CN110166645A - 一种基于眼电信号控制的呼叫服务系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于眼电信号控制的呼叫服务系统，属于电子技术领域，主要用于肢体活动和语言表达能力受限者以眼球运动方式实现呼叫服务。该系统包括：眼电信号采集模块、右腿驱动模块、眼电信号处理模块、蓝牙传输模块、单片机控制模块、医院呼叫接口模块、呼叫家属模块、以及用于系统供电的电源模块。本系统既可以实现呼叫医护人员进行医疗的功能，又能实现呼叫家属进行生活帮助的功能，可应用于医院病房和家庭的日常护理呼叫，应用领域广泛。

Description

一种基于眼电信号控制的呼叫服务系统
技术领域
本发明涉及一种医院和家庭的呼叫服务系统，属于电子技术领域，具体一种基于眼电信号控制的呼叫服务系统。
背景技术
人机交互(Human-Computer Interaction，HCI)是借助电子计算机技术而发展起来的一门技术科学，同时也是人类与计算机之间相互交流与通信的一种方法。HCI的基本功能是依据可输入、输出的外部设备及配套设备和相应的软件来实现人类与计算机之间的交流、对话、交换信息。HCI的基本思想是控制有关外部设备的运行并执行通过HCI传来的有关的各种命令和要求。自从HCI的概念被提出至今， HCI的理论和应用都得到了迅速而广泛的发展。HCI从最初的工程科学技术领域发展到了生物医学、康复工程领域等多个领域。基于生物电信号的HCI技术作为常规HCI技术的一种补充，在某些特殊的应用场景下，比如:残疾群体与外界环境的交互、临床病人的检测与监护、特殊环境下的交流与通信、驾驶员的疲劳检测等方面都得到了有效的应用。
呼叫服务系统是常见的医护设备之一，用来帮助患者与监护人员进行交流，使得监护人员及时地掌握患者的情况。不过，现存的呼叫服务系统很大一部分是按键式的进行语音交流，需要用户具有良好的上肢运动和语言功能。然而，一些疾病(如脑卒中、中风病、肌萎缩性侧索硬化ALS)会造成病人深度瘫痪，造成四肢运动或语言功能障碍，丧失肢体运动及语言表达能力。因此他们很难通过传统的呼叫服务系统表达自己的需求，导致医护人员、家庭病人监护的工作效率降低。
眼电信号是一种通过电极记录下来的、由眼球视网膜与角膜之间电势差形成的生物电信号。眼电信号由眼球的运动引发，与大脑的思维活动密切相关，具有采集方便、容易识别、时域特征明显的优点。经研究表明，人的眼睛受到损伤的概率较低，且患脑卒中、中风病等深度瘫痪的病人即使在运动或语言功能上有障碍，但是眼部仍然保持着正常的功能。所以采用眼电信号来控制呼叫服务系统，则会大大提高医护人员、家庭病人监护的工作效率。
综上所述，基于眼电信号在控制语音呼叫的技术方法，对于肢体活动受限制和语言障碍患者，具有实际应用价值。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于眼电信号控制的呼叫服务系统，用于根据患者的眼部运动呼叫医院或家属，从而提高患者监护的工作效率。
本发明采用了如下的技术方案：
<方案一>
眼电信号采集模块、眼电信号处理模块、驱动模块、医院呼叫接口模块、蓝牙传输模块、单片机控制模块、家属呼叫模块以及电源模块，其中，所述眼电信号采集模块用于根据眼部运动采集原始眼电信号并对该原始眼电信号进行预处理，得到预处理眼电信号，所述眼电信号处理模块与所述眼电信号采集模块通信连接，用于接收所述预处理眼电信号，并将所述预处理眼电信号处理转化成控制信号并将该控制信号进行模式分类，判断所述控制信号是否为医院呼叫类型，当判断为是时，将所述控制信号作为医院呼叫控制信号传输给所述医院呼叫接口模块；当判断为否，将所述控制信号作为家属呼叫控制信号传输给蓝牙传输模块，所述驱动模块与所述眼电信号采集模块连接，用于采集共模噪声，所述医院呼叫接口模块与所述眼电信号处理模块连接，用于接收所述医院呼叫控制信号并将该医院呼叫控制信号转化为呼叫信号，实现医护呼叫功能，所述蓝牙传输模块与所述眼电信号处理模块连接，用于接收所述家属呼叫控制信号并传输该家属呼叫控制信号，所述单片机控制模块与所述蓝牙传输模块连接，用于根据所述家属呼叫控制信号以及预先设定的阈值基于BP神经网络生成控制指令，所述家属呼叫模块与所述单片机控制系统电连接，用于根据相应的所述控制指令完成相应的动作，以及所述电源模块用于供电。
在本发明提供的基于眼电信号控制的呼叫服务系统中，还可以具有这样的特征：其中，眼电信号采集模块包括：采集电极，用于采集原始眼电信号；前置放大电路，与采集电极连接，用于对原始眼电信号放大处理，得到放大眼电信号；积分器，与前置放大电路连接，用于对放大眼电信号中的直流成分进行校正，得到校正眼电信号；二阶巴特沃斯低通滤波器，与积分器连接，用于对校正眼电信号中的高频噪声进行滤除，得到除噪眼电信号；以及A/D转换器，与二阶巴特沃斯低通滤波器连接，用于将除噪眼电信号转化成数字信号，得到预处理眼电信号。
在本发明提供的基于眼电信号控制的呼叫服务系统中，还可以具有这样的特征：其中，采集电极包括：HEOL水平电极和HEOR水平电极，分别设置在左、右眼的外眼角处，用于采集水平方向的眼电信号；VEOL垂直电极和VEOR垂直电极，分别设置在右眼眉上方和右眼睑下方，用于采集垂直方向的眼电信号；E1参考电极，设置于额头处，用于抑制共模噪声。
在本发明提供的基于眼电信号控制的呼叫服务系统中，还可以具有这样的特征：其中，眼电信号处理模块包括：人机交互平台，与眼电信号采集模块通信连接，用于将预处理眼电信号转化为控制信号； USB输出端，与人机交互平台连接，用于输出控制信号。
在本发明提供的基于眼电信号控制的呼叫服务系统中，还可以具有这样的特征：其中，人机交互平台包括：操作组件，用于在整体上控制和调整人机交互平台；数据获取组件，与操作组件以及眼电信号采集模块通信连接，用于接收预处理眼电信号；信号处理组件，与操作组件以及数据获取组件连接，用于对预处理眼电信号进行特征提取和模式分类，从而生成控制信号；用户应用组件，与操作组件以及信号处理组件连接，用于将控制信号发送给USB输出端。
在本发明提供的基于眼电信号控制的呼叫服务系统中，还可以具有这样的特征：其中，信号处理组件对预处理眼电信号进行特征提取和模式分类的方法为：对预处理眼电信号进行幅度归一化求取归一化极值；生成LPC系数和ΔLPC系数；将LPC系数和归一化极值组成组合特征A，并将ΔLPC系数和归一化极值组成组合特征B；根据组合特征A以及组合特征B生成该预处理眼电信号对应的控制信号。
在本发明提供的基于眼电信号控制的呼叫服务系统中，还可以具有这样的特征：其中，眼部运动包括：眨眼、眼球向上运动、眼球向下运动、眼球向左运动、眼球向右运动或眼球回复正常状态。
<方案二>
本发明提供了一种基于眼电信号控制的呼叫服务方法，其特征在于，包括如下步骤：眼电信号采集模块根据眼部运动采集原始眼电信号并对该原始眼电信号进行预处理，得到预处理眼电信号，将所述预处理眼电信号传输至眼电信号处理模块；眼电信号处理模块对所述预处理眼电信号进行处理得到控制信号并对所述控制信号进行模式分类，判断控制信号是否属于医院呼叫控制类型，当判断为是时，将所述控制信号作为所述医院呼叫控制信号传输给所述医院呼叫接口模块，由所述医院呼叫接口模块将所述医院呼叫控制信号转化成呼叫信号，实现医护呼叫功能；当判断为否，将所述控制信号作为家属呼叫控制信号传输给蓝牙传输模块；蓝牙传输模块发送所述家属呼叫控制信号；单片机控制模块根据设定阈值对所述控制信号进行识别，生成并发送控制指令；家属呼叫模块接收所述控制指令，并根据该控制指令进行语音呼叫。
发明的作用与效果
根据本发明提供的基于眼电信号控制的呼叫服务系统，充分考虑到四肢运动或语言功能残障等残障人士在控制方式上的特殊需求，极大地为残障人士带来了福音。本发明由于使用眼电信号采集模块实时采集眼电信号，因此得到的控制指令实时性强、数据准确、反应灵敏；由于同时采用了医院呼叫接口模块和家属呼叫模块，既可以实现呼叫医护人员的功能，又能实现呼叫家属进行如厕、进食等功能，使本实施例提供的基于眼电信号控制的呼叫服务系统既能适用于医院又能适用于家庭。
附图说明
图1为本发明实施例中基于眼电信号控制的呼叫服务系统的结构框图；
图2为本发明实施例中眼电信号采集模块示意图；
图3为本发明实施例中采集电极安放位置示意图；
图4为本发明实施例中人机交互平台的系统结构示意图；
图5为本发明实施例中单片机进行控制的原理结构示意图；以及
图6为本发明实施例中基于眼电信号控制的呼叫服务方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例>
图1为本发明实施例中基于眼电信号控制的呼叫服务系统示意图。
如图1所示，本实施例中的基于眼电信号控制的呼叫服务系统包括眼电信号采集模块10、右腿驱动模块20、眼电信号处理模块30、医院呼叫接口模块40、蓝牙传输模块50、单片机控制模块60、家属呼叫模块70以及电源模块80。
图2为本发明实施例中眼电信号采集模块示意图。
如图2所示，在本实施例中眼电信号采集模块10用于根据眼部运动采集原始眼电信号并对该原始眼电信号进行预处理，得到预处理眼电信号，包括采集电极101、前置放大器102、积分器103、二阶巴特沃斯低通滤波器104和A/D转换器105。
采集电极101用于采集原始眼电信号。在本实施例中，采集电极 101采用AgCl采集电极。
前置放大电路102与AgCl采集电极101连接，用于对原始眼电信号放大处理，得到放大眼电信号。
积分器103与前置放大电路102连接，用于对放大眼电信号中的直流成分进行校正，得到校正眼电信号。
二阶巴特沃斯低通滤波器104与积分器103连接，用于对校正眼电信号中的高频噪声进行滤除，得到除噪眼电信号。
A/D转换器105与二阶巴特沃斯低通滤波器104连接，用于将除噪眼电信号转化成数字信号，得到预处理眼电信号。
图3为本发明实施例中采集电极及其安放位置示意图。
如图3所示，本实施例中AgCl采集电极包括：HEOL水平电极和HEOR水平电极、VEOL垂直电极、VEOR垂直电极以及E1参考电极。
其中，HEOL水平电极和HEOR水平电极，分别设置在左、右眼的外眼角2.5cm处，用于采集水平方向的眼电信号；
VEOL垂直电极和VEOR垂直电极，分别设置在右眼眉上方2cm 处和右眼睑下方2cm处，用于采集垂直方向的眼电信号；
E1参考电极，设置于额头处，用于抑制共模噪声。
右腿驱动模块20与眼电采集模块10连接，设置于右腿处，用于采集共模噪声。
眼电信号处理模块30包括人机交互平台31和USB输出端32。
人机交互平台31与眼电信号采集模块10通信连接，用于将预处理眼电信号转化为控制信号。
USB输出端32与人机交互平台31连接，用于输出控制信号。
图4为本发明实施例中人机交互平台的系统结构示意图。
如图4所示人机交互平台31包括：操作组件311、数据获取组件312、信号处理组件313以及用户应用组件314。
操作组件311用于在整体上控制和调整人机交互平台31；
数据获取组件312与操作组件311以及眼电信号采集模块10通信连接，用于接收预处理眼电信号；
信号处理组件313与操作组件311以及数据获取组件312连接，用于对预处理眼电信号进行特征提取和模式分类，判断控制信号是否为医院呼叫类型，当判断为是时，将控制信号作为医院呼叫信号发送至医院呼叫接口模块，当判断为否时，将控制信号作为家属呼叫控制信号至发送至家属呼叫模块。
信号处理组件313对预处理眼电信号进行特征提取和模式分类的方法为：
对预处理眼电信号进行幅度归一化求取归一化极值；
生成LPC系数和ΔLPC系数；
将LPC系数和归一化极值组成组合特征A，并将ΔLPC系数和归一化极值组成组合特征B；
根据组合特征A以及组合特征B生成该预处理眼电信号对应的控制信号。
用户应用组件314，与操作组件311以及信号处理组件313连接，用于将控制信号发送给USB输出端32。
医院呼叫接口模块40与眼电信号处理模块30连接，用于接收医院呼叫控制信号并将该医院呼叫控制信号转化为呼叫信号来启动医院呼叫系统，实现医护呼叫功能。医院呼叫系统属于现有技术。
蓝牙传输模块50，与眼电信号处理模块30连接，用于接收并通过蓝牙传输家属呼叫控制信号。
图5为本发明实施例中单片机进行控制的原理结构示意图。
如图5所示，单片机控制模块60中使用的单片机为STC89C52 单片机61，与蓝牙传输模块50连接，用于根据家属呼叫控制信号以及预先设定的阈值基于BP神经网络62生成控制指令，电源模块80 同时与STC89C52单片机61以及蓝牙传输模块50连接，用于供电。
家属呼叫模块70与单片机控制系统60电连接，用于根据家属呼叫控制指令完成相应的动作。
电源模块80与本发明中其他所有模块电连接，用于供电。
在本实施例中眼部运动通过基于眼电信号控制的呼叫服务系统生成的控制信号的对应关系如下：
医院呼叫控制信号：受试者有意识眨眼一次；
家属呼叫控制信号：
就医呼叫命令：受试者眼球向上运动；
如厕呼叫命令：受试者眼球向下运动；
进食呼叫命令：受试者眼球向左运动；
娱乐呼叫命令：受试者眼球向右运动；
停止呼叫命令：受试者眼睛恢复正常状态。
图6为本发明实施例中基于眼电信号控制的呼叫服务方法的流程图。
如图6所示，本实施例提供了一种基于眼电信号控制的呼叫服务方法，包括如下步骤：
S1，眼电信号采集模块10根据眼部运动采集原始眼电信号并对该原始眼电信号进行预处理，得到预处理眼电信号，将预处理眼电信号传输至眼电信号处理模块，进入S2；
S2，眼电信号处理模块30对所述预处理眼电信号进行处理得到控制信号，进入S3；
S3，眼电信号处理模块30判断该控制信号的类型是否是医院呼叫类型，当判断为是时，进入步骤S4，当判断为否时，进入S6；
S4，眼电信号处理模块30将该控制信号作为医院呼叫控制信号发送给医院呼叫接口模块，进入S5；
S5，医院呼叫接口模块40将所述医院呼叫控制信号转化成呼叫信号，启动医院呼叫系统，进行语音呼叫，进入结束状态；
S6，眼电信号处理模块30将所述控制信号作为家属呼叫控制信号发送给蓝牙传输模块50，进入S7；
S7，蓝牙传输模块50将所述家属呼叫控制信号传输给单片机控制模块60，进入S8；
S8，单片机控制模块60根据设定阈值对家属呼叫控制信号进行识别并生成控制指令，并将控制指令传输给家属呼叫模块70，进入 S8；
S9，家属呼叫模块70根据控制指令，进行语音呼叫，进入结束状态。
实施例的作用与效果
根据本发明提供的基于眼电信号控制的呼叫服务系统，充分考虑到四肢运动或语言功能残障等残障人士在控制方式上的特殊需求，极大地为残障人士带来了福音。本发明由于使用眼电信号采集模块实时采集眼电信号，因此得到的控制指令实时性强、数据准确、反应灵敏；由于同时采用了医院呼叫接口模块和家属呼叫模块，既可以实现呼叫医护人员的功能，又能实现呼叫家属进行如厕、进食等功能，使本实施例提供的基于眼电信号控制的呼叫服务系统既能适用于医院又能适用于家庭。
此外，本实施例中基于眼电信号控制的呼叫服务系统识别还具有正确率高、基本不需要进行专门训练、设备成本低以及操作方式简便等优点。
此外，由于本实施例中信号采集模块具有采集电极、前置放大电路、积分器、二阶巴特沃斯低通滤波器、A/D转换器等器件使原始眼电信号得到放大、校正、除噪等处理，最终转化成数字信号。
此外，由于采集电极包括水平电极、垂直电极和参考电极，所以识别正确率高。
此外，由于人机交互平台含有数据获取组件和信号处理组件，从而使得信号处理时间短，提高了信号的加工效率。
此外，由于对预处理眼电信号采用了归一化求取归一化极值，生成LPC系数和ΔLPC系数等操作，使信号特征识别更为准确。
此外，可以识别多种不同的眼部运动，可以实现多种不同的功能。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于眼电信号控制的呼叫服务系统，用于肢体活动和语言表达能力受限者以眼球运动方式实现呼叫服务。其特征在于，包括：
眼电信号采集模块、眼电信号处理模块、驱动模块、医院呼叫接口模块、蓝牙传输模块、单片机控制模块、家属呼叫模块以及电源模块，
其中，所述眼电信号采集模块用于根据眼部运动采集原始眼电信号并对该原始眼电信号进行预处理，得到预处理眼电信号；
所述眼电信号处理模块与所述眼电信号采集模块通信连接，用于接收所述预处理眼电信号，并将所述预处理眼电信号处理转化成控制信号并将该控制信号进行模式分类，判断所述控制信号是否为医院呼叫类型，当判断为是时，将所述控制信号作为医院呼叫控制信号传输给所述医院呼叫接口模块；当判断为否，将所述控制信号作为家属呼叫控制信号传输给蓝牙传输模块，
所述驱动模块与所述眼电信号采集模块连接，用于采集共模噪声，
所述医院呼叫接口模块与所述眼电信号处理模块连接，用于接收所述医院呼叫控制信号并将该医院呼叫控制信号转化为呼叫信号，实现医护呼叫功能，
所述蓝牙传输模块与所述眼电信号处理模块连接，用于接收所述家属呼叫控制信号并传输该家属呼叫控制信号，
所述单片机控制模块与所述蓝牙传输模块连接，用于根据所述家属呼叫控制信号以及预先设定的阈值基于BP神经网络生成控制指令，
所述家属呼叫模块与所述单片机控制系统电连接，用于根据相应的所述控制指令完成相应的动作；以及
所述电源模块用于供电。
2.根据权利要求1所述的基于眼电信号控制的呼叫服务系统，其特征在于：
其中，所述眼电信号采集模块包括：
采集电极，用于采集所述原始眼电信号；
前置放大电路，与所述采集电极连接，用于对所述原始眼电信号放大处理，得到放大眼电信号；
积分器，与所述前置放大电路连接，用于对所述放大眼电信号中的直流成分进行校正，得到校正眼电信号；
二阶巴特沃斯低通滤波器，与所述积分器连接，用于对所述校正眼电信号中的高频噪声进行滤除，得到除噪眼电信号；以及
A/D转换器，与所述二阶巴特沃斯低通滤波器连接，用于将所述除噪眼电信号转化成数字信号，得到所述预处理眼电信号。
3.根据权利要求1所述的基于眼电信号控制的呼叫服务系统，其特征在于：
其中，所述眼电信号处理模块包括：
人机交互平台，与所述眼电信号采集模块通信连接，用于将所述预处理眼电信号转化为所述控制信号；
USB输出端，与所述人机交互平台连接，用于输出所述控制信号。
4.根据权利要求3所述的基于眼电信号控制的呼叫服务系统，其特征在于：
其中，所述人机交互平台包括：
操作组件，用于在整体上控制和调整所述人机交互平台；
数据获取组件，与所述操作组件以及所述眼电信号采集模块通信连接，用于接收所述预处理眼电信号；
信号处理组件，与所述操作组件以及所述数据获取组件连接，用于对所述预处理眼电信号进行特征提取和模式分类，从而生成所述控制信号；
用户应用组件，与所述操作组件以及所述信号处理组件连接，用于将所述控制信号发送给所述USB输出端。
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