專利名稱：腦機接口家電遙控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種遙控裝置，尤其是一種家用電器的遙控裝置。用于實現(xiàn)家用電器的開關(guān)及功能切換。
背景技術(shù)：
腦-機接口(Brain-Computer Interface，BCI)是在人腦和計算機或其他電子設(shè)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)。
基本BCI系統(tǒng)含有操作控制意圖的腦電信號通過電極從頭皮或顱內(nèi)獲得，經(jīng)過信號處理提取反映使用者意圖的腦電信號特征，并將之轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的操作命令，如按下遙控器鍵、敲擊打字機鍵盤、移動屏上光標等。目前BCI研究的主要應(yīng)用目標是幫助肢體嚴重癱瘓的殘疾人操縱和使用周邊日常生活工具，以實現(xiàn)對外界的信息交流和設(shè)備控制。
腦-機接口作為一種全新的信息交換和控制技術(shù)，將為癱瘓病人，特別是那些喪失了基本肢體運動功能但思維正常的患者，提供一種與外界進行信息交流和控制的新途徑，正受到越來越多的重視。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種腦-機接口家電遙控裝置，它能實現(xiàn)家用電器開關(guān)及功能切換的無肢體動作遙控過程。
為了解決上述所要解決的技術(shù)問題，本發(fā)明的腦-機接口家電遙控裝置，包括遙控器，它由依次連接的頭皮導(dǎo)聯(lián)電極、前置放大低通濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、Labview平臺(Labview的正式中文全稱為“虛擬儀器”)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路與所述遙控器的控制接口電路連接；所述頭皮導(dǎo)聯(lián)電極用于采集操作者腦電中α波的信號數(shù)據(jù)，并將其輸至所述的前置放大、低通濾波電路進行放大、濾波處理，放大、濾波處理后的模擬信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出至Labview平臺，Labview平臺用于完成上述數(shù)字信號的運算處理，再將實際α波增幅信號轉(zhuǎn)換為模擬信號作為控制信號輸出至所述遙控器的控制接口電路并產(chǎn)生提示音給操作者。
所述Labview平臺為存儲有信號處理軟件的計算機，所述計算機在運行該信號處理軟件時執(zhí)行以下步驟采集模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)據(jù)信號，經(jīng)8～13Hz的帶通濾波保留其中α波成分；經(jīng)RMS平滑算法后分為兩路信號一路經(jīng)過400～500ms的平均處理后成為主控制通道信號，用于輸出控制；另一路經(jīng)過50ms的平均處理后成為輔助控制通道信號，用于判斷主通道信號是由受試者閉眼產(chǎn)生的真實α波增幅信號還是其它干擾所引起的噪聲信號；將實際α波增幅信號轉(zhuǎn)換為模擬信號作為控制信號輸出至所述遙控器的控制接口電路。
所述判斷方法為將主通道信號與門限電壓進行比較，如果超越門限電壓，再與輔助控制通道信號進行比較以判斷是否真實α波增幅信號。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)家用電器開關(guān)及功能切換的無肢體動作遙控過程，可讓全身性重癥癱瘓但頭腦功能正常的殘疾人自行實現(xiàn)對電視機或其它家用電器的遙控操作，并獲得可觀的社會效益和經(jīng)濟效益。


圖1是本發(fā)明腦-機接口家電遙控裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2a是選中電源開關(guān)控制時的控制顯示面板圖；圖2b是選中頻道增加控制時的控制顯示面板圖；圖2c是選中音量增加控制時的控制顯示面板圖；圖3是本發(fā)明的信號處理流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作詳細說明。
如圖1所示，本發(fā)明的腦-機接口家電遙控裝置是基于虛擬儀器LabVIEW平臺，利用正常人腦電α波阻斷現(xiàn)象的開關(guān)控制作用設(shè)計了相應(yīng)的BCI控制面板、信號采集系統(tǒng)、信號處理平臺和接口控制電路，來實現(xiàn)對電視遙控器的控制。操作者由控制面板選擇產(chǎn)生含有相關(guān)控制信息的腦電信號；該信號先經(jīng)前置放大、濾波，再由信號采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換后輸入計算機；然后在計算機內(nèi)Labview平臺上完成去噪、均方根(RMS)平滑—平均、與門限電壓比較、產(chǎn)生控制脈沖等一系列信號處理工作；最后由遙控器接口電路輸出相應(yīng)觸發(fā)信號完成對電視機的遙控功能。
遙控面板設(shè)計和信號處理流程本發(fā)明設(shè)計了控制顯示面板，以實現(xiàn)對電視機遙控器五個遙控功能的選擇，如圖2a、圖2b和圖2c所示。3幅圖中所示的五個指示燈分別代表電源開關(guān)、頻道增加、頻道減少、音量增加、音量減小等五個控制功能，由系統(tǒng)時鐘控制循環(huán)顯示。三幅圖依次示出了電源開(或關(guān))、頻道增加和音量增加三個功能遙控狀態(tài)(相應(yīng)的指示燈點亮，即圖中淺色的燈)。
對應(yīng)于控制顯示面板，本發(fā)明設(shè)計了四組不同的電視遙控器按鍵操作組合(這幾乎包括了人們?nèi)粘Ｊ褂眠@幾個按鍵的所有情況)第一組，電源(開)、頻道增加、頻道減少、音量增加、音量減小、電源(關(guān))；第二組，電源(開)、頻道增加、音量增加、頻道增加、音量增加、電源(關(guān))；第三組，電源(開)、頻道減少、音量減小、頻道減少、音量減小、電源(關(guān))；第四組，電源(開)、頻道增加、頻道增加、頻道增加、頻道增加、電源(關(guān))。操作者按照上述不同組合順序進行BCI選擇按鍵操作。
本發(fā)明信號處理在Labview平臺上完成。信號處理流程如圖3所示由頭皮電極拾得原始腦電信號經(jīng)Labview采集卡輸入到計算機后，再經(jīng)8～13Hz的帶通濾波保留其中α波成分；該信號經(jīng)過10ms的均方根(RMS)平滑算法后分為兩路信號一路經(jīng)過400～500ms的平均處理后成為主控制通道信號，用于輸出控制；另一路經(jīng)過50ms的平均處理后成為輔助控制通道信號，用來判斷主通道信號是由受試者閉眼產(chǎn)生的真實α波增幅信號還是其它干擾所引起的噪聲信號。其判斷方法是將主通道信號與門限電壓進行比較，如果超越門限電壓，再與輔助控制通道信號進行比較以判斷是否真實α波增幅信號。信號處理流程最后將實際α波增幅信號作為控制信號輸出給接口電路并產(chǎn)生提示音給操作者。
系統(tǒng)參數(shù)的確定對于本發(fā)明整個系統(tǒng)而言需要確定三個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)其一是開關(guān)閾值電壓，其二是動作時間常數(shù)，對應(yīng)于控制面板上指示燈切換前持續(xù)閃爍的時間，其三是各種干擾所引起的最大背景噪聲電壓。上述第一個參數(shù)反映操作者在睜、閉眼狀態(tài)之間α波幅的差別；第二個參數(shù)反映操作者閉眼后α波幅超過閾值電壓所需時間；第三個參數(shù)對判斷主控制通道信號是真實α波控制信號還是干擾噪聲具有重要的參考價值。
開關(guān)閾值電壓把操作者睜眼時α波幅平均值記為Vopen，閉眼時α波幅平均值記為Vclose，其差值記為Vd，則操作者的開關(guān)閾值電壓參考值Vref可按下面經(jīng)驗公式計算Vref＝Vopen+0.8Vd(1)式中0.8是操作者睜、閉眼狀態(tài)下α波幅差異的增益系數(shù)。本發(fā)明對不同操作者采用相同的閾值電壓，可根據(jù)不同的控制目標與任務(wù)來選取相應(yīng)的開關(guān)閾值電壓設(shè)定方案。
動作時間常數(shù)如前述，動作時間常數(shù)反映了操作者后α波幅超過閾值電壓所需時間，本發(fā)明采用相同增益系數(shù)值，按上述方法確定各操作者的開關(guān)控制閾值電壓，并用該系統(tǒng)測試操作者的動作時間值。為了獲得較穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)，要求每個操作者重復(fù)操作試驗25次，考慮到系統(tǒng)硬件采集、信號處理所需時間和個體差異，本發(fā)明選取動作時間數(shù)據(jù)記錄中的最大值作為BCI系統(tǒng)的動作時間常數(shù)。
最大背景噪聲電壓操作過程中會出現(xiàn)很多干擾因素(包括眼電、肌電信號和周圍環(huán)境噪聲干擾)。在上述干擾出現(xiàn)時動作平均數(shù)值會伴隨動作的發(fā)生或環(huán)境的變化而出現(xiàn)相應(yīng)的改變，超出正常范圍很多。為警示大幅度干擾出現(xiàn)情況，本發(fā)明在主通道之外另在副通道上設(shè)定一個干擾警戒值(超過門限電壓，在可能出現(xiàn)的大幅度干擾范圍之內(nèi))，如果是超過這個警戒值就認為主通道的控制信號可能是由干擾引起的而非有意識控制下α波幅度的增加，從而抑制主通道控制信號的輸出。
基本控制特性實驗12位受試者運用本發(fā)明的BCI電視遙控系統(tǒng)進行了基本控制特性實驗。該實驗?zāi)康氖峭ㄟ^對受試者的數(shù)據(jù)分析來考察系統(tǒng)的控制方案可行性和易操作性及控制速度。受試者均為青年學(xué)生(男女各半，平均年齡為25.8歲)。實驗包括四個階段，每個階段要求受試者進行20次連續(xù)選擇控制。受試者均未經(jīng)過先期訓(xùn)練，選擇控制任務(wù)的順序在實驗中隨機給出。從發(fā)出控制任務(wù)命令開始計時，到控制目標方向被選中、指示燈被點亮(表示完成一項控制任務(wù))，則計時停止，依次進行20次；如果被點亮的指示燈不是控制任務(wù)命令所要選中的方向，則記為一個錯誤。實驗時間記錄嚴格在相同實驗條件下由同一實驗者負責(zé)進行。
表1 5位受試者實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對每個受試者記錄了在四個階段連續(xù)20個目標選擇過程中的正確選擇時間(含最大值、最小值、中值和平均值)及錯誤選擇次數(shù)。從實驗數(shù)據(jù)可以看出每個受試者在連續(xù)實驗過程中，正確選擇時間逐漸縮短、選擇錯誤次數(shù)明顯逐步減少，且從第二階段實驗開始正確選擇時間一般接近或低于平均值，表明受試者經(jīng)過第一階段實驗后，均能很快地熟悉并適應(yīng)系統(tǒng)的控制操作。其中有兩位受試者在首次實驗中錯誤率僅為10％，三位受試者從第二階段開始，已將錯誤率分別下降為15％、10％和5％，表明在第二階段實驗時多數(shù)受試者已經(jīng)熟悉系統(tǒng)控制，從而迅速降低了錯誤水平。上述基本控制實驗結(jié)果表明了該BCI系統(tǒng)具有易于理解和操作的特點。
表1是其中5位受試者實驗中較容易出現(xiàn)的兩類選擇錯誤統(tǒng)計，其一是所謂“循環(huán)錯誤”，指受試者因未能及時做出選擇而錯過本次循環(huán)，只能等到下次循環(huán)時再選擇目標方向。其二是“臨選錯誤”，指受試者因控制過猶不及而錯選了相鄰的方向目標。從表中求和分析可以看出，循環(huán)錯誤出現(xiàn)比較少，其主要原因是偶然因素。而在選擇錯誤數(shù)中，臨選錯誤占有較大比例，較容易發(fā)生。從本質(zhì)上講，臨選錯誤主要產(chǎn)生于心理因素，但經(jīng)過訓(xùn)練可以克服。表中可以看到臨選錯誤在逐步實驗過程中明顯減少，在第二部分錯誤率減少了64.7％，到第四部分減少了70.6％，進一步證明了該BCI系統(tǒng)的易操作性和可靠性能。
12名受試者實驗結(jié)果說明，本發(fā)明的腦-機接口家電遙控裝置具有不需要復(fù)雜學(xué)習(xí)或生物反饋訓(xùn)練過程，準確度高，易掌握等特點，可能為思維正常但運動功能殘缺的患者提供一種新的信息交流控制方式和助殘康復(fù)及生活輔助工具。
權(quán)利要求
1.一種腦-機接口家電遙控裝置，包括遙控器，其特征是，它由依次連接的頭皮導(dǎo)聯(lián)電極、前置放大低通濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、Labview平臺和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路組成，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路與所述遙控器的控制接口電路連接；所述頭皮導(dǎo)聯(lián)電極用于采集操作者腦電中α波的信號數(shù)據(jù)，并將其輸至所述的前置放大低通濾波電路進行放大、濾波處理，放大、濾波處理后的模擬信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出至Labview平臺，Labview平臺用于完成上述數(shù)字信號的運算處理，將實際α波增幅信號轉(zhuǎn)換為模擬信號作為控制信號輸出至所述遙控器的控制接口電路并產(chǎn)生提示音給操作者。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種腦-機接口家電遙控裝置，其特征是，所述Labview平臺為存儲有信號處理軟件的計算機，所述計算機在運行該信號處理軟件時執(zhí)行以下步驟采集模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)據(jù)信號，經(jīng)8～13Hz的帶通濾波保留其中α波成分；經(jīng)RMS平滑算法后分為兩路信號一路經(jīng)過400～500ms的平均處理后成為主控制通道信號，用于輸出控制；另一路經(jīng)過50ms的平均處理后成為輔助控制通道信號，用于判斷主通道信號是由受試者閉眼產(chǎn)生的真實α波增幅信號還是其它干擾所引起的噪聲信號；將實際α波增幅信號轉(zhuǎn)換為模擬信號作為控制信號輸出至所述遙控器的控制接口電路。
3.根據(jù)權(quán)種要求1所述的一種腦-機接口家電遙控裝置，所述判斷方法為將主通道信號與門限電壓進行比較，如果超越門限電壓，再與輔助控制通道信號進行比較以判斷是否真實α波增幅信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種腦－機接口家電遙控裝置，包括遙控器，它由依次連接的用于采集操作者腦電中α波的頭皮導(dǎo)聯(lián)電極、前置放大低通濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、Labview平臺和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路組成，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路與所述遙控器的控制接口電路連接。Labview平臺用于完成上述數(shù)字信號的運算處理，將實際α波增幅信號轉(zhuǎn)換為模擬信號作為控制信號輸出至所述遙控器的控制接口電路并產(chǎn)生提示音給操作者。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)家用電器開關(guān)及功能切換的無肢體動作遙控過程，可讓全身性重癥癱瘓但頭腦功能正常的殘疾人自行實現(xiàn)對電視機或其它家用電器的遙控操作，并獲得可觀的社會效益和經(jīng)濟效益。
文檔編號G08C19/00GK1710621SQ20051001457
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月19日
發(fā)明者萬柏坤, 綦宏志, 陳濱津 申請人:天津大學(xué)