脑电心理测试仪.pdf

本发明涉及电子测试仪器，特别是应用于心理测试与健康监护领域的脑电测试装置。该脑电心理测试仪由脑电极、信号采集与转换电路、计算机、耳机和投影仪等部分组成，其放置在头皮上的脑电极通过屏蔽线与脑电信号采集与转换电路连接，再与计算机相连；投影仪和耳机同计算机输出相连。通过对被试者施加一定方式的刺激(如视觉、听觉)，并从放置在头皮上的脑电极实时采集到的脑电波信号中，提取相应的事件相关电位进行分析，从而对被试者的身心状态做出评判。本发明信号放大倍数调解范围宽，测试过程时间短，事件相关电位提取效果好，操作简单灵活，适用人群广泛。可用于公、检、法机关案件侦查，以及神经病学、心理学等方面的应用和研究。

1、  一种脑电心理测试仪，由脑电极、信号采集与转换电路、计算机、耳机和投影仪组成，其特征在于，是通过对被试者施加一定方式的刺激，并从放置在头皮上的脑电极实时采集到的脑电波信号中，提取相应的事件相关电位进行分析，从而对被试者的身心状态做出评判。

2、  如权利要求1所述的脑电心理测试仪，其特征在于，放置在头皮上的脑电极通过屏蔽线与脑电信号采集与转换电路连接，再与计算机相连；投影仪和耳机同计算机输出相连。

3、  如权利要求2所述的脑电心理测试仪，其特征在于，脑电信号采集与转换电路由前置放大器、陷波器、高通放大滤波器、低通放大滤波器及A/D转换器顺序连接组成；脑电信号采集与转换电路的输入端连接放置在头皮上的脑电极，A/D转换器的输出端通过USB总线与计算机相连。

4、  如权利要求2所述的脑电心理测试仪，其特征在于，计算机包括数据通讯模块、ERP提取和分析系统、专家评判系统和刺激发生系统；其中，输入端接数据通讯模块，数据通讯模块与ERP提取和分析系统电连接，ERP提取和分析系统分别与专家评判系统和刺激发生系统电连接，专家评判系统连有显示器，刺激发生系统连有输出端。

5、  如权利要求4所述的脑电心理测试仪，其特征在于，脑电信号中ERP电位的提取算法采用B-样条小波变换和独立分量分析。

6、  如权利要求2所述的脑电心理测试仪，其特征在于，投影仪屏幕或终端显示器上呈现的刺激信息，由操作人员事先编辑好后，存于计算机硬盘，再由计算机主机控制播放。

7、  如权利要求1或6所述的脑电心理测试仪，其特征在于，所述刺激，为视觉或听觉方式的刺激。

脑电心理测试仪
技术领域
本发明涉及电子测试仪器，特别是涉及可应用于心理测试与健康监护领域的脑电波测试装置。
背景技术
仪器心理测试最早可追溯至1895年，是意大利犯罪心理学家龙勃罗梭(C.Lombroso)首次将水图式脉搏记录仪用于心理测试，此可视为用仪器心理测试的最早尝试。1949年基勒研制可连续记录血压、脉搏、呼吸、皮电等多项生理指标的记录仪，使得用仪器进行心理测试的准确性得到了进一步的提高。这些早期的心理测试仪常被称为Polygraph心理测试仪，或被简化直以Polygraph相称。目前，在世界范围内普遍应用的心理测试仪，大都是采用多导生理记录仪(Polygraph)来记录呼吸、心跳、皮电等自主神经系统活动的生理指标。但一些特殊被试和老练的当事人或受试者故意采取生理心理的对抗措施等一些反侦察手段常使Polygraph测试十分困难。由于不同受试者的生理心理素质、自制能力不同，敏感者易产生假阳性，自制能力强者易出现假阴性，受试者对待心理测试的态度也会影响到测试的结果。Polygraph心理测试这些难免的缺陷，其根本原因就是由于采用了心理生理变化：心跳、呼吸、血压、皮肤电阻等作指标。这些指标是间接的，并非测试大脑本身。
自从1875年英国生理学家卡顿(Caton)在动物脑上记录到生物电，到1929年德国精神病学家贝格尔(Berger)第一次报道了人的脑电图，至今已有一百多年的历史。人们曾以狂喜的心情看待从脑中发出来的电波，自然对从人脑中送出来的电波充满了神秘感，并对它寄予了很高的期望：有朝一日人们能从一个人的脑波中知道他在想些什么？但是，由于受科学与技术水平的限制，这种期望一直未能实现。1965年Sutton等人发现P300波(ERP电位)，P300波是一个主要与心理因素相关的内源性成分，也称意义波和理解波。经过近30年的研究，人们对P300的认识不断深入，P300现已被公认是研究人的认知活动和判断人的认知能力的有用指标，我国与美国的学者都发现，刺激物与被试者的利害关系及被试者的情绪都在P300上有所反映，而且P300的这些变化是被试者无法控制的。P300已经成为用脑电波进行心理测试的主要成分，这是当代心理测试研究的一次突破。
目前，针对ERP信号的研究，主要还是采用叠加平均法。但叠加平均法具有刺激次数多，测试时间长的弊端，这给实际应用带来了很大的不便。而本发明则采用小波分析和独立向量分析相结合的方法提取脑电ERP，并采用人工智能技术进行专家分析与评判，这样可大大减少必需的脑电极数和测试时间，并且对用户没有特殊的背景知识要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种脑电心理测试仪，用事先编辑好的图片、文字、声音等刺激序列，随机呈现给被试者，并同时实时采集其头部的脑电信号，然后对脑电波电位变化进行算法分析，从而对被试者在接受某一刺激时的心理状态进行评判。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种脑电心理测试仪，由脑电极、信号采集与转换电路、计算机、耳机和投影仪组成，其是通过对被试者施加一定方式的刺激，并从放置在头皮上的脑电极实时采集到的脑电波信号中，提取相应的事件相关电位进行分析，从而对被试者的身心状态做出评判。
所述的脑电心理测试仪，其放置在头皮上的脑电极通过屏蔽线与脑电信号采集与转换电路连接，再与计算机相连；投影仪和耳机同计算机输出相连。
所述的脑电心理测试仪，其脑电信号采集与转换电路由前置放大器、陷波器、高通放大滤波器、低通放大滤波器及A/D转换器顺序连接组成；脑电信号采集与转换电路的输入端连接放置在头皮上的脑电极，A/D转换器的输出端通过USB总线与计算机相连。
所述的脑电心理测试仪，其计算机包括数据通讯模块、ERP提取和分析系统、专家评判系统和刺激发生系统；其中，输入端接数据通讯模块，数据通讯模块与ERP提取和分析系统电连接，ERP提取和分析系统分别与专家评判系统和刺激发生系统电连接，专家评判系统连有显示器，刺激发生系统连有输出端。
所述的脑电心理测试仪，其脑电信号中ERP电位的提取算法采用B-样条小波变换和独立分量分析。
所述的脑电心理测试仪，其投影仪屏幕或终端显示器上呈现的刺激信息，由操作人员事先编辑好后，存于计算机硬盘，再由计算机主机控制播放。
所述的脑电心理测试仪，其所述刺激，为视觉或听觉方式的刺激。
本发明脑电心理测试仪采用小波变换和独立分量分析等方法，测试时间缩短，信号提取效果好，操作简单。本发明中的脑电信号采集与转换电路为自行研制完成，信号放大倍数高且可调，性能指标高，完全可以满足实际脑电信号的采集。
本发明脑电心理测试仪可用于公、检、法机关案件侦查，也可应用于神经病学、神经心理学、认知心理学、工程心理学、犯罪心理学等方面的应用和研究。
附图说明
图1为本发明脑电心理测试仪原理图；
图2为本发明脑电放大滤波系统结构图；
图3为国际标准10-20系统脑电极放置位图；
图4为本发明脑电心理测试仪工作流程图。
具体实施方式
本发明的实现原理图如图1所示。一种由投影仪、屏幕、耳机、脑电极、采集与转换电路、计算机等部分组成的脑电心理测试仪，其特征在于放置在头皮上地脑电极通过屏蔽线与脑电采集与转换电路相连，采集与转换电路再与计算机输入端相连，投影仪和耳机同计算机输出相连。
所述脑电信号采集与转换电路，如图2所示，由前置放大器、陷波器、高通放大滤波器、低通放大滤波器及A/D转换器顺序连接组成；脑电信号采集与转换电路的输入端连接放置在头皮上的脑电极，A/D转换器的输出端通过USB总线与计算机相连。脑电信号采集与转换电路按以下方式连接：脑电极通过屏蔽线与精密仪器放大器1的正负输入端相连接，电阻R3、电容C1并联连接放大器1的输出端，电阻R3的另一端连接运算放大器2的正输入端、电容C3；电容C1、C2、C3串联，电阻R1的一端与电容C1、C2连接，R1的另一端与电位器P2的一端连接，电阻R2的一端与电容C2、C3连接，R2的另一端与电位器P2的另一端连接，电位器P2的可调端与运算放大器3的负输入端和输出端连接，运算放大器3的正输入端与电位器P1的可调端连接，电位器P1的一端接地，另一端与放大器2的负输入端、输出端连接；运算放大器2的输出端与高通放大滤波器的输入端连接，高通放大滤波器的输出端连接到低通放大滤波器的输入端，低通放大滤波器的输出端再与A/D转换器连接，最后连接到计算机主机。
经测试，脑电信号采集与转换电路性能指标如下：
1)短路输入噪声：小于0.7uV峰峰值；
2)系统频带：0.5～40Hz；
3)50Hz陷波：衰减不低于60dB(±0.5Hz)；
4)输入阻抗：可实现大于10¹⁰Ω；
5)放大倍数：可实现50,000倍以上，可调；
6)共模抑制比：不低于110dB；
7)采样频率：每导程为256Hz；
8)电极导联方式：单极导联，双极导联可选；
9)各通道间隔离度：不低于100dB；
其中通道间隔离度的测试方法是：(1)各通道前置放大器两个输入端短路共地，记录各通道短路输出噪声的峰峰值A_i(i＝1，...，n)；(2)保留第i通道输入端短路共地，其它通道通过调节输入信号，使其输出处于满幅工作状态，并记录其峰峰值P，同时记录第i通道输出信号的峰峰值A_i′；
(3)然后带入公式：
          通道间隔离度＝(20×log(A_i′-A_i/P))dB
(4)同样方法对其它各通道进行测试；
所述脑电心理测试仪中ERP电位(P300)的提取采用目前最先进的信号处理方法---小波变换和独立分量分析方法。
本发明脑电心理测试仪工作过程如图4所示：首先，按国际标准10-20系统放置记录电极于Pz、Cz和Fz点，地极置于前额中央，参考电极夹于耳垂，如图3所示。电极放置前以酒精和乙醚混合液脱脂去污，使皮肤电阻小于5KΩ。为了便于对被测试人员的数据管理，需要建立被试者的个人信息档案，其中包括被试者的姓名、年龄、联系方式、健康状况等。然后进入刺激序列的编排和刺激发生系统的设置，按照引出脑电事件相关电位的两个基本条件---低概率(low-probability)和相关任务(task-relevant)的原则，选取靶刺激和非靶刺激，随机地对刺激序列进行编排，并确定实验次数。外围硬件设备接好后，就可以进行脑电波心理测试和数据采集。最后进行图谱回放与算法分析，包括图谱编辑、存储、脑电分析和ERP电位特征提取、专家分析评判等，其中ERP电位的提取采用小波变换和独立分量分析方法。
被试者在受到刺激(图片、文字等)，大脑必然活动，即内源性ERP电位变化，这种电位与人的认知心理加工过程有关，与事件刺激的物理参数无关。这种脑波变化是被试者无法控制的。被试者越想控制，他的脑波越不正常，因为他的这种“想控制”的想法本身就会产生与众不同的脑波。因此，脑电波心理测试可信度大为改善。