腦力驅(qū)動(dòng)殘疾輪椅與圖像顯示設(shè)計(jì)

陶陳逸 黃志成

摘 要：人類的每一閃思維、每一種情緒、每一個(gè)想法，在大腦中都會(huì)產(chǎn)生特定的腦電圖信號(hào)（EEG信號(hào)），這種信號(hào)由千百萬個(gè)神經(jīng)元共同產(chǎn)生，并在大腦內(nèi)傳播。將檢測到的EEG信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)或相關(guān)裝置，經(jīng)過有效的信號(hào)處理與模式識(shí)別后，計(jì)算機(jī)就能識(shí)別出使用者的思維狀態(tài)。通過采集與利用腦電，我們希望制作出腦力驅(qū)動(dòng)殘疾輪椅和腦電信號(hào)圖像軟件。

關(guān)鍵詞：腦電 殘疾輪椅 arduino平臺(tái) 圖像顯示

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0128-02

人類的每一閃思維、每一種情緒、每一個(gè)想法，在大腦中都會(huì)產(chǎn)生特定的腦電圖信號(hào)（EEG信號(hào)），這種信號(hào)由千百萬個(gè)神經(jīng)元共同產(chǎn)生，并在大腦內(nèi)傳播。不同思維情況下產(chǎn)生的神經(jīng)電活動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)出不同的時(shí)空變化模式會(huì)導(dǎo)致EEG信號(hào)的不同。將檢測到的EEG信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)或相關(guān)裝置，經(jīng)過有效的信號(hào)處理與模式識(shí)別后，計(jì)算機(jī)就能識(shí)別出使用者的思維狀態(tài)。通過采集與利用腦電，我們希望制作出腦力驅(qū)動(dòng)殘疾輪椅和腦電信號(hào)圖像軟件。

這部分研究的是如何用計(jì)算機(jī)語言使EEG在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)三維顯現(xiàn)，并和腦力驅(qū)動(dòng)輪椅相連接，實(shí)現(xiàn)在輪椅驅(qū)動(dòng)的同時(shí)在顯示屏上顯示圖像。Arduino平臺(tái)使用的AVR中ATMEGA168或是328的芯片，雖然使用的只是八位芯片，但因?yàn)椴捎玫氖荝ISC指令，并且在基于單片機(jī)的基礎(chǔ)上采用了各種新型技術(shù)，使得芯片得到很大提升。所以在基于Arduino平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過與腦電采集裝置的結(jié)合，進(jìn)行腦力驅(qū)動(dòng)輪椅的設(shè)計(jì)。

Mindwave腦電采集裝置是一種不依賴于外周神經(jīng)和肌肉等常規(guī)輸出通道的信息交流系統(tǒng)。它可為神經(jīng)肌肉障礙患者提供一條與外界溝通的途徑，并在虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲娛樂和航空等領(lǐng)域具有潛在價(jià)值。目前，常用的腦電輸入信號(hào)包括P300、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SS-VEP）、皮層慢電位（SCP）以及μ或β節(jié)律等。其中，SCP、μ或β節(jié)律等自發(fā)腦電不依賴于額外刺激的輸入，不會(huì)產(chǎn)生視覺疲勞，沒有適應(yīng)性的問題，且其神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)已獲得比較深入的研究，因而在Mindwave腦電采集裝置中得到了較多的應(yīng)用。但是，基于自發(fā)腦電的腦機(jī)接口也存在明顯的缺陷，如并非所有個(gè)體都適用基于μ節(jié)律的腦機(jī)接口，基于SCP的腦機(jī)接口要經(jīng)過長時(shí)間的訓(xùn)練才能實(shí)現(xiàn)等。以此為基礎(chǔ)我們想要為手腳不便的殘疾人提供一個(gè)腦力驅(qū)動(dòng)的輪椅方便其出行，使用者無需自己用手轉(zhuǎn)動(dòng)輪子便可完成輪椅的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、停止等動(dòng)作。

1 腦電信號(hào)采集

頭戴式無線腦機(jī)接口系統(tǒng)設(shè)備[1]采用半導(dǎo)體微加工工藝制作的“干”電極作為采集腦電信號(hào)的電極。信號(hào)處理采用專用的集成電路，信號(hào)的采集和處理端與信號(hào)接收端采用射頻芯片收發(fā)數(shù)據(jù)。頭戴式無線腦機(jī)接口系統(tǒng)設(shè)備準(zhǔn)備采用一種基于硅材料的干電極，它采用的微針結(jié)構(gòu)，通過熱氧化、光刻、腐蝕針尖、濺射金屬等過程，使用干濕法結(jié)合的加工方法和歐姆接觸層的正反連接結(jié)構(gòu)，如果效果受限，將準(zhǔn)備直接購買商用電極使用，簡化工藝流程。腦電信號(hào)采集部分采用兩個(gè)干電極，一個(gè)為信號(hào)電極，一個(gè)為參考電極。安放的位置選擇在前額葉，這里沒有頭發(fā)的干擾，適合干電極的貼附。從前額葉可以記錄到腦電四個(gè)波段的腦電及其能譜分布。腦電信號(hào)的采集與處理采用NeuroSky公司的ThinkGear ASIC專用芯片來進(jìn)行，該芯片集成的腦電信號(hào)分析模塊可以輸出實(shí)驗(yàn)所需的“專注度”和“放松度”兩個(gè)參數(shù)。采用了射頻傳輸信號(hào)的方式，將采集腦電并處理后得到的控制信號(hào)通過射頻芯片無線傳輸?shù)绞芸囟恕ＤX電采集與信號(hào)發(fā)射端系統(tǒng)主控制器采用TI公司的MSP430 F2132，射頻芯片采用Chip.con公司的CC2500，它具有體積小、功耗低、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足本系統(tǒng)的要求。在制作的腦電采集處理及射頻傳輸系統(tǒng)基礎(chǔ)上利用C/C++、c#和Java語言版本的API開發(fā)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，便于更好的方便實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的功能。系統(tǒng)的發(fā)射端用于得到專注度和放松度的參數(shù)值，接收端負(fù)責(zé)接收發(fā)射端發(fā)送過來的包含專注度和放松度的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包解碼得到專注度和放松度的參數(shù)值，并根據(jù)專注度和放松度的值來控制相應(yīng)外設(shè)的狀態(tài)。同樣也可以輸入到計(jì)算機(jī)中用于觀察所測腦電信號(hào)的相關(guān)信息。

2 腦控輪椅的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)介紹

腦控智能輪椅的控制系統(tǒng)主要由腦電采集裝置、藍(lán)牙接收、運(yùn)行于電腦的基于C的信號(hào)分析軟件、arduino平臺(tái)、電機(jī)主控制板等部分組成。該文采用的腦控輪椅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，輪椅主控板采用的是雙通道輸入來控制水平方向的前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向功能。

2.2 C語言軟件部分編寫

通過藍(lán)牙采集到ASIC芯片上的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)分為了集中度、放松度、眨眼信號(hào)等幾組不同數(shù)據(jù)，我們挑選出其中的集中度和放松度來作為輪椅前進(jìn)或者停止的判別依據(jù)。首先設(shè)定出停止與前進(jìn)的閥值，然后在集中度達(dá)到前進(jìn)閥值且持續(xù)時(shí)間達(dá)到2 s后，輸出前進(jìn)信號(hào)，同樣的，在放松度達(dá)到停止閥值持續(xù)1 s后，輸出停止信號(hào)。以9600波特率為基準(zhǔn)建立串口輸出模塊，通過USB的形式發(fā)送出去。

2.3 Arduino平臺(tái)

Arduino UNO是Arduino USB 接口系列的最新版本，作為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14 路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16 MHz 晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。UNO已經(jīng)發(fā)布到第三版，與前兩版相比有以下新的特點(diǎn)：在AREF處增加了兩個(gè)管腳SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一個(gè)預(yù)留管腳，將來擴(kuò)展板將能兼容5V和3.3V核心板。這樣改進(jìn)了復(fù)位電路設(shè)計(jì)，USB 接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2。

2.4 Arduino語言編寫

通過USB與電腦連接后，以9600比特率接收信號(hào)，若此時(shí)得到前進(jìn)信號(hào)，將通過11號(hào)端口以5V電壓輸出，在接收到停止信號(hào)后，停止電壓輸出，Arduino平臺(tái)代碼如圖2。輸出的電壓直接提供給輪椅主控板，然后通過主控板最終驅(qū)動(dòng)輪椅移動(dòng)。

3 信號(hào)的圖像顯示

在考慮到前期問題后，我們想借助現(xiàn)有知識(shí)解決編程問題，由此提出了多語言混合編程[4]的可能。

所謂多語言混合編程，是指使用兩種或兩種以上的程序設(shè)計(jì)語言來開發(fā)應(yīng)用程序的過程。我們知道，起始程序都是一樣的，最終都是機(jī)器碼，只是在編寫時(shí)使用的語言不同（編程語言都是程序的抽象，為了編程方便，本身并不是可運(yùn)行的程序，最終必須編譯成機(jī)器碼才能運(yùn)行，不同語言只是不同人編的，用的語法不同）。個(gè)人寫的源文件無論是任何語言寫的，最終編譯的結(jié)果都是機(jī)器碼。函數(shù)調(diào)用在機(jī)器碼就是很簡單的一步，將參數(shù)表要求的參數(shù)值放入堆棧，然后使用jmp指令跳轉(zhuǎn)到要調(diào)用的函數(shù)的函數(shù)地址即可，別的程序不管怎么實(shí)現(xiàn)，只要告訴參數(shù)表和函數(shù)地址就能調(diào)用，所有程序最終都是機(jī)器碼，自然也符合這個(gè)規(guī)則。所以實(shí)現(xiàn)互調(diào)，只要將對方的接口程序文件映射到自己的進(jìn)程中，然后預(yù)先知道他的參數(shù)表，得到他的接口函數(shù)地址，將參數(shù)放入堆棧，然后跳轉(zhuǎn)到函數(shù)地址，這樣就實(shí)現(xiàn)調(diào)用。我們提出通過C++語言與MATLAB語言混合編程[5]繪制，并成功通過編程讀取芯片輸出的相關(guān)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了簡單的二維顯示（見圖3）。

MATLAB具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖。可用于科學(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。

我們提出的解決方案是只以MATLAB為主，學(xué)習(xí)MATLAB相關(guān)的GUI設(shè)計(jì)，最終成功實(shí)現(xiàn)腦波的三維實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)各頻段腦波的三維圖像實(shí)時(shí)顯示（見圖4），并結(jié)合移動(dòng)端的顯示。

參考文獻(xiàn)

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