陶陳逸1,， 蘇振新2， 丁佳偉2,， 黃志成1,， 陸文娟2
1. 南京郵電大學 地理與生物信息學院，江蘇 南京 210023； 2. 南京郵電大學 通信與信息工程學院,，江蘇 南京 210003
摘要：結合嵌入式系統(tǒng)和腦機接口技術,，構建腦力驅動殘疾人輪椅系統(tǒng)。首先利用腦電信號（EEG信號）的采集芯片裝置TGAM對腦電信號進行采集,；其次通過藍牙模塊將TGAM和計算機相連接,，將采集到的腦波原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，利用eSense算法將腦電數(shù)據(jù)進行量化,；然后再通過藍牙無線連接到Arduino輪椅控制平臺,，通過I/O控制口實現(xiàn)腦力對輪椅的控制；最后提出采用多語言混合編程的方法實現(xiàn)腦電信號的圖像顯示,，相比單一語言編程的圖像顯示,，多語言混合編程法更好地顯示了腦電信號的三維圖像。
關鍵詞：腦電信號,；eSense算法,；Arduino輪椅控制平臺；圖像顯示
0引言
人類的每一閃思維,、每一種情緒,、每一個想法，在大腦中都會產(chǎn)生特定的腦電信號,，腦電信號反映出大腦皮層不同區(qū)域的活動狀態(tài),，通過對腦電信號的分析和處理，可以有效地從腦電信號中提取可靠的特征參量來反映腦的功能狀態(tài)［1］,。不同思維情況下產(chǎn)生的神經(jīng)元放電活動信號表現(xiàn)出不同的時空變化模式并導致EEG信號的不同,。
隨著全球各國生活水平以及醫(yī)療水平的提高，人口老齡化逐漸成為大部分國家需要認真考慮的問題,，贍養(yǎng)老人也成為下一代很嚴重的壓力問題,。因此智能生活的需求十分迫切，身體的不健全導致的一些生活的不便利可以通過大腦活動來彌補,。智能輪椅的發(fā)明為現(xiàn)代人們提供了一種新的思路。
對于嚴重神經(jīng)或肌肉傷殘的人來說,，可以利用大腦的信息與計算機或其他設備進行通信,，因此在腦電信號的提取方面有一定的研究必要。
腦機接口（Brain Computer Interface,BCI）是在人腦和計算機或其他電子設備之間建立一種不依賴于常規(guī)大腦輸出通路（外周神經(jīng)和肌肉組織）的直接信息交流和控制通道,，是一種全新的人機交互系統(tǒng)［2］,。對于遭受嚴重神經(jīng)或肌肉傷殘的人來說，可以利用腦機接口技術實現(xiàn)腦電信號與計算機或其他電子設備進行通信,。
Mindwave腦電采集裝置是一種不依賴于外周神經(jīng)和肌肉等常規(guī)輸出通道的信息交流系統(tǒng),。它可為神經(jīng)肌肉障礙患者提供一條與外界溝通的途徑,并在虛擬現(xiàn)實、游戲娛樂和航空等領域具有潛在價值。目前,常用的腦電輸入信號包括P300,、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP),、皮層慢電位(SCP)以及μ或β節(jié)律等。其中,SCP,、μ或β節(jié)律等自發(fā)腦電不依賴于額外刺激的輸入,不會產(chǎn)生視覺疲勞,沒有適應性的問題,且其神經(jīng)生理學基礎已獲得比較深入的研究,因而在Mindwave腦電采集裝置中得到了較多的應用,。但是,基于自發(fā)腦電的腦機接口也存在明顯的缺陷,如并非所有個體都適用基于μ節(jié)律的腦機接口,基于SCP的腦機接口要經(jīng)過長時間的訓練才能實現(xiàn)等。
本文以此為基礎,，設計出一種能為手腳不便的殘疾人提供一個腦力驅動的輪椅系統(tǒng),，使用者無需手動操作操縱桿便可完成輪椅的前進、轉向,、停止等動作,。本文利用多語言混合編程方法，設計軟件編程對腦電信號的三維圖像進行顯示設計,。
1系統(tǒng)結構
本文的研究步驟是按照腦電信號的數(shù)據(jù)采集和分析數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)輸出回饋框架,，將腦電信號一路傳輸?shù)娇刂贫藢崿F(xiàn)輪椅的移動，一路傳輸?shù)接嬎銠C顯示端實現(xiàn)腦電信號的圖像顯示,。使用TGAM芯片進行腦電數(shù)據(jù)的采集和分析,，利用藍牙模塊把采集、分析的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上,，計算機進行數(shù)據(jù)的處理,，通過藍牙模塊把處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸rduino平臺，經(jīng)由數(shù)據(jù)算法轉換成控制信號,，對殘疾人輪椅進行控制,。輪椅的移動狀態(tài)能夠通過人的眼睛器官回饋給大腦，并在控制輪椅移動的同時在計算機上顯示腦電信號的三維圖像,。
腦力驅動殘疾人輪椅和圖像顯示的系統(tǒng)框架圖如圖1所示,。
2系統(tǒng)硬件設計
2.1數(shù)據(jù)采集模塊
頭戴式無線腦機接口系統(tǒng)設備［3］采用半導體微加工工藝制作的“干”電極作為采集腦電信號的電極，通過干態(tài)電極傳感器采集生物電信號,，將采集的信號傳入到ThinkGear芯片中,。
ThinkGear ASIC芯片是一種SoC（Systerm on Chip）。NeuroSky公司的ThinkGear ASIC專用芯片［4］集成了腦電信號的采集,、濾波,、放大、A/D轉換,、數(shù)據(jù)處理及分析等功能,，并通過UART標準接口對外輸出以下4種參數(shù):
(1)數(shù)字化的原始腦電波數(shù)據(jù)，輸出頻率512 Hz(每秒512個數(shù)據(jù)包),。
(2)8個δ,、θ、α、β,、γ波EEG參數(shù),，輸出頻率1 Hz；δ：1～3 Hz,；θ：4～7 Hz,；α1：8～9 Hz；α2：10～12 Hz,；β1：13～17 Hz,；β2：18～30 Hz；γ1：31～40 Hz,；γ2：41～50 Hz,。
（3）“專注度”,、“放松度”兩個eSense參數(shù),，輸出頻率1 Hz。
?。?）傳感器與皮膚的接觸良好程度參數(shù),，輸出頻率1 Hz。
該芯片集成的腦電信號分析模塊可以輸出實驗所需的“專注度”和“放松度”兩個參數(shù),。
2.2Arduino平臺
Arduino UNO是Arduino USB 接口系列的最新版本,，作為Arduino 平臺的參考標準模板。UNO的處理器核心是ATmega328,，同時具有14 路數(shù)字輸入/輸出口（其中6 路可作為PWM輸出）,，6 路模擬輸入，一個16 MHz 晶體振蕩器,，一個USB 口,，一個電源插座，一個ICSP header 和一個復位按鈕,。UNO已經(jīng)發(fā)布到第三版,，與前兩版相比第三版有以下新的特點：在AREF 處增加了兩個管腳SDA 和SCL，支持I2C 接口,；增加IOREF 和一個預留管腳,，將來擴展板將能兼容5 V和3.3 V核心板。這樣改進了復位電路設計,，USB 接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2［5］。
2.3受控模塊：電動殘疾人輪椅
輪椅的操縱桿控制電路如圖2所示,，其與機械操縱桿（如圖3）連接可對輪椅進行方向控制,。輪椅的操縱桿有五個端口，分別為：控制輪椅前進后退的A端口、基準參考電壓GND,、控制輪椅左右轉向的B端口,、電源電壓VCC（5 V）、反饋調(diào)節(jié)電壓Vref,。
輪椅方向的控制需要A端口和B端口的共同作用,。由于采用了模糊控制方法，在A端口,，電壓在2.25 V～2.75 V之間時,，輪椅在前進方向是停止的；當電壓低于2.25 V時,，輪椅會后退,，由于電路內(nèi)部的保護機制，后退速度是固定且緩慢的,；當電壓高于2.75 V時,，輪椅的轉速會隨著電壓的變大而變大。
同樣在B端口,，電壓在2.25 V～2.75 V之間時,，輪椅不進行左右轉向；當電壓大于2.75 V時,，輪椅通過右電機轉速大于左電機轉速的方式實現(xiàn)左轉,，且左轉的幅度大小隨B端口輸出電壓的上升而上升；當電壓小于2.25 V時,，輪椅通過左電機轉速大于右電機轉速的方式實現(xiàn)右轉,，且右轉的幅度大小隨B端口輸出電壓的降低而降低?？梢酝ㄟ^控制電壓的大小來實現(xiàn)移動的前進,、后退、轉向和停止,。
3系統(tǒng)軟件設計
3.1腦電信號的采集與分析
腦電信號的采集與分析采用NeuroSky公司的ThinkGear ASIC芯片,，腦電信息是非平穩(wěn)隨機連續(xù)的信息，以512 Hz的采樣率采集腦電信號［6］,。腦電信號采集頻段在0～100 Hz之間,。
腦電數(shù)據(jù)分析是由eSenseTM算法來完成，eSenseTM是NeuroSky用于以數(shù)字化參數(shù)方式對人的當前精神狀態(tài)進行度量的專利算法［7］,。首先對采集的原始腦電信號進行放大,，并消除噪聲和肌電信號的干擾，然后利用eSenseTM算法對去除干擾的信號進行計算,，得到量化的eSense參數(shù)值,。
eSense算法主要是先對原始腦波數(shù)據(jù)進行FTT變換［8］,然后進行頻率濾波,，得到α波和β波，并進行功率譜分析,，選定基本參考值,，進行歸一化。
3.2Arduino平臺輪椅控制系統(tǒng)實現(xiàn)
TGAM無線腦電采集設備可以采集多個值,，如poorsignal,、attention、meditation以及Blink信號,。
poorsignal主要反應的是傳感器芯片上生物信號的強弱,，值為0時表示生物傳感器接收到的信號很好，沒有任何明顯的問題,；值在1~199區(qū)間時,，值越高說明生物傳感器檢測到的問題越多；值為200時說明傳感器可能沒有接觸到導電體,。一般在poorsignal參數(shù)值保持為0時,，采集到的其他參數(shù)值才具有時效價值。
腦電采集裝置采集到的原始腦電信號,，經(jīng)過計算機的處理后可以得到所需的“專注度”與“放松度”兩個數(shù)值,。這兩個數(shù)值在0～99之間。正常人平時的“專注度”數(shù)值在30～60之間,，當人在高度集中時,，“專注度”數(shù)值會大于60。同樣地,，正常人的“放松度”在30～60之間,，當人在閉眼放松或放松全身肌肉時，“放松度”會高于60［9］,。
選用“專注度”作為控制輪椅前進,、停止的信號，此時給定B端口固定為2.5 V電壓值,，系統(tǒng)將收到的相關參數(shù)值轉換為控制輪椅移動的對應電壓值,，attention值小于60時，A端口電壓值固定為2.5 V,，保持停止狀態(tài),；attention值在60～70之間時，A端口電壓值固定為3 V,，輪椅前進,；attention值在70～80之間時，A端口電壓值固定為3.5 V,，輪椅前進,；attention值在80～90之間時,，A端口電壓值固定為4 V，輪椅前進,；attention值在90～100之間時，A端口電壓值固定為4.5 V,，輪椅前進,。
Blink信號是肌電信號，用來控制輪椅的轉向,，眨眼信號是由rawdata原始數(shù)據(jù)計算得出,，此時給定A端口固定為2.5 V電壓值，系統(tǒng)檢測到右側眨眼信號時,，B端口給定電壓1.5 V,，實現(xiàn)右轉向；當檢測到左側眨眼信號時,，B端口給定電壓3.5 V,，實現(xiàn)左轉向。
3.3腦電信號的圖像顯示
在圖像顯示方面,，綜合考慮多種問題因素,，提出采用多語言混合編程［10］的方法。所謂多語言混合編程,，是指使用兩種或兩種以上的程序設計語言來開發(fā)應用程序的過程,。源文件無論使用何種語言編寫，最終編譯的結果都是機器碼,。函數(shù)調(diào)用在機器碼中是很簡單的一步,，按照參數(shù)表的要求把參數(shù)值放入堆棧，然后使用jmp指令跳轉到要調(diào)用的函數(shù)的函數(shù)地址即可,，程序不管如何實現(xiàn),，只要知道參數(shù)表和函數(shù)地址就能調(diào)用，所有程序最終都是機器碼,，自然也符合這個規(guī)則,。所以實現(xiàn)互調(diào)，只要將對方的接口程序文件映射到自己的進程中,，預先知道它的參數(shù)表,，得到它的接口函數(shù)地址，將參數(shù)放入堆棧,，然后跳轉到函數(shù)地址,，就能實現(xiàn)調(diào)用。
本文提出通過C++語言與MATLAB語言混合編程［11］的方法實現(xiàn)腦電信號的圖像顯示,，并成功通過編程讀取腦電采集芯片輸出的相關數(shù)值,，實現(xiàn)了簡單的信號二維圖形顯示,，如圖4所示。
在腦電信號的三維圖像顯示上采用的解決方案是以MATLAB語言為主,，C++語言輔助,，通過MATLAB相關的GUI設計［12］，并結合移動端的顯示,，實現(xiàn)各頻段腦電波的三維圖像實時顯示,，如圖5所示。
4結論
本文利用腦電信號的“專注度”參數(shù),，通過Arduino平臺的轉換操作,，得到有效控制命令電壓值，完成了輪椅的前進和停止控制,，但在輪椅的后退控制上還未解決,。輪椅的左右轉向是通過眨眼信號來控制完成的，但是由于多種噪聲的干擾,，導致轉向的精確度不高,，提高精確度的方法是盡可能濾除噪聲影響。通過采用MATLAB語言和C++語言混合編程的方法,，成功地實現(xiàn)了腦電波的三維圖像顯示,。
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