《基于腦機接口的智能輪椅》

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1、《基于腦機接口的智能輪椅》燕山大學(xué)趙玉超常凱紀立雙揚明正指導(dǎo)老師:王金甲講師，許成謙教授摘要本文在查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，要開發(fā)并實現(xiàn)BCI系統(tǒng)的應(yīng)用，主要工作如下：1、充分調(diào)研國內(nèi)外的研究狀況，以及應(yīng)用方式；2、利用國產(chǎn)放大器實現(xiàn)信號采集處理；以BCI2000為基礎(chǔ)進行數(shù)據(jù)分析；3、實現(xiàn)輪椅的控制。關(guān)鍵詞:bci；腦機接口；輪椅。1．課題的立項背景、目的和意義腦電是通過電極在頭皮或顱內(nèi)記錄下來的腦細胞群的節(jié)律性電活動，是Berger在1929年發(fā)現(xiàn)的。自發(fā)現(xiàn)以來，腦電的主要應(yīng)用有：①腦功能研究；②疾病診斷；③生物反饋治療；④推斷

2、人的想法或目的，從而構(gòu)造腦機接口。腦機接口是腦電的第四種應(yīng)用。腦計算機接口(BrainComputerInterface，BCI)，簡稱腦機接口，是指一種不依賴于腦的正常輸出通路(即外周神經(jīng)和肌肉)的腦一機(計算機或其他裝置)通訊系統(tǒng)。腦機接口的出現(xiàn)，使得用人腦信號直接控制外部設(shè)備的想法成為可能?；谀X機接口原理設(shè)計的裝置有望幫助神經(jīng)肌肉系統(tǒng)癱瘓的病人實現(xiàn)與外界的交流(例如環(huán)境控制、輪椅控制、操作計算機等)。信號處理和模式識別方法涉及如何從EEG中提取出少量的有用的信息并分類。BCI轉(zhuǎn)換算法把信號特征(如節(jié)律幅值或神經(jīng)元放電率)

3、轉(zhuǎn)換為具體的控制命令。分別利用這些信息進行不同腦狀態(tài)的區(qū)分，常用的特征提取算法如：FFT(FastFourierTransformAlgorithm)、自相關(guān)AR(Autoregression)、參數(shù)估計、CSP(CommonSpatialPatterns)、Butterworth低通濾波、遺傳算法(GeneticAlgohthm，GA)，算法的選擇與所利用的信號特征及電極位置有關(guān)。信號處理的目標是最終從信號中識別使用者的意圖并執(zhí)行，系統(tǒng)的首要任務(wù)就是最大化信噪比，尤其當噪聲和信號極為相似時就顯得更為重要提高信噪比的技術(shù)有很多。

4、具體有空間及時間濾波方法、信號平均、以及單次識別方法。特征信號分類是基于腦電信號根據(jù)不同的運動或意識能使腦電活動產(chǎn)生不同響應(yīng)的特性，確定運動或意識的類型與特征信號之間的關(guān)系。信號分類結(jié)果的好壞取決于兩個方面的因素:一是要進行分類的特征信號是否具有明顯的特征，即特征信號的性質(zhì);二是分類方法是否有效。幾種具有代表性的BCI特征信號分類綜述如下:人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯分類器、線性分類器、支持向量機等。在完成了腦電信號的獲取、特征識別和分類之后，即可根據(jù)這種體現(xiàn)人的意念的特征向量，按照人的意圖通過計算機實現(xiàn)對外部環(huán)境的控制。通常采用以下標

5、準對BCI系統(tǒng)進行衡量：(1)速度；(2)準確率；(3)應(yīng)用或娛樂的便捷度；(4)功能的適應(yīng)性；(5)對環(huán)境的適應(yīng)性；(6)用戶的最小訓(xùn)練時間；(7)計算機的最小訓(xùn)練時間；(8)移動的便捷性；(9)舒適度；(10)成本和可達性；(11)外觀的美觀程度。2．課題研究前景及挑戰(zhàn)將BCI用于實際臨著很多挑戰(zhàn)，主要可歸納為以下4類。(1)信息傳輸率(帶寬)：即使是有經(jīng)驗的測試者操作最快的BCI系統(tǒng)，目前的最大傳輸率也才50bits/min，相當于每分鐘6個字符，這對正常的對話與交流仍然太慢。(2)高誤差率：這是影響信息傳輸率的重要因素。

6、(3)自動化程度：理論上，對運動功能嚴重失常的病人，BCI系統(tǒng)應(yīng)該由他完全控制。然而事實上現(xiàn)有的BCI系統(tǒng)都需要照顧者的參與，如系統(tǒng)的安裝、啟動、初始化、關(guān)閉等，即使可以由病人自己關(guān)閉，但重新啟動存在困難。(4)環(huán)境適應(yīng)性：大多數(shù)BCI系統(tǒng)還只是在安靜的實驗室環(huán)境中進行測試，實際應(yīng)用可能面臨更復(fù)雜的環(huán)境，包括任務(wù)本身的認識程度、情緒反應(yīng)、注意力、安全因素等。要使BCI系統(tǒng)真正實用，除了解決以上問題外，還必須在以下各方面開展更深入的研究：(1)BCI系統(tǒng)的臨床測試研究。(2)BCI的訓(xùn)練。為了提高BCI的實用性，必須考慮用戶的接受

7、程度與訓(xùn)練方法，減少電極的數(shù)量，縮短訓(xùn)練時間。(3)信號處理及分類算法。提高BCI的信息傳輸率，減少分類誤差，在很大程度上取決于信號處理與分類算法。(4)BCI系統(tǒng)應(yīng)該輕便、兼容性好，以便在醫(yī)院或家里能方便地使用；系統(tǒng)的使用與操作應(yīng)盡量簡單，電極易放置；BCI設(shè)備的價格應(yīng)適中。(5)國內(nèi)對BCI的研究還處于起步探索階段，適合中國國情的BCI系統(tǒng)尚有許多工作要開展。以拼寫漢字進行交流為例，由于漢字拼寫比英語更復(fù)雜，因此要幫助病人實現(xiàn)正常的交流，難度將更大3．課題主要內(nèi)容與基本思路，分析難點和創(chuàng)新點主要內(nèi)容：1.建立非入侵的腦機接口

8、系統(tǒng)，用于獲取EEG腦電信號.2.腦機接口中的信號處理和模式識別技術(shù)的研究和軟件實現(xiàn).3.智能輪椅的硬件設(shè)計和實現(xiàn).4.腦機接口系統(tǒng)和輪椅硬件的聯(lián)調(diào).基本思路：1、數(shù)據(jù)采集，獲取EEG信號；2、信號處理，數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生特征向量；3、進行軟件仿真，軟件調(diào)試；4、各類