CN107440848A - 基于意念的医疗转运床控制系统 - Google Patents

基于意念的医疗转运床控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于意念的医疗转运床控制系统。本发明通过对用户的大脑皮层进行信号采集，获得所述用户的当前脑电信号，通过预先建立的脑电预测模型对所述当前脑电信号进行预测，获得与所述当前脑电信号对应的第一预测结果，将所述第一预测结果转换为驱动指令，向所述驱动指令发送至所述医疗转运床，以控制所述医疗转运床，从而使患者能根据自己的意识借助医疗转运床来移动身体，使患者在患病期间也能像正常人一样，既可以减轻陪护人员的工作，又可以促进患者的心身健康。

Description

基于意念的医疗转运床控制系统
技术领域
本发明涉及脑机接口技术领域，特别涉及一种基于意念的医疗转运床控制系统。
背景技术
医疗转运床是一种用于病人进行床与床之间的转运，以及将病人从手术台转运到病房和从救护车转运的专用医用床，其利用稳定的液压控制床的不同体位的调节和升降，解决了对病人进行转移的困难，减少了传统的手抬转移病人时给病人带来的痛苦和困难。
虽然医疗转运床在一定程度上解决了对病人进行转移的困难，而对于大多数脑意识清楚但四肢以及说话不便的病人，仍然只能全天躺在固定的床上，对于这些病人需要配备专人进行护理，会占用一定的人力资源，并且病人也无法移动身体，使得病人的身心健康受到一定影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何使患者能根据自己的意识借助医疗转运床来移动身体。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于意念的医疗转运床控制系统，所述系统包括：
信号采集模块，用于对用户的大脑皮层进行信号采集，获得所述用户的当前脑电信号；
数据传输模块，用于将所述信号采集模块获得的当前脑电信号传输至所述脑电信号预测模块；
脑电信号预测模块，用于通过预先建立的脑电预测模型对所述当前脑电信号进行预测，获得与所述当前脑电信号对应的第一预测结果；
驱动模块，用于将所述第一预测结果转换为驱动指令，向所述驱动指令发送至所述医疗转运床，以控制所述医疗转运床。
优选地，所述脑电信号预测模块，还用于对所述当前脑电信号进行预处理，对预处理后的当前脑电信号进行多重经验模态分解NA-MEMD，获得当前固有模式函数，根据样本空间映射矩阵对当前固有模式函数进行空间映射，并通过所述脑电预测模型对映射后的第一数据进行预测，以获得所述第一预测结果。
优选地，所述脑电信号预测模块，还用于获取样本脑电信号，对所述样本脑电信号进行预处理，将预处理后的样本脑电信号进行多重经验模态分解NA-MEMD，获得样本固有模式函数，对所述样本固有模式函数进行基于共用空间模式的特征提取，以生成所述样本空间映射矩阵，根据样本结果及所述样本空间映射矩阵通过机器学习算法对预设模型进行训练，将训练后的预设模型作为所述脑电预测模型。
优选地，所述系统还包括：前端显示模块，用于提示用户进行想象，以使用户产生相应的当前脑电信号。
优选地，所述数据传输模块，还用于将所述当前脑电信号传输至所述前端显示模块；
所述数据传输模块，还用于将所述脑电信号预测模块获得的预测结果、当前固有模式函数及所述映射后的第一数据发送至所述前端显示模块；
所述前端显示模块，显示所述当前脑电信号的脑电地形图、所述脑电预测模型的脑电地形图、当前固有模式函数的地形图、所述第一数据的空间映射脑电地形图、脑电背景地形图和当前脑电信号的波形图。
优选地，所述系统还包括：数据存储模块，用于对所述当前脑电信号进行存储；
相应地，所述数据传输模块，还用于将所述当前脑电信号传输至所述数据存储模块。
优选地，所述数据存储模块，还用于将所述当前脑电信号与用户信息及所述脑电预测模型进行关联，并将关联后的数据进行存储。
优选地，所述数据传输模块，从所述的前端显示模块获得实验信息，根据实验信息从所述数据存储模块，取出相应的历史脑电信号，将所述历史脑电信息传输至所述脑电信号预测模块；
所述脑电信号预测模块，还用于对所述历史脑电信号进行预处理，对预处理后的历史脑电信号进行多重经验模态分解NA-MEMD，获得历史固有模式函数，根据样本空间映射矩阵对所述历史固有模式函数进行空间映射，并通过所述脑电预测模型对映射后的第二数据进行预测，以获得所述第二预测结果；
相应地，所述驱动模块，还用于将所述第二预测结果转换为驱动指令，向所述驱动指令发送至所述医疗转运床，以控制所述医疗转运床。
所述数据传输模块，还用于将所述历史脑电信息传输至前端显示模块；
所述数据传输模块，还用于将所述历史脑电信号预测模块获得的预测结果、历史固有模式函数及所述第二数据发送至所述前端显示模块；
所述前端显示模块，显示所述历史脑电信号的脑电地形图、所述脑电预测模型的脑电地形图、历史固有模式函数的地形图、所述第二数据生成的空间映射脑电地形图、脑电背景地形图和历史脑电信号的波形图。
优选地，所述数据传输模块采用rabbitmq通信机制进行信号传输。
优选地，所述当前脑电信号包括Fp1、Fp2、C3、C4、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T7、T8、P7、P8、Fz、Cz、Pz、FC1、FC2、CP1、CP2、FC5、FC6、CP5、CP6、POz、C1、C2、FC3、FC4、CP3及CP4区域对应信号中的至少一个。
本发明通过对用户的大脑皮层进行信号采集，获得所述用户的当前脑电信号，通过预先建立的脑电预测模型对所述当前脑电信号进行预测，获得与所述当前脑电信号对应的第一预测结果，将所述第一预测结果转换为驱动指令，向所述驱动指令发送至所述医疗转运床，以控制所述医疗转运床，从而使患者能根据自己的意识借助医疗转运床来移动身体，使患者在患病期间也能像正常人一样，既可以减轻陪护人员的工作，又可以促进患者的心身健康。
附图说明
图1是本发明一种实施例的基于意念的医疗转运床控制系统的结构框图；
图2是本发明实施例中的游戏页面示意图；
图3是本发明实施例中的前端页面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明一种实施例的基于意念的医疗转运床控制系统的结构框图；参照图1，所述系统包括：
信号采集模块10，用于对用户的大脑皮层进行信号采集，获得所述用户的当前脑电信号；
需要说明的是，为便于对用户的大脑皮层进行信息采集，可通过脑电帽来进行信息采集，在获得所述用户的当前脑电信号后，还可对所述当前脑电信号进行放大处理。
在具体实现中，本实施例中可对用户的大脑皮层的运动感知部分进行采集，因此，当前脑电信号可包括Fp1、Fp2、C3、C4、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T7、T8、P7、P8、Fz、Cz、Pz、FC1、FC2、CP1、CP2、FC5、FC6、CP5、CP6、POz、C1、C2、FC3、FC4、CP3及CP4区域对应信号中的至少一个，相应地，所述脑电帽上通过设有若干电极，各电极与大脑皮层的不同区域相对设置。
数据传输模块60，用于将所述信号采集模块获得的当前脑电信号传输至所述脑电信号预测模块；
脑电信号预测模块20，用于通过预先建立的脑电预测模型对所述当前脑电信号进行预测，获得与所述当前脑电信号对应的第一预测结果；
可理解的是，由于当前脑电信号通常具有多个信号，因此，难以建立信号与预测结果之间的直接映射表，为便于获得第一预测结果，本实施例中，对所述当前脑电信号进行预处理，对预处理后的当前脑电信号进行多重经验模态分解NA-MEMD，获得当前固有模式函数，根据样本空间映射矩阵对当前固有模式函数进行空间映射，并通过所述脑电预测模型对映射后的第一数据进行预测，以获得所述第一预测结果。
相应地，为便于建立所述脑电预测模型，本实施例中，所述脑电信号预测模块20，还用于获取样本脑电信号，对所述样本脑电信号进行预处理，将预处理后的样本脑电信号进行多重经验模态分解NA-MEMD，获得样本固有模式函数，对所述样本固有模式函数进行基于共用空间模式特征提取，以生成所述样本空间映射矩阵，根据样本结果及所述样本空间映射矩阵通过机器学习算法对预设模型进行训练，将训练后的预设模型作为所述脑电预测模型。
驱动模块30，用于将所述第一预测结果转换为驱动指令，向所述驱动指令发送至所述医疗转运床，以控制所述医疗转运床。
在具体实现中，可通过蓝牙向所述驱动指令发送至所述医疗转运床，以控制所述医疗转运床。
可理解的是，为便于使用户进行想象，本实施例中，所述系统还可包括：前端显示模块40，用于提示用户进行想象，以使用户产生相应的当前脑电信号。
为便于使用户能够直观地了解中间参数及第一预测结果，本实施例中，所述数据传输模块60，还用于将所述当前脑电信号传输至所述前端显示模块40；
所述数据传输模块60，还用于将所述脑电信号预测模块获得的预测结果、当前固有模式函数及所述映射后的数据发送至所述前端显示模块40；
所述前端显示模块40，还用于显示所述当前脑电信号的脑电地形图、所述脑电预测模型的脑电地形图、当前固有模式函数的地形图、所述第一数据的空间映射脑电地形图、脑电背景地形图和当前脑电信号波形图。
在具体实现中，所述前端显示模块40的若干部分在一个前端页面，该页面中由名称说明、预测结果显示、选项部分、当前脑电信号的地形图、脑电预测模型的脑电地形图、当前固有模式函数的地形图、空间映射脑电地形图、脑电背景地形图、及当前脑电信号波形图组成。
所述前端显示模块40中的剩余部分第六部分为单独的一个游戏页面，用于提示被采集脑电信号的人员想象“向左”、“静息”或“向右”，在所述游戏页面中具有一个小球和一个方块，用户根据游戏页面提示进行想象，方块出现在哪边，向哪边想象，且小球同时向相应的方向移动，之后方块和小球从页面消失为静息状态，然后方块出现一次循环的想象。
为便于后续处理，本实施例中，所述系统还包括：数据存储模块50，用于对所述当前脑电信号进行存储；
相应地，所述数据传输模块60，还用于将所述当前脑电信号传输至所述数据存储模块50。
在具体实现中，所述当前脑电信号通常会包括多个并行信号，为便于对并行信号进行传输，本实施例中，所述数据传输模块60，采用rabbitmq通信机制进行信号传输。
其中，rabbitmq是流行的开源消息队列系统，用erlang语言开发，并且其是采用高级消息队列协议(AMQP)的标准实现，所述的rabbitmq通信机制，搭建rabbitmq服务器环境，形成一个内部的局域网，然后建立相对应的交换机和路由键及队列，进行数据的传输。
可理解的是，由于不同用户的脑电预测模型通常不相同，因此，本实施例中，所述数据存储模块50，还用于将所述当前脑电信号与用户信息及所述脑电预测模型进行关联，并将关联后的数据进行存储，当然，所述数据存储模块50还可存储采集时间、采集的通道数及采集频率数据。
需要说明的是，为了便于对数据进行存储，需搭建mysql服务器，然后创建数据库，再分别建立存储当前脑电信号、标签数据、实验数据、用户信息、脑电预测模型的表。其中实验数据包括实验时间、采集的通道数及采集频率数据。其中，当前脑电信号和标签数据为实时存储，标签数据为-1,0,1代表了想象“向左”、“静息”或“向右”。若实验时间间隔两个小时以上，则自动建新表重新存储脑电信号。
在具体实现中，可根据需要对标签数据对应不同的控制命令，例如：将“向左”对应为将医疗转运床向左移动，“静息”对应为医疗转运床不动，“向右”对应为将医疗转运床的向右移动；
当然，也可根据需要对应为其他控制命令，例如：将“向左”对应为将医疗转运床的第一端上升，“静息”对应为医疗转运床不动，“向右”对应为将医疗转运床的第二端下降，本实施例对此不加以限制。
为便于实现离线测试，即不需要设备实时采集脑电信号，而根据数据存储模块50中保存的历史脑电信号，模拟在线测试，来驱动医疗转运床的移动和前端显示模块40的显示，本实施例中，所述数据传输模块，还用于从所述数据存储模块取出历史脑电信号，将所述历史脑电信息传输至所述脑电信号预测模块20；
所述脑电信号预测模块20，还用于对所述历史脑电信号进行预处理，对预处理后的历史脑电信号进行多重经验模态分解NA-MEMD，获得历史固有模式函数，根据样本空间映射矩阵对所述历史固有模式函数进行空间映射，并通过所述脑电预测模型对映射后的第二数据进行预测，以获得所述第二预测结果；
相应地，所述驱动模块30，还用于将所述第二预测结果转换为驱动指令，向所述驱动指令发送至所述医疗转运床，以控制所述医疗转运床。
所述数据传输模块60，还用于将所述历史脑电信息传输至前端显示模块40；
所述数据传输模块60，还用于将所述历史脑电信号预测模块获得的预测结果、历史固有模式函数及所述第二数据发送至所述前端显示模块40；
所述前端显示模块40，还用于显示所述历史脑电信号的脑电地形图、所述脑电预测模型的脑电地形图、历史固有模式函数的地形图、所述第二数据生成的空间映射脑电地形图、脑电背景地形图和历史脑电信号的波形图。
在需要开启离线测试时，可开启前端显示模块40的前端页面，在选项部分，选择被试者的名字、实验日期、实验session数，然后点击预测按钮(onlineRun按钮)，即开始从数据库中根据选择的内容，查询之前保存好的历史脑电信号。
本实施例通过对用户的大脑皮层进行信号采集，获得所述用户的当前脑电信号，通过预先建立的脑电预测模型对所述当前脑电信号进行预测，获得与所述当前脑电信号对应的第一预测结果，将所述第一预测结果转换为驱动指令，向所述驱动指令发送至所述医疗转运床，以控制所述医疗转运床，从而使患者能根据自己的意识借助医疗转运床来移动身体，使患者在患病期间也能像正常人一样，既可以减轻陪护人员的工作，又可以促进患者的心身健康。
下面以具体的实施场景来对本发明进行说明，但不对本发明的保护范围进行限定。
在线测试时，可先开启如图2所示的游戏页面，被试者根据页面中所示的方块所在的页面位置，想象“向左”、“静息”或“向右”，采集的当前脑电信号分四部分同时实时传输，依次用于存储到mysql数据库中、通过前端显示模块显示如图3中前端页面的当前脑电信号、显示图3中Topographic Map部分的Brain Activity Topography脑电地形图，还有一部分数据传输到脑电信号预测模块，用于对当前脑电信号进行预测。
对当前脑电信号进行NA-MEMD处理后的数据发送到前端显示模块，用于显示图3中Topographic Map部分的μwave地形图。在线训练获得的模型数据“向左”、“静息”或“向右”，保存成离线数据，当前端显示模块开启如图3所示的前端页面时，发送到前端，分别用于显示图3中Topographic Map部分的Prediction中的left、rest、righ三个红色的脑电地形图。在线测试中样本空间映射后的数据，根据离线模型进行分类判别，根据判别结果，将空间映射地形图显示在图3中Topographic Map部分的Prediction中相应的离线模型脑电地形图的下面，如判别结果为静息，则空间映射地形图显示在中间，其余两个显示脑电地形图背景图。同时判别结果会反馈到图3中的意念检测显示，具体为方块先出现，方块的位置与之前提示被试者的想象方向一致，当获得到判别结果时，小球出现，小球会根据判别结果向左、向右的方向运动，或者静止不动。这整个过程都是实时进行的，当前端显示模块开启如图3所示的页面时，开始采集当前脑电数据后，整个页面就可以实时展现出整个实验的过程，比较直观。
离线测试时，首先通过前端显示模块显示如图3中的前端页面，如图3所示，然后在页面选择信息部分，选择被试对象姓名，该姓名传到后端，根据姓名查询出该人员的所有实验信息，传到前端用于显示页面中该人员的实验日期、session、run，一次实验对应一个实验日期，一个实验日期对应多组实验，即多个session，一个session对应多组数据run，每个run有多组实验数据，每组实验数据有相应的历史脑电信号数据。选择一个实验日期，再选择相应实验日期下的session数，然后点击页面中的onlineRun，后台根据选择的数据查询已经保存在数据库中的历史脑电信号，然后这些历史脑电信号即可模拟从设备中实时获取的当前脑电信号，开始测试运作。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于意念的医疗转运床控制系统，其特征在于，所述系统包括：
信号采集模块，用于对用户的大脑皮层进行信号采集，获得所述用户的当前脑电信号；
数据传输模块，用于将所述信号采集模块获得的当前脑电信号传输至所述脑电信号预测模块；
脑电信号预测模块，用于通过预先建立的脑电预测模型对所述当前脑电信号进行预测，获得与所述当前脑电信号对应的第一预测结果；
驱动模块，用于将所述第一预测结果转换为驱动指令，向所述驱动指令发送至所述医疗转运床，以控制所述医疗转运床。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脑电信号预测模块，还用于对所述当前脑电信号进行预处理，对预处理后的当前脑电信号进行多重经验模态分解NA-MEMD，获得当前固有模式函数，根据样本空间映射矩阵对当前固有模式函数进行空间映射，并通过所述脑电预测模型对映射后的第一数据进行预测，以获得所述第一预测结果。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述脑电信号预测模块，还用于获取样本脑电信号，对所述样本脑电信号进行预处理，将预处理后的样本脑电信号进行多重经验模态分解NA-MEMD，获得样本固有模式函数，对所述样本固有模式函数进行基于共用空间模式的特征提取，以生成所述样本空间映射矩阵，根据样本结果及所述样本空间映射矩阵通过机器学习算法对预设模型进行训练，将训练后的预设模型作为所述脑电预测模型。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：前端显示模块，用于提示用户进行想象，以使用户产生相应的当前脑电信号。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数据传输模块，还用于将所述当前脑电信号传输至所述前端显示模块；
所述数据传输模块，还用于将所述脑电信号预测模块获得的预测结果、当前固有模式函数及所述映射后的第一数据发送至所述前端显示模块；
所述前端显示模块，显示所述当前脑电信号的脑电地形图、所述脑电预测模型的脑电地形图、当前固有模式函数的地形图、所述第一数据的空间映射脑电地形图、脑电背景地形图和当前脑电信号的波形图。
6.如权利要求4～5中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：数据存储模块，用于对所述当前脑电信号进行存储；
相应地，所述数据传输模块，还用于将所述当前脑电信号传输至所述数据存储模块。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数据存储模块，还用于将所述当前脑电信号与用户信息及所述脑电预测模型进行关联，并将关联后的数据进行存储。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述数据传输模块，还用于从所述的前端显示模块获得实验信息，根据实验信息从所述数据存储模块，取出相应的历史脑电信号，将所述历史脑电信息传输至所述脑电信号预测模块；
所述脑电信号预测模块，还用于对所述历史脑电信号进行预处理，对预处理后的历史脑电信号进行多重经验模态分解NA-MEMD，获得历史固有模式函数，根据样本空间映射矩阵对所述历史固有模式函数进行空间映射，并通过所述脑电预测模型对映射后的第二数据进行预测，以获得所述第二预测结果；
相应地，所述驱动模块，还用于将所述第二预测结果转换为驱动指令，向所述驱动指令发送至所述医疗转运床，以控制所述医疗转运床；
所述数据传输模块，还用于将所述历史脑电信息传输至前端显示模块；
所述数据传输模块，还用于将所述脑电信号预测模块获得的预测结果、历史固有模式函数及所述第二数据发送至所述前端显示模块；
所述前端显示模块，还用于显示所述历史脑电信号的脑电地形图、所述脑电预测模型的脑电地形图、历史固有模式函数的地形图、所述第二数据生成的空间映射脑电地形图、脑电背景地形图和历史脑电信号的波形图。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述数据传输模块采用rabbitmq通信机制进行信号传输。
10.如权利要求1～5中任一项所述的系统，其特征在于，所述当前脑电信号包括Fp1、Fp2、C3、C4、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T7、T8、P7、P8、Fz、Cz、Pz、FC1、FC2、CP1、CP2、FC5、FC6、CP5、CP6、POz、C1、C2、FC3、FC4、CP3及CP4区域对应信号中的至少一个。
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