一種基于腦近紅外功能信息檢測的輪椅控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于腦近紅外功能信息檢測的輪椅控制系統，包括近紅外采集單元、控制單元、電腦處理單元、無線傳輸單元、電機驅動單元，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線傳輸單元的輸入端，所述的無線傳輸單元的輸出端與電機驅動單元的輸入端連接。本發明利用識別腦部運動功能區，想象左手、想象右手、想象左腳或想象右腳4種運動意識，通過檢測有氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量的不同，達到辨識的目的，從而發出控制指令，具有成本低，分辨率高，可操作性強的特點。
【專利說明】一種基于腦近紅外功能信息檢測的輪椅控制系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種智能輪椅系統，具體為一種基于腦近紅外功能信息檢測的輪椅控制系統。

【背景技術】
[0002]智能輪椅作為醫療護理領域的服務性輔助運動工具，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?，F有的基于運動想象的輪椅控制系統，主要針對的是頭皮的腦電信號，利用腦電信號提取運動指令，但是腦電信號雖然有高的時間分辨率，但是這種檢測手段的空間分辨率確很低。并且成本高，檢測信號不穩定?；谀X電的控制輪椅系統中，因為大多都需要采集腦皮電信號，所使用電極為Ag/Agcl電極，電極中導電膠一般都含有鹽的成分，可能會滲透到皮膚中，造成過敏性皮炎，并且鹽分濃度越高，越容易引起過敏，同時，長時間的使用，電極中的導電膠會脫水干化，造成電極與皮膚之間的接觸阻抗發生變化，導致測量信號的信噪比下降。所以我們所提出的新的方法，避開了這些缺點，能夠更好的長時間使用。并且不會對人體造成傷害?，F有的腦近紅外功能信息檢測技術，只應用于大腦中血氧含量的實時監測，還沒有應用到控制系統。
[0003]而研究表明，人在進行不同的運動想象的時候，對應大腦不同運動功能區的兩種血紅蛋白的含量是不相同的，根據其提供了一種新的腦認知模型和運動意識指令辨識的方法，能夠為導航控制系統準確下達指令。利用的是腦近紅外光譜圖對腦功能區定位的實時性，建立的一種新的腦認知模型和運動意識指令方案，大腦中含有氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白，這兩種物質是近紅外光的主要吸收者，也是人的新陳代謝的主要標志，其含量的變化，可以反映大腦活動的不同狀態。因而可以通過這些特征，利用近紅外成像技術來提取人的認知即意識信息，應用于腦認知的殘疾輪椅導航系統中。


【發明內容】

[0004]本發明針對現有技術采集頭皮的腦電信號的缺陷，旨在提供一種基于腦近紅外功能信息檢測的輪椅控制系統，利用識別腦部運動功能區，不同的運動想象任務，通過檢測有氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量的不同，達到運動控制的目標。
[0005]本發明通過以下技術方案實現:
[0006]一種基于腦近紅外功能信息檢測的輪椅控制系統，包括近紅外采集單元、控制單元、電腦處理單元、無線傳輸單元、電機驅動單元，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線傳輸單元的輸入端，所述的無線傳輸單元的輸出端與電機驅動單元的輸入端連接。
[0007]所述的近紅外采集單元包含信息采集面板，面板上設有光源和探測器，面板通過排線與光源驅動電路和光采集電路相連接，用于采集在進行想象運動時大腦的活動區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，光源驅動電路采用恒流驅動專用集成電路TB62726，具有16路的恒流輸出，輸出電流可以通過外接電阻調節。
[0009]所述的探測器內部集有雪崩光電二極和前置放大器，用于獲取被測部位的光學信號。
[0010]所述的控制單元包含STM32微控制器，用于對探測器采集的信號濾除工頻干擾、放大、模數轉換和數據通訊的功能。
[0011]所述的電腦處理單元包括處理模塊和顯示模塊，將STM32微控制器輸送的數據用于將近紅外采集單元采集得到的數據進行信息特征提取，并對提取得到的特征信息進行運動意識腦信號辨識，包括光電信號融合圖像重構、采集的腦數據特征提取和模式識別，實現腦信號中想象左手、想象右手、想象左腳或想象右腳4種運動意識指令的辨識，并根據辨識結果發出控制指令。
[0012]所述的無線傳輸單元包含無線藍牙發送裝置和無線藍牙接收裝置，用于將電腦處理單元的指令傳輸給電機驅動單元。
[0013]所述的電機驅動單元用于接收電腦處理單元的控制命令，并發送信號控制輪椅的運行。
[0014]本發明的有益效果為:支持向量機利用輸入空間的核函數取代了高維特征空間中的內積運算，解決了算法可能導致的“維數災難”問題，在輸入空間比較向量，對結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；同時系統簡單，安裝方便，成本低，而且識別正確率在85 %以上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的結構框圖；
[0016]圖2是腦功能區在腦近紅外光譜。

【具體實施方式】
[0017]下面結合實施例對本發明做進一步的說明，以下所述，僅是對本發明的較佳實施例而已，并非對本發明做其他形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更為同等變化的等效實施例。凡是未脫離本發明方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改或等同變化，均落在本發明的保護范圍內。
[0018]人腦在進行不同的想象運動的時候，大腦進行的想象運動不同，將導致大腦的活動區域不同，同時含氧血紅蛋白的含量也會不同。不同的腦功能區在腦近紅外光譜圖上的反應是不同的。
[0019]如圖2所示，兩種血紅蛋白在805nm附近有一個等吸收點，故利用波長為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，其它兩個光源的波長(780nm、830nm)分別選擇在805nm兩側，以保證血氧變化時Hb02 (含氧血紅蛋白)和Hb (脫氧血紅蛋白)對光吸收的差動效應。根據修正的朗博比爾定理
[0020]若光在溶液中傳播時，光強的變化公式為
[0021]I = 10e_ECL
[0022]或
[0023]lgdo/I) =ECL
[0024]E為物質的消光系數，C為溶液中物質的濃度。初始光強為Itl，透過介質后的透射光強度為I，吸收介質的長度為L ；
[0025]當有光照射人體血液中的血紅蛋白時，也同樣遵循朗博比爾定律。但是生物組織對入射光除了吸收還存在散射效應，光在人體組織中經過多次散射后會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增強。所以，朗博比爾定律被修改為:
[0026]lgdo/I) = EBCL+G
[0027]根據計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]根據此原理，設計系統功能圖，如圖1所示。
[0029]一種基于腦近紅外功能信息檢測的輪椅控制系統，包括近紅外采集單元、控制單元、無線傳輸單元、電機驅動單元，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線傳輸單元的輸入端，所述的無線傳輸單元的輸出端與電機驅動單元的輸入端連接。
[0030]近紅外采集單元包含信息采集面板，面板上設有光源和探測器，面板通過排線與光源驅動電路和光采集電路相連接，用于采集在進行想象運動時大腦的活動區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，光源驅動電路采用恒流驅動專用集成電路TB62726，具有16路的恒流輸出，輸出電流可以通過外接電阻調節。當需要驅動更多輸出的時候，可以多片芯片串聯使用。
[0032]探頭采用BURR2BR0WN公司生產的0PT101作為光信號探測單元。該器件內部集成了一個雪崩光電二極管(APD)和前置放大器(虛線框內)，減少了分立元件的許多常見問題，如:漏電流產生的誤差，雜散電容產生的噪聲和增益畸變等。由于內部APD工作在零偏方式，因此其具備良好的線性度、頻率響應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據進行信息特征提取，并對提取得到的特征信息進行運動意識腦信號辨識，包括光電信號融合圖像重構、采集的腦數據特征提取和模式識別，實現腦信號中想象左手、想象右手、想象左腳或想象右腳4種運動意識指令的辨識，并根據辨識結果發出控制指令。
[0034]無線傳輸單元包含無線藍牙發送裝置和無線藍牙接收裝置，用于將控制單元發出的指令傳輸給電機驅動單元。
[0035]電機驅動單元用于接收控制單元的控制命令，并發送信號控制輪椅的運行。
[0036]該系統具體的運行方式為:
[0037]I)對信號進行預處理(消除因心動和呼吸等引起的生理干擾，使顯示的采集信號，更好的表達大腦的腦功響應)
[0038]為了去除基線漂移和人體生理上造成的干擾，從采集的信號中提取腦功能信號，采用經驗模態分解(EMD)的方法，去除1.0-1.8HZ的心動周期頻率干擾，和0.14-0.45HZ的呼吸頻率的干擾。利用EMD方法，獲得的IMF分量具有不同的時間尺度。第一個分量，擁有最小的時間尺度，所對應的數據信息變化最快。隨著分解的進行，時間尺度也相應增大，頻率降低。
[0039]2)特征提取
[0040]采集信號的幅度信息表明了血氧含量的變化情況，所以我們提取各個通道的信號幅度，同時提取能量信息，作為分類的依據。
[0041]3)模式識別
[0042]采用支持向量機的分類識別方法，利用SVM進行模式識別的步驟如下:
[0043]a.選擇合適的核函數；
[0044]b.求解優化方程,獲得支持向量機向量及相應的Lagrange算子；
[0045]c.寫出最優分界面的方程；
[0046]d.根據sgnf(x)的值,輸出類別。
[0047]4)對分類結果分別標記1234，當分類結果為I時，對應于“左”的運動信號，通過電腦的串口，發送I到下位機的電機部分，使輪椅進行相應的向左運動，依次類推。
[0048]本系統的使用過程為:使用者使用之前，點擊開始按鈕，此時開始采集使用者腦部的近紅外采集數據，使用者根據提示進行想象運動，同時屏幕上記錄實時的血氧數據，當20秒時間結束時，停止想象，同時，屏幕顯示所想象的箭頭會亮，同時相應的指令也通過串口發送到下位機。當使用者，使用正確率達到90時，可以停止訓練，進行正常的使用。
[0049]使用者進行想象，就可以控制輪椅前進、后退、左轉、右轉的運動，真正的實現意念的控制的目的。
【權利要求】
1.一種基于腦近紅外功能信息檢測的輪椅控制系統，其特征在于:近紅外采集單元、控制單元、電腦處理單元、無線傳輸單元、電機驅動單元，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線傳輸單元的輸入端，所述的無線傳輸單元的輸出端與電機驅動單元的輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的輪椅控制系統，其特征在于:所述的近紅外采集單元包含信息采集面板，面板上設有光源和探測器，面板通過排線與光源驅動電路和光采集電路相連接，用于采集在進行想象運動時大腦的活動區域及其血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化信息。
3.根據權利要求2所述的輪椅控制系統，其特征在于:所述的光源采用LED光源，光源驅動電路采用恒流驅動專用集成電路TB62726，具有16路的恒流輸出，輸出電流通過外接電阻調節。
4.根據權利要求2所述的輪椅控制系統，其特征在于:所述的探測器內部集有雪崩光電二極和前置放大器。
5.根據權利要求1所述的輪椅控制系統，其特征在于:所述的控制單元包含STM32微控制器，用于對探測器采集的信號濾除工頻干擾、放大、模數轉換和數據通訊的功能。
6.根據權利要求1所述的輪椅控制系統，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微控制器輸送的數據用于將近紅外采集單元采集得到的數據進行信息特征提取，并對提取得到的特征信息進行運動意識腦信號辨識，包括光電信號融合圖像重構、采集的腦數據特征提取和模式識別，實現腦信號中想象左手、想象右手、想象左腳或想象右腳4種運動意識指令的辨識，并根據辨識結果發出控制指令。
7.根據權利要求1所述的輪椅控制系統，其特征在于:所述的無線傳輸單元包含無線藍牙發送裝置和無線藍牙接收裝置，用于將電腦處理單元的指令傳輸給電機驅動單元。
8.根據權利要求1所述的輪椅控制系統，其特征在于:所述的電機驅動單元用于接收電腦處理單元的控制命令，并發送信號控制輪椅的運行。
【文檔編號】A61G5/04GK104224466SQ201410497403
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月25日 優先權日:2014年9月25日
【發明者】陳真誠, 龐雪燕, 朱健銘, 梁永波, 劉顏偉 申請人:桂林電子科技大學