解密黑科技
——用“意識”控制的輪椅

文/本刊記者 韋斗斗 特約通訊員 那睿

2019北京雙創周展覽現場，一款名為“腦控輪椅”的黑科技引起媒體關注。這款用“意識”控制的輪椅，以其便捷的操作、可控性以及“高顏值”的外表吸引了眾多參觀人員上前咨詢、體驗。

這款“腦控輪椅”來自北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院先進傳感技術實驗室，由博士生導師鄭德智教授團隊研發。

時間回到2018年10月，北京航空航天大學“馮如杯”科技競賽開始預熱。鄭德智的學生、研發團隊成員張亞軍說道：“輪椅最初的構想源于一名本科生，他找到鄭老師，想在實驗室去年指導學生完成的“腦控密碼鍵盤”項目基礎上，實現一個腦機接口項目。

今年5月18日，“馮如杯”科技競賽拉開帷幕，該研發項目奪得本屆科技創新競賽一等獎。作品名稱為穩態視覺誘發腦電控制的智能輪椅，簡稱“腦控輪椅”。這項科技發明創新究竟有什么奧秘呢？我們來一探究竟。

突破技術瓶頸，填補市場空缺

基于穩態視覺誘發電位的“腦控輪椅”系統，是通過視覺刺激誘發不同的人腦信號，然后對其進行分析與處理以提取出反映人意圖的特征，進而將這些信號特征轉換成控制輪椅的具體指令，從而實現人對輪椅的控制。

“腦控輪椅”傳感器

“腦控輪椅”研發團隊部分成員

市場上基于穩態視覺誘發電位的“腦控輪椅”，大多采用實驗研究用的腦電放大器來構建系統。雖然這些腦電放大器能夠確保采集的腦電信號具有較高的質量進而便于腦電解碼，但卻會導致了整個系統笨重、成本增加和不便于攜帶等問題。

研發團隊還注意到，由于腦電信號幅值微弱，且易受周圍環境及其他電生理信號干擾，傳統的腦電輔助康復EEG 采集系統都是針對處于坐、臥等靜止狀態的受試者設計的，記錄通常采用濕電極傳感器，雖然導電膏降低了接觸阻抗，提高了采集信號的質量，但是涂抹導電膏費時費力，無法長時間使用，嚴重時甚至會引起皮膚的過敏。這些不便在很大程度上限制了采集腦電信號的實用性日常性。

為了提高腦控輪椅系統的便攜性，鄭德智團隊利用長期從事傳感器敏感機理及微弱信號檢測研究積累的豐富工作經驗，自主研制了一套干電極腦電采集系統，避免了傳統濕電極使用不便和國外有源干電極體積大等問題，實現了腦電微弱信號的精確測量，真正做到了即戴即用，顯著縮短了腦電帽的佩戴準備時間，并且用后無需清理頭發，具有極高的便捷性和使用舒適度，為腦-機接口的真正實用化和推廣打下了良好的基礎。同時團隊也研制了適合于干電極檢測的低信噪比腦機接口系統及配套的信息編碼與解調系統，實現了微弱腦電信信號的實時解調。

目前國內外大多數基于穩態視覺誘發電位的腦控輪椅系統采用的低頻刺激，能夠誘發出較強的穩態視覺誘發電位，但低頻刺激閃爍強烈,易引起用戶疲勞。本項目創新采用中頻段刺激，提高了用戶的舒適度。不過，中頻段誘發的腦電信號相比較低頻段更加微弱，團隊又對此進行研究，最終真正實現了15-30Hz中頻段刺激的實時解調。

“腦控輪椅”系統中，首先由安裝于輪椅上部的顯示屏產生刺激界面，各個目標按照互不相同的固定頻率進行閃爍，當使用者需要控制輪椅執行某種指令時，僅需將視線集中于對應的目標，接著會在使用者的大腦皮層產生相對應的穩態視覺誘發電位。通過數據采集，系統對該電位進行收集及預處理，得到處理后的數字信號通過藍牙傳輸給上位機進行分析。上位機對傳輸回的信號進行特征提取和分類，得到相對應的設備命令，按照一定的編碼格式通過串口傳遞給下位機。下位機收到指令后，按照相應的方法進行解碼，得到需完成的設備指令，通過PWM口輸出相應的電壓信號，從而控制智能輪椅執行相應的運動指令。最后輪椅將所執行的指令按照某種編碼方式回傳給刺激界面，刺激界面將相應的目標置為綠色并進行語音提示，實現良好的操作反饋。

“腦控輪椅”傳感器

項目實現了使用者從腦電信號采集到輪椅控制僅需1～2秒注視相應目標，即可控制輪椅相應的操作，準確率可達98%。同時使用者佩戴干電極腦電傳感器，僅需20秒左右時間，方便快捷，很好地滿足了具有嚴重運動障礙患者的需求，填補了相應設備市場的空缺。

鄭德智在實驗室調試設備

以創新為基，攻民之難題

據不完全統計，全世界共有百萬人患有運動神經元疾病，這些患者雖然具有正常的認知能力，可以看到、聽到和感受到周圍的一切，但由于自身神經網絡的病變，無法有效地控制各肢體部位的動作，進而無法與外界實現有效的信息溝通。例如大量高位截癱患者，他們擁有健全的大腦，卻由于無法有效地控制自身肢體而無法正常生活。市面上存在大量的幫助運動障礙患者自主運動的醫療輔助器械，例如拐杖、電動輪椅等等，但這些產品或多或少都需要外部肌肉和神經的參與，例如電動輪椅一般需要利用手腕進行操控，這對于具有嚴重運動障礙患者而言是無法做到的。因此通過腦電實現外部設備的控制在某種程度上成為了提高這些患者自主運動能力的為數不多的可行方案之一。

研發團隊成員那睿說：“提高嚴重運動障礙患者的生活自理能力，讓他們重新融入社會，是此領域研究者應該關注的問題。”

腦-機接口（Brain-Computer Interference, BCI）技術是一種允許人腦與外部設備實時交互的通信或控制系統。它通過測量和分析大腦信號并將其轉化為相應的設備控制信號，從而實現對外部設備的控制，因此在整個控制過程中無需外部神經網絡和肌肉的參與，可為嚴重運動障礙患者提供與外界交互的新途徑。

腦電信號極其微弱，干擾因素較多，除了需要繁瑣的準備流程進行降噪處理外，信號采集系統往往體積龐大、價格高昂，極不利于腦機接口技術的應用。因此，研制一款便捷的可穿戴腦電信號檢測與控制系統，對于腦機接口技術的應用發展，具有重要的現實意義。

團隊利用腦-機接口無需外圍神經網絡和肌肉參與的特點，將腦-機接口與電動輪椅的有機結合，為嚴重運動障礙患者提供一種與外界交互的方式。

那睿說道：“考慮到這一點，我們創新性地研制了干電極腦電傳感器敏感微弱腦電信號，即戴即用，完全避免了傳統濕電極腦電傳感器使用前繁瑣的準備流程，并利用FPGA研制了配套的微弱信號解調系統，有效地減小了腦電設備的體積，并且大大縮減了系統成本，在腦-機接口的應用化上邁出了重要的一步，為廣大具有嚴重運動障礙的人群提供了一個能夠讓他們重新步入社會的途徑。”

“腦控輪椅”項目中的基于穩態視覺誘發電位的腦機接口控制系統，具有很好的移植性，不僅可用于輪椅控制，還可針對不同的任務需求設計不同的界面來完成相應的人機交互，例如：設計全鍵盤界面實現文字輸入、應用于游戲娛樂、教育科普演示，智能家居，醫療康復等諸多領域。該成果是腦-機接口控制技術的一種創新應用嘗試，為將來腦-機接口設備規模化應用奠定了基礎。

北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院先進傳感技術實驗室長期致力于滿足國家戰略需求的傳感器及其檢測技術的研究，并積極開展多學科交叉創新研究，近年來多次獲得國家（國家技術發明二等獎、國家科技進步二等獎）及部委獎勵，發表高水平論文50余篇、授權發明專利12項。

鄭德智說：“團隊的重心一直都放在前沿科學技術研究上，‘可穿戴干電極穩態視覺誘發腦控輪椅’系統是目前腦機接口領域中唯一一種可以實用化，走進老百姓家庭的技術。同時，我們正在和中國人民大學附屬中學合作，建立聯合實驗室，希望用孩子們的聰明才智與創新活力提升科研體驗，讓孩子們更早的體驗到前沿科學技術，讓他們感受科學，熱愛科學，未來為我國的科學技術進步作出更大貢獻。”

也許，這才是黑科技真正的秘密。