[发明专利]一种非侵入式专用脑机接口装置

说明书

本发明公开了一种非侵入式专用脑机接口装置，涉及人工智能技术领域，包括：中央处理器，用于对接脑机接口，利用神经网络算法处理大脑神经元电信号；信号处理单元，用于将大脑皮层电信号转换成计算机能识别的数字信号；数字电路单元，用于辅助信号处理单元转化电信号为数字信号；数据存储单元，用于提供运行内存和存储程序数据；通用接口控制单元，用于为大脑皮层神经元连接提供接口；协议控制单元，用于辅助芯片完成其功能；外部设备接口单元，用于提供GPIO接口的功能映射；加密和解密单元，用于芯片的开发调试使用，并对芯片程序进行加密和解密。本发明基于RISC‑V架构的非侵入式脑机接口无需进行手术侵入就可以实现对大脑信息的解码。

技术领域

本发明涉及人工智能技术领域，具体为一种非侵入式专用脑机接口装置。

背景技术

现有的脑机接口芯片，都是通用芯片，如前端数据采集、信号数据处理、专用RISC-V(第五代开源精简指令集架构)芯片内核，但是目前尚未有专用的脑机接口芯片。

现有的脑机接口技术，基本工作原理是如图1所示，包括：采集信号(SignalAcquisition)、信号输出与执行(Feature Extraction)和反馈；

脑机接口对信号采集的形式，可分为三种：

侵入式(Invasive BCI)，即通过开颅手术等方式，向脑组织内植入传感器以获取信号的设备。其缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织，进而导致信号质量的衰退甚至消失。Elon Musk的Neuralink采用的就是这种方式。

半侵入式(Partially invasive BCI)，即安置在大脑皮层表面接受信号的设备，接口一般植入到颅腔内，位于灰质外，其空间分辨率逊于侵入式脑机接口，但是优于非侵入式。优点是引发免疫反应和愈伤组织的几率较小，主要基于皮层脑电图(ECoG)进行信息分析。

非侵入式(Non-invasive BCI)，不进入大脑，即在头骨外检测信号的设备。这种形式像帽子一样方便佩戴。但是，由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发生的电磁波的分散和模糊效应，记录到信号的分辨率并不高，很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。典型的系统有脑电图(EGG)，脑电图的优点是其良好的时间分辨率、易用性、便携性和相对低廉的价格。然而，脑电图技术的一个核心问题是它对噪声的敏感性较差。此外，使用EEG作为脑机接口，需要用户在使用之前进行大量的训练，才能更好地操作非侵入式脑机接口。

脑电信号采集过程中有诸多干扰，如工频干扰、眼动伪迹、环境中的其他电磁干扰等。收集信息后需要对信号进行解码及再编码以达到处理干扰的目的。

分析模型是信息解码环节的关键，根据采集方式的不同，有脑电图(EGG)，皮层脑电图(ECoG)等模型可以协助分析。信号处理、分析及特征提取的方法包括去噪、滤波、P300信号分析、小波分析+奇异值分解。

获得环境反馈信息后再作用于大脑较为复杂。人类通过感知能力感受环境并且传递给大脑进行反馈，感知包括视觉、触觉、听觉。脑机接口利用多模态感知的混合解来实现。

现有技术方面，目前的芯片以TI-ADS1299芯片为主体，参见图2，TI公司的ADS1299芯片是8路低噪音同时取样的24位delta-sigma ADC(delta-sigma数模转换器),并内置了可编程增益放大器(PGA),基准电压和振荡器,集成了脑电图(EEG)所需的通用特性.器件具有非常低的输入参考噪音:1.0μVPP(70-Hz BW),每路的功耗5mW,输入偏置电流300pA,数据速率250SPS到16kSPS,C1.0μVPP(70-Hz BW),CMMR为-110dB,可编程增益为1,2,4,6,8,12或24,单极或双极电源工作,主要用在医疗仪器如EEG和ECG,听觉诱发电位(EAP),脑电双频谱指数(BIS),睡眠研究监测等,高精度多路信号采集。由于当下的ADS1299芯片的技术形态主要为通过电极采集脑电信号，其无法同时完成脑电信号的采集，预处理，计算，归类识别和标记的任务，即存在以下问题和缺点：