一種基于腦近紅外功能信息檢測(cè)的輪椅控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于腦近紅外功能信息檢測(cè)的輪椅控制系統(tǒng)，包括近紅外采集單元、控制單元、電腦處理單元、無(wú)線傳輸單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，所述的近紅外采集單元輸出端連接控制單元輸入端，所述的控制單元輸出端連接電腦處理單元的輸入端，電腦處理單元的輸出端連接無(wú)線傳輸單元的輸入端，所述的無(wú)線傳輸單元的輸出端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的輸入端連接。本發(fā)明利用識(shí)別腦部運(yùn)動(dòng)功能區(qū)，想象左手、想象右手、想象左腳或想象右腳4種運(yùn)動(dòng)意識(shí)，通過(guò)檢測(cè)有氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量的不同，達(dá)到辨識(shí)的目的，從而發(fā)出控制指令，具有成本低，分辨率高，可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種基于腦近紅外功能信息檢測(cè)的輪椅控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種智能輪椅系統(tǒng)，具體為一種基于腦近紅外功能信息檢測(cè)的輪椅控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]智能輪椅作為醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域的服務(wù)性輔助運(yùn)動(dòng)工具，可以幫助殘疾人和老年人獲得生活自理能力和工作能力，融入社會(huì)?，F(xiàn)有的基于運(yùn)動(dòng)想象的輪椅控制系統(tǒng)，主要針對(duì)的是頭皮的腦電信號(hào)，利用腦電信號(hào)提取運(yùn)動(dòng)指令，但是腦電信號(hào)雖然有高的時(shí)間分辨率，但是這種檢測(cè)手段的空間分辨率確很低。并且成本高，檢測(cè)信號(hào)不穩(wěn)定?；谀X電的控制輪椅系統(tǒng)中，因?yàn)榇蠖喽夹枰杉X皮電信號(hào)，所使用電極為Ag/Agcl電極，電極中導(dǎo)電膠一般都含有鹽的成分，可能會(huì)滲透到皮膚中，造成過(guò)敏性皮炎，并且鹽分濃度越高，越容易引起過(guò)敏，同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的使用，電極中的導(dǎo)電膠會(huì)脫水干化，造成電極與皮膚之間的接觸阻抗發(fā)生變化，導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的信噪比下降。所以我們所提出的新的方法，避開(kāi)了這些缺點(diǎn)，能夠更好的長(zhǎng)時(shí)間使用。并且不會(huì)對(duì)人體造成傷害?，F(xiàn)有的腦近紅外功能信息檢測(cè)技術(shù)，只應(yīng)用于大腦中血氧含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還沒(méi)有應(yīng)用到控制系統(tǒng)。
[0003]而研究表明，人在進(jìn)行不同的運(yùn)動(dòng)想象的時(shí)候，對(duì)應(yīng)大腦不同運(yùn)動(dòng)功能區(qū)的兩種血紅蛋白的含量是不相同的，根據(jù)其提供了一種新的腦認(rèn)知模型和運(yùn)動(dòng)意識(shí)指令辨識(shí)的方法，能夠?yàn)閷?dǎo)航控制系統(tǒng)準(zhǔn)確下達(dá)指令。利用的是腦近紅外光譜圖對(duì)腦功能區(qū)定位的實(shí)時(shí)性，建立的一種新的腦認(rèn)知模型和運(yùn)動(dòng)意識(shí)指令方案，大腦中含有氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白，這兩種物質(zhì)是近紅外光的主要吸收者，也是人的新陳代謝的主要標(biāo)志，其含量的變化，可以反映大腦活動(dòng)的不同狀態(tài)。因而可以通過(guò)這些特征，利用近紅外成像技術(shù)來(lái)提取人的認(rèn)知即意識(shí)信息，應(yīng)用于腦認(rèn)知的殘疾輪椅導(dǎo)航系統(tǒng)中。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)采集頭皮的腦電信號(hào)的缺陷，旨在提供一種基于腦近紅外功能信息檢測(cè)的輪椅控制系統(tǒng)，利用識(shí)別腦部運(yùn)動(dòng)功能區(qū)，不同的運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)，通過(guò)檢測(cè)有氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量的不同，達(dá)到運(yùn)動(dòng)控制的目標(biāo)。
[0005]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]一種基于腦近紅外功能信息檢測(cè)的輪椅控制系統(tǒng)，包括近紅外采集單元、控制單元、電腦處理單元、無(wú)線傳輸單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，所述的近紅外采集單元輸出端連接控制單元輸入端，所述的控制單元輸出端連接電腦處理單元的輸入端，電腦處理單元的輸出端連接無(wú)線傳輸單元的輸入端，所述的無(wú)線傳輸單元的輸出端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的輸入端連接。
[0007]所述的近紅外采集單元包含信息采集面板，面板上設(shè)有光源和探測(cè)器，面板通過(guò)排線與光源驅(qū)動(dòng)電路和光采集電路相連接，用于采集在進(jìn)行想象運(yùn)動(dòng)時(shí)大腦的活動(dòng)區(qū)域及其血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化信息；
[0008]所述的光源采用LED光源，光源驅(qū)動(dòng)電路采用恒流驅(qū)動(dòng)專用集成電路TB62726，具有16路的恒流輸出，輸出電流可以通過(guò)外接電阻調(diào)節(jié)。
[0009]所述的探測(cè)器內(nèi)部集有雪崩光電二極和前置放大器，用于獲取被測(cè)部位的光學(xué)信號(hào)。
[0010]所述的控制單元包含STM32微控制器，用于對(duì)探測(cè)器采集的信號(hào)濾除工頻干擾、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通訊的功能。
[0011]所述的電腦處理單元包括處理模塊和顯示模塊，將STM32微控制器輸送的數(shù)據(jù)用于將近紅外采集單元采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息特征提取，并對(duì)提取得到的特征信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)意識(shí)腦信號(hào)辨識(shí)，包括光電信號(hào)融合圖像重構(gòu)、采集的腦數(shù)據(jù)特征提取和模式識(shí)別，實(shí)現(xiàn)腦信號(hào)中想象左手、想象右手、想象左腳或想象右腳4種運(yùn)動(dòng)意識(shí)指令的辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果發(fā)出控制指令。
[0012]所述的無(wú)線傳輸單元包含無(wú)線藍(lán)牙發(fā)送裝置和無(wú)線藍(lán)牙接收裝置，用于將電腦處理單元的指令傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。
[0013]所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元用于接收電腦處理單元的控制命令，并發(fā)送信號(hào)控制輪椅的運(yùn)行。
[0014]本發(fā)明的有益效果為:支持向量機(jī)利用輸入空間的核函數(shù)取代了高維特征空間中的內(nèi)積運(yùn)算，解決了算法可能導(dǎo)致的“維數(shù)災(zāi)難”問(wèn)題，在輸入空間比較向量，對(duì)結(jié)果再做非線性的變化，這樣大的工作量將在輸入空間而不是在高維特征空間中完成；同時(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，安裝方便，成本低，而且識(shí)別正確率在85 %以上。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；
[0016]圖2是腦功能區(qū)在腦近紅外光譜。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，以下所述，僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明做其他形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更為同等變化的等效實(shí)施例。凡是未脫離本發(fā)明方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改或等同變化，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0018]人腦在進(jìn)行不同的想象運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，大腦進(jìn)行的想象運(yùn)動(dòng)不同，將導(dǎo)致大腦的活動(dòng)區(qū)域不同，同時(shí)含氧血紅蛋白的含量也會(huì)不同。不同的腦功能區(qū)在腦近紅外光譜圖上的反應(yīng)是不同的。
[0019]如圖2所示，兩種血紅蛋白在805nm附近有一個(gè)等吸收點(diǎn)，故利用波長(zhǎng)為805nm的光可以反映組織中血容量的變化信息。為獲得氧合血紅蛋白(Hb02)和脫氧血紅蛋白(Hb)各自濃度的變化信息，其它兩個(gè)光源的波長(zhǎng)(780nm、830nm)分別選擇在805nm兩側(cè)，以保證血氧變化時(shí)Hb02 (含氧血紅蛋白)和Hb (脫氧血紅蛋白)對(duì)光吸收的差動(dòng)效應(yīng)。根據(jù)修正的朗博比爾定理
[0020]若光在溶液中傳播時(shí)，光強(qiáng)的變化公式為
[0021]I = 10e_ECL
[0022]或
[0023]lgdo/I) =ECL
[0024]E為物質(zhì)的消光系數(shù)，C為溶液中物質(zhì)的濃度。初始光強(qiáng)為Itl，透過(guò)介質(zhì)后的透射光強(qiáng)度為I，吸收介質(zhì)的長(zhǎng)度為L(zhǎng) ；
[0025]當(dāng)有光照射人體血液中的血紅蛋白時(shí)，也同樣遵循朗博比爾定律。但是生物組織對(duì)入射光除了吸收還存在散射效應(yīng)，光在人體組織中經(jīng)過(guò)多次散射后會(huì)增加光在組織中的傳播路徑，所以光子被組織吸收的可能性會(huì)增強(qiáng)。所以，朗博比爾定律被修改為:
[0026]lgdo/I) = EBCL+G
[0027]根據(jù)計(jì)算公式可以得到氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度的變化情況。
[0028]根據(jù)此原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能圖，如圖1所示。
[0029]一種基于腦近紅外功能信息檢測(cè)的輪椅控制系統(tǒng)，包括近紅外采集單元、控制單元、無(wú)線傳輸單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，所述的近紅外采集單元輸出端連接控制單元輸入端，所述的控制單元輸出端連接無(wú)線傳輸單元的輸入端，所述的無(wú)線傳輸單元的輸出端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的輸入端連接。
[0030]近紅外采集單元包含信息采集面板，面板上設(shè)有光源和探測(cè)器，面板通過(guò)排線與光源驅(qū)動(dòng)電路和光采集電路相連接，用于采集在進(jìn)行想象運(yùn)動(dòng)時(shí)大腦的活動(dòng)區(qū)域及其血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化信息；
[0031]光源采用LED光源，光源驅(qū)動(dòng)電路采用恒流驅(qū)動(dòng)專用集成電路TB62726，具有16路的恒流輸出，輸出電流可以通過(guò)外接電阻調(diào)節(jié)。當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)更多輸出的時(shí)候，可以多片芯片串聯(lián)使用。
[0032]探頭采用BURR2BR0WN公司生產(chǎn)的0PT101作為光信號(hào)探測(cè)單元。該器件內(nèi)部集成了一個(gè)雪崩光電二極管(APD)和前置放大器(虛線框內(nèi))，減少了分立元件的許多常見(jiàn)問(wèn)題，如:漏電流產(chǎn)生的誤差，雜散電容產(chǎn)生的噪聲和增益畸變等。由于內(nèi)部APD工作在零偏方式，因此其具備良好的線性度、頻率響應(yīng)特性和極低的暗電流。
[0033]控制單元包含STM32微控制器，用于將近紅外采集單元采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息特征提取，并對(duì)提取得到的特征信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)意識(shí)腦信號(hào)辨識(shí)，包括光電信號(hào)融合圖像重構(gòu)、采集的腦數(shù)據(jù)特征提取和模式識(shí)別，實(shí)現(xiàn)腦信號(hào)中想象左手、想象右手、想象左腳或想象右腳4種運(yùn)動(dòng)意識(shí)指令的辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果發(fā)出控制指令。
[0034]無(wú)線傳輸單元包含無(wú)線藍(lán)牙發(fā)送裝置和無(wú)線藍(lán)牙接收裝置，用于將控制單元發(fā)出的指令傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。
[0035]電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元用于接收控制單元的控制命令，并發(fā)送信號(hào)控制輪椅的運(yùn)行。
[0036]該系統(tǒng)具體的運(yùn)行方式為:
[0037]I)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理(消除因心動(dòng)和呼吸等引起的生理干擾，使顯示的采集信號(hào)，更好的表達(dá)大腦的腦功響應(yīng))
[0038]為了去除基線漂移和人體生理上造成的干擾，從采集的信號(hào)中提取腦功能信號(hào)，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)的方法，去除1.0-1.8HZ的心動(dòng)周期頻率干擾，和0.14-0.45HZ的呼吸頻率的干擾。利用EMD方法，獲得的IMF分量具有不同的時(shí)間尺度。第一個(gè)分量，擁有最小的時(shí)間尺度，所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息變化最快。隨著分解的進(jìn)行，時(shí)間尺度也相應(yīng)增大，頻率降低。
[0039]2)特征提取
[0040]采集信號(hào)的幅度信息表明了血氧含量的變化情況，所以我們提取各個(gè)通道的信號(hào)幅度，同時(shí)提取能量信息，作為分類的依據(jù)。
[0041]3)模式識(shí)別
[0042]采用支持向量機(jī)的分類識(shí)別方法，利用SVM進(jìn)行模式識(shí)別的步驟如下:
[0043]a.選擇合適的核函數(shù)；
[0044]b.求解優(yōu)化方程,獲得支持向量機(jī)向量及相應(yīng)的Lagrange算子；
[0045]c.寫(xiě)出最優(yōu)分界面的方程；
[0046]d.根據(jù)sgnf(x)的值,輸出類別。
[0047]4)對(duì)分類結(jié)果分別標(biāo)記1234，當(dāng)分類結(jié)果為I時(shí)，對(duì)應(yīng)于“左”的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)電腦的串口，發(fā)送I到下位機(jī)的電機(jī)部分，使輪椅進(jìn)行相應(yīng)的向左運(yùn)動(dòng)，依次類推。
[0048]本系統(tǒng)的使用過(guò)程為:使用者使用之前，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，此時(shí)開(kāi)始采集使用者腦部的近紅外采集數(shù)據(jù)，使用者根據(jù)提示進(jìn)行想象運(yùn)動(dòng)，同時(shí)屏幕上記錄實(shí)時(shí)的血氧數(shù)據(jù)，當(dāng)20秒時(shí)間結(jié)束時(shí)，停止想象，同時(shí)，屏幕顯示所想象的箭頭會(huì)亮，同時(shí)相應(yīng)的指令也通過(guò)串口發(fā)送到下位機(jī)。當(dāng)使用者，使用正確率達(dá)到90時(shí)，可以停止訓(xùn)練，進(jìn)行正常的使用。
[0049]使用者進(jìn)行想象，就可以控制輪椅前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，真正的實(shí)現(xiàn)意念的控制的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種基于腦近紅外功能信息檢測(cè)的輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于:近紅外采集單元、控制單元、電腦處理單元、無(wú)線傳輸單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，所述的近紅外采集單元輸出端連接控制單元輸入端，所述的控制單元輸出端連接電腦處理單元的輸入端，電腦處理單元的輸出端連接無(wú)線傳輸單元的輸入端，所述的無(wú)線傳輸單元的輸出端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的近紅外采集單元包含信息采集面板，面板上設(shè)有光源和探測(cè)器，面板通過(guò)排線與光源驅(qū)動(dòng)電路和光采集電路相連接，用于采集在進(jìn)行想象運(yùn)動(dòng)時(shí)大腦的活動(dòng)區(qū)域及其血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的光源采用LED光源，光源驅(qū)動(dòng)電路采用恒流驅(qū)動(dòng)專用集成電路TB62726，具有16路的恒流輸出，輸出電流通過(guò)外接電阻調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的探測(cè)器內(nèi)部集有雪崩光電二極和前置放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制單元包含STM32微控制器，用于對(duì)探測(cè)器采集的信號(hào)濾除工頻干擾、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通訊的功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的電腦處理單元包括處理模塊和顯示模塊，將STM32微控制器輸送的數(shù)據(jù)用于將近紅外采集單元采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息特征提取，并對(duì)提取得到的特征信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)意識(shí)腦信號(hào)辨識(shí)，包括光電信號(hào)融合圖像重構(gòu)、采集的腦數(shù)據(jù)特征提取和模式識(shí)別，實(shí)現(xiàn)腦信號(hào)中想象左手、想象右手、想象左腳或想象右腳4種運(yùn)動(dòng)意識(shí)指令的辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果發(fā)出控制指令。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的無(wú)線傳輸單元包含無(wú)線藍(lán)牙發(fā)送裝置和無(wú)線藍(lán)牙接收裝置，用于將電腦處理單元的指令傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪椅控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元用于接收電腦處理單元的控制命令，并發(fā)送信號(hào)控制輪椅的運(yùn)行。
【文檔編號(hào)】A61G5/04GK104224466SQ201410497403
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】陳真誠(chéng), 龐雪燕, 朱健銘, 梁永波, 劉顏偉 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)