CN104224466A

CN104224466A - 一种基于脑近红外功能信息检测的轮椅控制系统

Info

Publication number: CN104224466A
Application number: CN201410497403.1A
Authority: CN
Inventors: 陈真诚; 庞雪燕; 朱健铭; 梁永波; 刘颜伟
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2014-12-24

Abstract

本发明涉及一种基于脑近红外功能信息检测的轮椅控制系统，包括近红外采集单元、控制单元、电脑处理单元、无线传输单元、电机驱动单元，所述的近红外采集单元输出端连接控制单元输入端，所述的控制单元输出端连接电脑处理单元的输入端，电脑处理单元的输出端连接无线传输单元的输入端，所述的无线传输单元的输出端与电机驱动单元的输入端连接。本发明利用识别脑部运动功能区，想象左手、想象右手、想象左脚或想象右脚4种运动意识，通过检测有氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的含量的不同，达到辨识的目的，从而发出控制指令，具有成本低，分辨率高，可操作性强的特点。

Description

一种基于脑近红外功能信息检测的轮椅控制系统

技术领域

本发明涉及一种智能轮椅系统，具体为一种基于脑近红外功能信息检测的轮椅控制系统。

背景技术

智能轮椅作为医疗护理领域的服务性辅助运动工具，可以帮助残疾人和老年人获得生活自理能力和工作能力，融入社会。现有的基于运动想象的轮椅控制系统，主要针对的是头皮的脑电信号，利用脑电信号提取运动指令，但是脑电信号虽然有高的时间分辨率，但是这种检测手段的空间分辨率确很低。并且成本高，检测信号不稳定。基于脑电的控制轮椅系统中，因为大多都需要采集脑皮电信号，所使用电极为Ag/Agcl电极，电极中导电胶一般都含有盐的成分，可能会渗透到皮肤中，造成过敏性皮炎，并且盐分浓度越高，越容易引起过敏，同时，长时间的使用，电极中的导电胶会脱水干化，造成电极与皮肤之间的接触阻抗发生变化，导致测量信号的信噪比下降。所以我们所提出的新的方法，避开了这些缺点，能够更好的长时间使用。并且不会对人体造成伤害。现有的脑近红外功能信息检测技术，只应用于大脑中血氧含量的实时监测，还没有应用到控制系统。

而研究表明，人在进行不同的运动想象的时候，对应大脑不同运动功能区的两种血红蛋白的含量是不相同的，根据其提供了一种新的脑认知模型和运动意识指令辨识的方法，能够为导航控制系统准确下达指令。利用的是脑近红外光谱图对脑功能区定位的实时性，建立的一种新的脑认知模型和运动意识指令方案，大脑中含有氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白，这两种物质是近红外光的主要吸收者，也是人的新陈代谢的主要标志，其含量的变化，可以反映大脑活动的不同状态。因而可以通过这些特征，利用近红外成像技术来提取人的认知即意识信息，应用于脑认知的残疾轮椅导航系统中。

发明内容

本发明针对现有技术采集头皮的脑电信号的缺陷，旨在提供一种基于脑近红外功能信息检测的轮椅控制系统，利用识别脑部运动功能区，不同的运动想象任务，通过检测有氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的含量的不同，达到运动控制的目标。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于脑近红外功能信息检测的轮椅控制系统，包括近红外采集单元、控制单元、电脑处理单元、无线传输单元、电机驱动单元，所述的近红外采集单元输出端连接控制单元输入端，所述的控制单元输出端连接电脑处理单元的输入端，电脑处理单元的输出端连接无线传输单元的输入端，所述的无线传输单元的输出端与电机驱动单元的输入端连接。

所述的近红外采集单元包含信息采集面板，面板上设有光源和探测器，面板通过排线与光源驱动电路和光采集电路相连接，用于采集在进行想象运动时大脑的活动区域及其血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化信息；

所述的光源采用LED光源，光源驱动电路采用恒流驱动专用集成电路TB62726，具有16路的恒流输出，输出电流可以通过外接电阻调节。

所述的探测器内部集有雪崩光电二极和前置放大器，用于获取被测部位的光学信号。

所述的控制单元包含STM32微控制器，用于对探测器采集的信号滤除工频干扰、放大、模数转换和数据通讯的功能。

所述的电脑处理单元包括处理模块和显示模块，将STM32微控制器输送的数据用于将近红外采集单元采集得到的数据进行信息特征提取，并对提取得到的特征信息进行运动意识脑信号辨识，包括光电信号融合图像重构、采集的脑数据特征提取和模式识别，实现脑信号中想象左手、想象右手、想象左脚或想象右脚4种运动意识指令的辨识，并根据辨识结果发出控制指令。

所述的无线传输单元包含无线蓝牙发送装置和无线蓝牙接收装置，用于将电脑处理单元的指令传输给电机驱动单元。

所述的电机驱动单元用于接收电脑处理单元的控制命令，并发送信号控制轮椅的运行。

本发明的有益效果为：支持向量机利用输入空间的核函数取代了高维特征空间中的内积运算，解决了算法可能导致的“维数灾难”问题，在输入空间比较向量，对结果再做非线性的变化，这样大的工作量将在输入空间而不是在高维特征空间中完成；同时系统简单，安装方便，成本低，而且识别正确率在85％以上。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是脑功能区在脑近红外光谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，以下所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。

人脑在进行不同的想象运动的时候，大脑进行的想象运动不同，将导致大脑的活动区域不同，同时含氧血红蛋白的含量也会不同。不同的脑功能区在脑近红外光谱图上的反应是不同的。

如图2所示，两种血红蛋白在805nm附近有一个等吸收点，故利用波长为805nm的光可以反映组织中血容量的变化信息。为获得氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)各自浓度的变化信息，其它两个光源的波长(780nm、830nm)分别选择在805nm两侧，以保证血氧变化时HbO2(含氧血红蛋白)和Hb(脱氧血红蛋白)对光吸收的差动效应。根据修正的朗博比尔定理

若光在溶液中传播时，光强的变化公式为

I＝I₀e^-ECL

或

lg(I₀/I)＝ECL

E为物质的消光系数，C为溶液中物质的浓度。初始光强为I₀，透过介质后的透射光强度为I，吸收介质的长度为L；

当有光照射人体血液中的血红蛋白时，也同样遵循朗博比尔定律。但是生物组织对入射光除了吸收还存在散射效应，光在人体组织中经过多次散射后会增加光在组织中的传播路径，所以光子被组织吸收的可能性会增强。所以，朗博比尔定律被修改为：

lg(I₀/I)＝EBCL+G

根据计算公式可以得到氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化情况。

根据此原理，设计系统功能图，如图1所示。

一种基于脑近红外功能信息检测的轮椅控制系统，包括近红外采集单元、控制单元、无线传输单元、电机驱动单元，所述的近红外采集单元输出端连接控制单元输入端，所述的控制单元输出端连接无线传输单元的输入端，所述的无线传输单元的输出端与电机驱动单元的输入端连接。

近红外采集单元包含信息采集面板，面板上设有光源和探测器，面板通过排线与光源驱动电路和光采集电路相连接，用于采集在进行想象运动时大脑的活动区域及其血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化信息；

光源采用LED光源，光源驱动电路采用恒流驱动专用集成电路TB62726，具有16路的恒流输出，输出电流可以通过外接电阻调节。当需要驱动更多输出的时候，可以多片芯片串联使用。

探头采用BURR2BROWN公司生产的OPT101作为光信号探测单元。该器件内部集成了一个雪崩光电二极管(APD)和前置放大器(虚线框内)，减少了分立元件的许多常见问题，如：漏电流产生的误差，杂散电容产生的噪声和增益畸变等。由于内部APD工作在零偏方式，因此其具备良好的线性度、频率响应特性和极低的暗电流。

控制单元包含STM32微控制器，用于将近红外采集单元采集得到的数据进行信息特征提取，并对提取得到的特征信息进行运动意识脑信号辨识，包括光电信号融合图像重构、采集的脑数据特征提取和模式识别，实现脑信号中想象左手、想象右手、想象左脚或想象右脚4种运动意识指令的辨识，并根据辨识结果发出控制指令。

无线传输单元包含无线蓝牙发送装置和无线蓝牙接收装置，用于将控制单元发出的指令传输给电机驱动单元。

电机驱动单元用于接收控制单元的控制命令，并发送信号控制轮椅的运行。

该系统具体的运行方式为：

1)对信号进行预处理(消除因心动和呼吸等引起的生理干扰，使显示的采集信号，更好的表达大脑的脑功响应)

为了去除基线漂移和人体生理上造成的干扰，从采集的信号中提取脑功能信号，采用经验模态分解(EMD)的方法，去除1.0-1.8HZ的心动周期频率干扰，和0.14-0.45HZ的呼吸频率的干扰。利用EMD方法，获得的IMF分量具有不同的时间尺度。第一个分量，拥有最小的时间尺度，所对应的数据信息变化最快。随着分解的进行，时间尺度也相应增大，频率降低。

2)特征提取

采集信号的幅度信息表明了血氧含量的变化情况，所以我们提取各个通道的信号幅度，同时提取能量信息，作为分类的依据。

3)模式识别

采用支持向量机的分类识别方法，利用SVM进行模式识别的步骤如下：

a.选择合适的核函数；

b.求解优化方程，获得支持向量机向量及相应的Lagrange算子；

c.写出最优分界面的方程；

d.根据sgnf(x)的值，输出类别。

4)对分类结果分别标记1234，当分类结果为1时，对应于“左”的运动信号，通过电脑的串口，发送1到下位机的电机部分，使轮椅进行相应的向左运动，依次类推。

本系统的使用过程为：使用者使用之前，点击开始按钮，此时开始采集使用者脑部的近红外采集数据，使用者根据提示进行想象运动，同时屏幕上记录实时的血氧数据，当20秒时间结束时，停止想象，同时，屏幕显示所想象的箭头会亮，同时相应的指令也通过串口发送到下位机。当使用者，使用正确率达到90时，可以停止训练，进行正常的使用。

使用者进行想象，就可以控制轮椅前进、后退、左转、右转的运动，真正的实现意念的控制的目的。

Claims

1.一种基于脑近红外功能信息检测的轮椅控制系统，其特征在于：近红外采集单元、控制单元、电脑处理单元、无线传输单元、电机驱动单元，所述的近红外采集单元输出端连接控制单元输入端，所述的控制单元输出端连接电脑处理单元的输入端，电脑处理单元的输出端连接无线传输单元的输入端，所述的无线传输单元的输出端与电机驱动单元的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的轮椅控制系统，其特征在于：所述的近红外采集单元包含信息采集面板，面板上设有光源和探测器，面板通过排线与光源驱动电路和光采集电路相连接，用于采集在进行想象运动时大脑的活动区域及其血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化信息。

3.根据权利要求2所述的轮椅控制系统，其特征在于：所述的光源采用LED光源，光源驱动电路采用恒流驱动专用集成电路TB62726，具有16路的恒流输出，输出电流通过外接电阻调节。

4.根据权利要求2所述的轮椅控制系统，其特征在于：所述的探测器内部集有雪崩光电二极和前置放大器。

5.根据权利要求1所述的轮椅控制系统，其特征在于：所述的控制单元包含STM32微控制器，用于对探测器采集的信号滤除工频干扰、放大、模数转换和数据通讯的功能。

6.根据权利要求1所述的轮椅控制系统，其特征在于：所述的电脑处理单元包括处理模块和显示模块，将STM32微控制器输送的数据用于将近红外采集单元采集得到的数据进行信息特征提取，并对提取得到的特征信息进行运动意识脑信号辨识，包括光电信号融合图像重构、采集的脑数据特征提取和模式识别，实现脑信号中想象左手、想象右手、想象左脚或想象右脚4种运动意识指令的辨识，并根据辨识结果发出控制指令。

7.根据权利要求1所述的轮椅控制系统，其特征在于：所述的无线传输单元包含无线蓝牙发送装置和无线蓝牙接收装置，用于将电脑处理单元的指令传输给电机驱动单元。

8.根据权利要求1所述的轮椅控制系统，其特征在于：所述的电机驱动单元用于接收电脑处理单元的控制命令，并发送信号控制轮椅的运行。