多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于腦機(jī)接口的電動(dòng)輪椅控制，目的在于給存在運(yùn)動(dòng)功能障礙的殘疾人或者有相關(guān)需要的人員提供另一種意愿輸出的途徑以及與外界環(huán)境交互的能力，為其給予生活或工作方面的輔助。實(shí)際的系統(tǒng)可以做到使用者僅須通過腦的想象與接受車載電腦的刺激就可以控制輪椅的轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退、加速、減速、啟動(dòng)和停止等。
【專利說明】多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一種通過腦電來直接控制輪椅的腦機(jī)接口系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]腦機(jī)接口(Brain-computer InterfaCe, BCI)的概念始于1973年,它是在人或動(dòng)物腦與外部設(shè)備間建立的直接連接通路。自上世紀(jì)70年代以來，隨著神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，腦機(jī)接口取得了很大進(jìn)展。目前，根據(jù)腦信號(hào)獲取的方式的不同，腦機(jī)接口可分為侵入式和非侵入式，直接將電極植入到腦殼內(nèi)稱為侵入式BCI ;從頭皮獲取信號(hào)則稱為非侵入BcI。腦電(EleCtro-encephalo graPhy,EEG)是腦細(xì)胞群體發(fā)放電所產(chǎn)生的宏觀現(xiàn)象，當(dāng)大腦活動(dòng)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生特定的腦電信號(hào)。對(duì)于侵入式腦機(jī)接口因?qū)㈦姌O置入大腦，可以直接從大腦皮層提取到信噪比較高的腦電信號(hào)。但對(duì)于非侵入腦機(jī)接口，則通常通過戴電極帽、紅外成像、功能核磁共振等方式來獲取腦電信號(hào)。
[0003]由于非侵入式BCI的研究，只需要通過特定的設(shè)備在大腦皮層的表面直接進(jìn)行腦電信號(hào)的采集和處理，且不需要進(jìn)行外科手術(shù)，因此非侵入式一直是BCI研究熱點(diǎn)。非侵入式BCI由于腦電信號(hào)(EEG)的時(shí)間分辨率高，且采集設(shè)備具有容易攜帶、便于使用等優(yōu)勢(shì)，是一種實(shí)用的腦機(jī)接口方式?；贓EG的非侵入式BCI，根據(jù)神經(jīng)生理學(xué)機(jī)理可分為:基于運(yùn)動(dòng)想象(Motor imagery, Ml)的BCI系統(tǒng)、基于事件相關(guān)電位(Event relatedPotential,ERP)的 BCI 系統(tǒng)、基于視覺誘發(fā)電位(VISual evoked potentials, VEP)的 BCI系統(tǒng)等。
[0004]近幾年，腦機(jī)接口的相關(guān)研究取得了很大的發(fā)展，腦機(jī)接口在腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、信息，控制科學(xué)等領(lǐng)域都產(chǎn)生了很多應(yīng)用。而在多自由度的運(yùn)動(dòng)控制方面的應(yīng)用主要有虛擬環(huán)境漫游、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)模擬、自動(dòng)車控制(包括模型車、機(jī)器人、輪椅控制等)、假肢控制等。國(guó)內(nèi)外一些腦機(jī)接口研究機(jī)構(gòu)如美國(guó)紐約州立大學(xué)奧爾巴尼分校、德國(guó)Fraunhofer研究中心和圖賓根大學(xué)、奧地利的Graz大學(xué)、日本R iken研究中心、新加波Infocomm研究中心，以及中國(guó)的清華大學(xué)等均發(fā)表了腦機(jī)接口輪椅控制的相關(guān)文章，主要采用的方法包括基于P300誘發(fā)電位、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)、運(yùn)動(dòng)想象的腦電信號(hào)特征提取與分類。僅適用視覺誘發(fā)電位(包括P300和SSVEP)的控制系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，訓(xùn)練時(shí)間短，但由于離散控制的內(nèi)在的缺陷，很難做到平滑，快速的控制。而單獨(dú)依靠運(yùn)動(dòng)想象的實(shí)現(xiàn)則需要對(duì)使用者進(jìn)行很長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練，而且對(duì)使用者的依賴性很強(qiáng)。
[0005]總結(jié)下來，主要有以下兩類:1.通過對(duì)運(yùn)動(dòng)想象特征進(jìn)行二分類來控制輪椅進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)向和勻速運(yùn)動(dòng)。此類方法功能簡(jiǎn)單，僅能做到最基本的轉(zhuǎn)向，而實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)遇到需要停止運(yùn)動(dòng)的情況，如轉(zhuǎn)彎角度較大或者掉頭。這種情況僅依靠轉(zhuǎn)向功能是很難應(yīng)付的。2.通過P300或者SSVEP腦電特征來進(jìn)行多自由度的輪椅控制。該控制方法通常需要對(duì)使用者受到多次重復(fù)的刺激的信號(hào)進(jìn)行平均來計(jì)算輸出，檢測(cè)速度較慢，使用者長(zhǎng)時(shí)間注視刺激信號(hào)，而且由于是同步工作方式，容易疲勞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)一種通過腦電來直接控制輪椅的腦機(jī)接口系統(tǒng)，給存在嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)功能障礙的殘疾人或者有相關(guān)需要的人員提供另一種輪椅駕駛控制手段，為其提供生活或工作方面的輔助。
[0007]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)，作品設(shè)計(jì)的基本思路是通過針對(duì)腦電信號(hào)中多種特征模式，主要包括對(duì)使用者的運(yùn)動(dòng)想象(Motor imagery)和接受被動(dòng)刺激時(shí)在腦電上的反映(P300視覺誘發(fā)電位)，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理及特征提取，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的分類或者回歸分析，從而做到多自由度的控制輸出。
[0009]本發(fā)明不僅實(shí)現(xiàn)了腦機(jī)接口的多維運(yùn)動(dòng)控制，而且進(jìn)一步提供了運(yùn)動(dòng)速度控制的功能，其中采用了基于多種腦電特征(P300誘發(fā)電位，運(yùn)動(dòng)想象)的多模態(tài)特征提取方法，而且通過對(duì)兩種特征的有效融合實(shí)現(xiàn)了速度的控制。計(jì)算機(jī)根據(jù)頭皮腦電信號(hào)中包含的P300誘發(fā)電位信息和運(yùn)動(dòng)想象節(jié)律信息特征，分別進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和分類。對(duì)于運(yùn)動(dòng)想象特征，我們首先進(jìn)行CAR(共同平均參考)濾波，去掉通道間的直流分量，然后進(jìn)行Mu(8-13Hz頻帶)節(jié)律的濾波，對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行CSP (共同空間模式)變換得到信號(hào)的特征模式，再通過SVM(支持向量機(jī))進(jìn)行分類，得到輪椅運(yùn)動(dòng)的角度信息；同時(shí)對(duì)于P300誘發(fā)電位，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，去除工頻干擾，提取每個(gè)通道信號(hào)的幅值連接起來，加上運(yùn)動(dòng)想象的CSP特征，共同構(gòu)成一個(gè)完整的特征向量，然后進(jìn)行SVM的分類，得到輪椅運(yùn)動(dòng)的速度信息。
[0010]創(chuàng)新點(diǎn):如果為了腦機(jī)接口系統(tǒng)的信號(hào)處理重新設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，則大大提高發(fā)明作品的實(shí)施成本。我們采用市面上常見的微機(jī)或個(gè)人電腦，加以一定的安裝結(jié)構(gòu)的改裝，將信號(hào)處理的過程用軟件模擬處理，將得出的信號(hào)作輪椅控制信號(hào)。
[0011]技術(shù)關(guān)鍵:輪椅的改造與硬件平臺(tái)的搭建，包括能源供給，線路設(shè)置，電機(jī)安裝位置及運(yùn)動(dòng)信號(hào)反饋等。腦電信號(hào)處理中特征的提取與選擇方法:對(duì)腦電信號(hào)中時(shí)間、空間以及頻率域特征進(jìn)行有效的提取，并選取最有利于分類的特征。腦電特征模式到控制指令的映射:對(duì)選取出來的特征必須合理的映射到輸出指令上才能有效的對(duì)輪椅進(jìn)行控制。
[0012]主要技術(shù)指標(biāo):控制的精度:即控制指令的輸出與使用者意愿的符合程度?？刂戚敵龅乃俣?能在控制輪椅運(yùn)動(dòng)的過程中有效地避開障礙物，在緊急情況下快速停止，而且能夠快速到達(dá)目標(biāo)位置等。使用者的體驗(yàn):使用者體驗(yàn)調(diào)查能夠在一定程度上反映該發(fā)明能否真正在實(shí)際中得到應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]在使用本發(fā)明前，使用者需要接受相關(guān)的一些訓(xùn)練。其中包括完成一段時(shí)間的P300和運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)，建立相應(yīng)的模型，然后進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的二維運(yùn)動(dòng)控制，在計(jì)算機(jī)模擬控制的性能達(dá)到要求后才能進(jìn)行輪椅的控制。
[0015]本發(fā)明僅采用使用者的腦電信號(hào)作為輸入，通過相應(yīng)的信號(hào)處理及模式識(shí)別方法提取出多維的控制信號(hào)，進(jìn)行輪椅的運(yùn)動(dòng)控制。當(dāng)有運(yùn)動(dòng)障礙的使用者產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)意識(shí)時(shí)，激發(fā)大腦中的P300誘發(fā)電位信息和運(yùn)動(dòng)想象節(jié)律信息，同時(shí)，輪椅自帶的腦機(jī)接口系統(tǒng)接收提取信號(hào)。
[0016]由大腦發(fā)出的信號(hào)不能直接作為控制信號(hào)，必須經(jīng)過一系列處理之后才能更好的用于輪椅控制。我們將大腦信號(hào)所要經(jīng)過的處理過程用輪椅自帶的微型電腦系統(tǒng)中的軟件模擬處理并得出運(yùn)行結(jié)果，控制輪椅的運(yùn)動(dòng)行為。
[0017]輪椅的運(yùn)動(dòng)行為將通過輪椅上的電機(jī)實(shí)現(xiàn)。
[0018]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實(shí)施例，其只是作為范例。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對(duì)該進(jìn)行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作出的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于，計(jì)算機(jī)根據(jù)頭皮腦電信號(hào)中包含的P300誘發(fā)電位信息和運(yùn)動(dòng)想象節(jié)律信息特征，分別進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和分類。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)想象特征，首先進(jìn)行CAR(共同平均參考)濾波，去掉通道間的直流分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于，所述CAR濾波之后進(jìn)行Mu (8-13HZ頻帶)節(jié)律的濾波，對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行CSP (共同空間模式)變換得到信號(hào)的特征模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3任一權(quán)利要求所述的一種多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于，所述得到信號(hào)的特征模式通過SVM(支持向量機(jī))進(jìn)行分類，得到輪椅運(yùn)動(dòng)的角度信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于，所述P300誘發(fā)電位，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，去除工頻干擾，提取每個(gè)通道信號(hào)的幅值連接起來。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3或5所述的一種多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)的幅值加上運(yùn)動(dòng)想象的CSP特征，共同構(gòu)成一個(gè)完整的特征向量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于，所述完整的特征向量進(jìn)行SVM的分類，得到輪椅運(yùn)動(dòng)的速度信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7所述的一種多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理過程通過微機(jī)軟件模擬處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或4或7所述的一種多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于，所述輪椅運(yùn)動(dòng)的角度及速度信息得出輪椅的運(yùn)動(dòng)控制信息，然后由輪椅所載的運(yùn)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK104133470SQ201310161250
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月3日
【發(fā)明者】徐燕鋒 申請(qǐng)人:徐燕鋒