採用目前最先進的信號處理方法---小波變換和獨立分量分析方法。
本發明腦電心理測試儀工作過程如圖4所示首先，按國際標準10-20系統放置記錄電極於Pz、Cz和Fz點，地極置於前額中央，參考電極夾於耳垂，如圖3所示。電極放置前以酒精和乙醚混合液脫脂去汙，使皮膚電阻小於5KΩ。為了便於對被測試人員的數據管理，需要建立被試者的個人信息檔案，其中包括被試者的姓名、年齡、聯繫方式、健康狀況等。然後進入刺激序列的編排和刺激發生系統的設置，按照引出腦電事件相關電位的兩個基本條件---低概率(low-probability)和相關任務(task-relevant)的原則，選取靶刺激和非靶刺激，隨機地對刺激序列進行編排，並確定實驗次數。外圍硬體設備接好後，就可以進行腦電波心理測試和數據採集。最後進行圖譜回放與算法分析，包括圖譜編輯、存儲、腦電分析和ERP電位特徵提取、專家分析評判等，其中ERP電位的提取採用小波變換和獨立分量分析方法。
被試者在受到刺激(圖片、文字等)，大腦必然活動，即內源性ERP電位變化，這種電位與人的認知心理加工過程有關，與事件刺激的物理參數無關。這種腦波變化是被試者無法控制的。被試者越想控制，他的腦波越不正常，因為他的這種「想控制」的想法本身就會產生與眾不同的腦波。因此，腦電波心理測試可信度大為改善。
權利要求
1.一種腦電心理測試儀，由腦電極、信號採集與轉換電路、計算機、耳機和投影儀組成，其特徵在於，是通過對被試者施加一定方式的刺激，並從放置在頭皮上的腦電極實時採集到的腦電波信號中，提取相應的事件相關電位進行分析，從而對被試者的身心狀態做出評判。
2.如權利要求1所述的腦電心理測試儀，其特徵在於，放置在頭皮上的腦電極通過屏蔽線與腦電信號採集與轉換電路連接，再與計算機相連；投影儀和耳機同計算機輸出相連。
3.如權利要求2所述的腦電心理測試儀，其特徵在於，腦電信號採集與轉換電路由前置放大器、陷波器、高通放大濾波器、低通放大濾波器及A/D轉換器順序連接組成；腦電信號採集與轉換電路的輸入端連接放置在頭皮上的腦電極，A/D轉換器的輸出端通過USB總線與計算機相連。
4.如權利要求2所述的腦電心理測試儀，其特徵在於，計算機包括數據通訊模塊、ERP提取和分析系統、專家評判系統和刺激發生系統；其中，輸入端接數據通訊模塊，數據通訊模塊與ERP提取和分析系統電連接，ERP提取和分析系統分別與專家評判系統和刺激發生系統電連接，專家評判系統連有顯示器，刺激發生系統連有輸出端。
5.如權利要求4所述的腦電心理測試儀，其特徵在於，腦電信號中ERP電位的提取算法採用B-樣條小波變換和獨立分量分析。
6.如權利要求2所述的腦電心理測試儀，其特徵在於，投影儀屏幕或終端顯示器上呈現的刺激信息，由操作人員事先編輯好後，存於計算機硬碟，再由計算機主機控制播放。
7.如權利要求1或6所述的腦電心理測試儀，其特徵在於，所述刺激，為視覺或聽覺方式的刺激。
全文摘要
本發明涉及電子測試儀器，特別是應用於心理測試與健康監護領域的腦電測試裝置。該腦電心理測試儀由腦電極、信號採集與轉換電路、計算機、耳機和投影儀等部分組成，其放置在頭皮上的腦電極通過屏蔽線與腦電信號採集與轉換電路連接，再與計算機相連；投影儀和耳機同計算機輸出相連。通過對被試者施加一定方式的刺激(如視覺、聽覺)，並從放置在頭皮上的腦電極實時採集到的腦電波信號中，提取相應的事件相關電位進行分析，從而對被試者的身心狀態做出評判。本發明信號放大倍數調解範圍寬，測試過程時間短，事件相關電位提取效果好，操作簡單靈活，適用人群廣泛。可用於公、檢、法機關案件偵查，以及神經病學、心理學等方面的應用和研究。
文檔編號A61B5/16GK1606960SQ20031010062
公開日2005年4月20日 申請日期2003年10月13日 優先權日2003年10月13日
發明者李學恩, 王豔軍, 董松樵, 張吉華 申請人:北京新科永創科技有限公司, 中國科學院自動化研究所