基于腦電波控制的醫療輔助系統

陳戌　張躍　孫文匯

摘要：隨著人工智能技術的快速發展，腦機接口技術也在不斷發展，并逐漸融人人們的生活當中。基于腦電波控制的醫療輔助系統主要包含了四個模塊，分別為：腦電信號采集、數據傳輸、腦電數據分析處理、智能小車平臺。針對Mlindlink腦電波頭戴，進行二次開發。通過Mindlink采集腦電波信號，由藍牙將數據傳輸給arduino解析出使用者當前的大腦活動狀態，提取所需的參數，控制小車的前進及其速度，從而達到用意念控制小車。

關鍵詞：腦電波 Mindlink 頭戴 Arduino 智能小車

1腦電波信號

注意力缺陷多動障礙（ADHD），在我國稱為多動癥，是兒童期常見的一類心理障礙。表現為與年齡和發育水平不相稱的注意力不集中和注意時間短暫、活動過度和沖動，常伴有學習困難、品行障礙和適應不良等癥狀。

腦電波來自腦神經組織的電活動，神經細胞傳遞信號時產生腦電信號，即腦電波。腦電波活動具有一定的規律性特征，并且與大腦的意識存在一定程度的對應關系。人在昏迷、興奮、緊張等不同狀態下，腦電波的頻率會有明顯的不同，大約分布在1 - 40Hz之間。依照不同的頻率，腦波又被進一步分為α、β、δ、θ、γ波。θ波（4 -7H z），腦波處于該頻率時人的精神處于深度松弛狀態，注意力高度集中，靈感涌現，創造力空前高漲。α波（8 - 14Hz），腦波處于該頻率時人的大腦清醒而放松，注意力呈聚焦狀，容易集中精神于某—工作中，不易處于外界其他事物干擾，并且大腦不易疲勞，現代科學積極倡導α波是為人們學習與思考的最佳腦波狀態。其中α波又分為3種，慢d波（8 - 9H z），臨睡前頭腦茫茫然的狀態，意識逐漸走向模糊。中α波（9 - 12H z），靈感、直覺或點子發揮威力的狀態，身心輕松而注意力集中。快α波（12 - 14Hz），稍顯緊張，無暇他顧的狀態。β波（14 - 30Hz），處于該腦波頻率，大腦處于清醒的意識，精神處于緊張狀態，對周圍事物很敏感，注意力集中于外在環境，呈分散狀，并且大腦容易疲勞，絕大多數人白天都處于這種狀態。

2EEG數據解析

2.{數據流格式說明

Mindlink大約每秒發送513個包，數據包是由異步串行字節流構成。發送的包有大包和小包兩種：小包的格式是AA AA 04 8002 xxHigh xxLow xxCheckSum，前面的AA AA 04 80 02是不變的，后三個字節是一直變化的，xxHigh和xxLow組成了原始數據rawdata，xxCheckSum就是校驗和。所以一個小包里面只包含一個對開發者來說有用的數據，就是rawdata，可以說一個小包就是一個原始數據，大約每秒鐘會有512個原始數據。對數據進行解析如下：

在算原始數據之前，先檢查校驗和：sum一《Ox80+Ox02+xxHigh+xxLow）^ OxFFFFFFFF）&OxFF;

從小包中解析出原始數據：rawdata-（xxHigh《8）lxxLow if（rawdata> 32768）{rawdata--65536}

在解析出的原始數據中，04代表專注度Attention，05代表放松度Medit ation。在本系統中，我們主要用到Attention這個數值。該變量為一無符號的長變量，用來表達被測試者的注意力集中程度，其取值范圍為0 100，默認情況下，該變量以每秒以此的頻率輸出。

2.2 eSense參數

NeuroSkyThinkGear技術在對原始腦電波信號采用了放大設計并過濾了環境噪音及肌肉組織運動產生的干擾后，又通過eSense算法進行計算，由此得到了量化的eSense參數值。eSense參數以1-100之間的具體數值來表示用戶的專注度水平和放松度水平。 數值在40-60之間表示此刻該項參數的值處于中間范圍，這一范圍即為腦電波測量技術中確定的“基線”;若測量數值高于此范圍，則表示使用者處于高放松度和高專注度的狀態，同理，若測量值低于此范圍，則表示使用者當前處于低放松度和低專注度的狀態。

3系統控制原理

本系統基于Mindlink頭戴進行二次開發，腦電波頭戴的電極貼在前額。頭戴采集腦電波信號，內部TGATI-L64芯片對腦電信號進行處理，處理后的數據由內置藍牙模塊傳出。設置XY_MBD07A藍牙模塊上電自動與Mindlink頭戴內置藍牙自動連接，經串口將接收到的數據傳輸給Arduino。Arduino將數據處理分析后，經串口將控制指令發送給STM32小車控制平臺，以此實現腦電波對智能小車的控制。

3.1腦電信號采集

Mindlink頭戴利用內部集成的腦電采集芯片NeuroSky公司的TGATI-L64芯片對使用者的腦電數據進行采集，同時將被采樣數據，通過高通濾波、低通濾波，數據分析、偽跡檢測、參考點轉換、基線校正等方法去除諸如眼動、心電、肌電的干擾信號，提取有效的腦電特征并分析給出相應數據;再由腦電耳機集成的藍牙接口將數據發送到處理器進行分析處理。

腦電信號采集使用Mindlink頭戴，Mindlink采集模塊含有TGATI-L64芯片、藍牙模塊、前額電極和電源。TGAT芯片是一個高度集成的單一芯片腦電傳感器，可以輸出三個NeuroSky的eSense參數，可以進行濾波、放大、A/D轉換，過濾眼電噪聲等處理后輸出腦電波的原始數據。

3.2藍牙通信

本系統主要采用藍牙的方式傳輸數據，Mindlink搭載HC-05模塊，主模塊選用XYMBD07A。

XYMBD07A模塊是基于賽普拉斯@CYPRESS（原美國博通@Broadcom）藍牙4.2 BLE+BR/EDR雙模芯片，集成藍牙協議基帶、MCU（CortexM3）、高增益射頻PCB天線，采用工業級設計、半孔引腳、ROHS制程，具有集成度極高、超低功耗、藍牙無線射頻性能卓越等特點。

藍牙模塊設置：使用XCOM串口調試助手連接XYMBD07A模塊，波特率為115200。將Mindlink設置為配對模式，發送指令AT+SCAN7（查詢掃描附近藍牙設備），AT+SCAN-（主動連接查詢到的藍牙設備），AT+LINK-（主動連接已配對藍牙設備），AT+LINK-I（自動連接最后以此配對的藍牙設備）。至此，藍牙模塊XYMBD07A就設置完成了'該模塊設置為上電自動與Mindlink連接，方便后期Arduino連接Mindlink接受數據。

3.3核心控制板

本系統采用的核心控制板為Arduino UNO，Arduino Uno是基于ATmega328P（數據表）的微控制器板。它有14個數字輸入/輸出引腳（其中6個可用作PWM輸出），6個模擬輸入，16 MHz石英晶體，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復位按鈕。它包含支持微控制器所需的一切;

Arduino板串口RXD端與XYMBD07A模塊TXD端相連接，接受Mindlink發出的數據。設計程序提取Attention值，經串口傳送數據到小車控制平臺。

4總結分析

本系統基于Arduino及Mindlink頭戴等器件設計了智能小車的控制系統，通過對eSense參數和數據包的研究，解析出Attention及Meditation值，實現了對智能小車的控制。可以幫助人們釋放壓力、訓練提高注意力，并能夠輔助治療兒童多動癥。

此控制系統不僅局限于對智能小車的控制，還可以與智能家居結合，實現對家中智能硬件的控制。隨著科學技術技術的不斷發展，腦機接口技術可以廣泛的應用到人們的日常生活當中，提高生活質量。