腦力驅動殘疾輪椅與圖像顯示設計

陶陳逸 黃志成

摘 要：人類的每一閃思維、每一種情緒、每一個想法，在大腦中都會產生特定的腦電圖信號（EEG信號），這種信號由千百萬個神經元共同產生，并在大腦內傳播。將檢測到的EEG信號傳送給計算機或相關裝置，經過有效的信號處理與模式識別后，計算機就能識別出使用者的思維狀態。通過采集與利用腦電，我們希望制作出腦力驅動殘疾輪椅和腦電信號圖像軟件。

關鍵詞：腦電 殘疾輪椅 arduino平臺 圖像顯示

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0128-02

人類的每一閃思維、每一種情緒、每一個想法，在大腦中都會產生特定的腦電圖信號（EEG信號），這種信號由千百萬個神經元共同產生，并在大腦內傳播。不同思維情況下產生的神經電活動信號表現出不同的時空變化模式會導致EEG信號的不同。將檢測到的EEG信號傳送給計算機或相關裝置，經過有效的信號處理與模式識別后，計算機就能識別出使用者的思維狀態。通過采集與利用腦電，我們希望制作出腦力驅動殘疾輪椅和腦電信號圖像軟件。

這部分研究的是如何用計算機語言使EEG在計算機上實現三維顯現，并和腦力驅動輪椅相連接，實現在輪椅驅動的同時在顯示屏上顯示圖像。Arduino平臺使用的AVR中ATMEGA168或是328的芯片，雖然使用的只是八位芯片，但因為采用的是RISC指令，并且在基于單片機的基礎上采用了各種新型技術，使得芯片得到很大提升。所以在基于Arduino平臺的基礎上，通過與腦電采集裝置的結合，進行腦力驅動輪椅的設計。

Mindwave腦電采集裝置是一種不依賴于外周神經和肌肉等常規輸出通道的信息交流系統。它可為神經肌肉障礙患者提供一條與外界溝通的途徑，并在虛擬現實、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、穩態視覺誘發電位（SS-VEP）、皮層慢電位（SCP）以及μ或β節律等。其中，SCP、μ或β節律等自發腦電不依賴于額外刺激的輸入，不會產生視覺疲勞，沒有適應性的問題，且其神經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節律的腦機接口，基于SCP的腦機接口要經過長時間的訓練才能實現等。以此為基礎我們想要為手腳不便的殘疾人提供一個腦力驅動的輪椅方便其出行，使用者無需自己用手轉動輪子便可完成輪椅的前進、轉向、停止等動作。

1 腦電信號采集

頭戴式無線腦機接口系統設備[1]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。信號處理采用專用的集成電路，信號的采集和處理端與信號接收端采用射頻芯片收發數據。頭戴式無線腦機接口系統設備準備采用一種基于硅材料的干電極，它采用的微針結構，通過熱氧化、光刻、腐蝕針尖、濺射金屬等過程，使用干濕法結合的加工方法和歐姆接觸層的正反連接結構，如果效果受限，將準備直接購買商用電極使用，簡化工藝流程。腦電信號采集部分采用兩個干電極，一個為信號電極，一個為參考電極。安放的位置選擇在前額葉，這里沒有頭發的干擾，適合干電極的貼附。從前額葉可以記錄到腦電四個波段的腦電及其能譜分布。腦電信號的采集與處理采用NeuroSky公司的ThinkGear ASIC專用芯片來進行，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。采用了射頻傳輸信號的方式，將采集腦電并處理后得到的控制信號通過射頻芯片無線傳輸到受控端。腦電采集與信號發射端系統主控制器采用TI公司的MSP430 F2132，射頻芯片采用Chip.con公司的CC2500，它具有體積小、功耗低、高靈敏度等優點，可以滿足本系統的要求。在制作的腦電采集處理及射頻傳輸系統基礎上利用C/C++、c#和Java語言版本的API開發設計出相應的軟件系統，便于更好的方便實驗，實現實驗的功能。系統的發射端用于得到專注度和放松度的參數值，接收端負責接收發射端發送過來的包含專注度和放松度的數據包，并將數據包解碼得到專注度和放松度的參數值，并根據專注度和放松度的值來控制相應外設的狀態。同樣也可以輸入到計算機中用于觀察所測腦電信號的相關信息。

2 腦控輪椅的設計

2.1 系統介紹

腦控智能輪椅的控制系統主要由腦電采集裝置、藍牙接收、運行于電腦的基于C的信號分析軟件、arduino平臺、電機主控制板等部分組成。該文采用的腦控輪椅系統結構如圖1所示，輪椅主控板采用的是雙通道輸入來控制水平方向的前進、后退、左右轉向功能。

2.2 C語言軟件部分編寫

通過藍牙采集到ASIC芯片上的腦電信號數據分為了集中度、放松度、眨眼信號等幾組不同數據，我們挑選出其中的集中度和放松度來作為輪椅前進或者停止的判別依據。首先設定出停止與前進的閥值，然后在集中度達到前進閥值且持續時間達到2 s后，輸出前進信號，同樣的，在放松度達到停止閥值持續1 s后，輸出停止信號。以9600波特率為基準建立串口輸出模塊，通過USB的形式發送出去。

2.3 Arduino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已經發布到第三版，與前兩版相比有以下新的特點：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5V和3.3V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。

2.4 Arduino語言編寫

通過USB與電腦連接后，以9600比特率接收信號，若此時得到前進信號，將通過11號端口以5V電壓輸出，在接收到停止信號后，停止電壓輸出，Arduino平臺代碼如圖2。輸出的電壓直接提供給輪椅主控板，然后通過主控板最終驅動輪椅移動。

3 信號的圖像顯示

在考慮到前期問題后，我們想借助現有知識解決編程問題，由此提出了多語言混合編程[4]的可能。

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應用程序的過程。我們知道，起始程序都是一樣的，最終都是機器碼，只是在編寫時使用的語言不同（編程語言都是程序的抽象，為了編程方便，本身并不是可運行的程序，最終必須編譯成機器碼才能運行，不同語言只是不同人編的，用的語法不同）。個人寫的源文件無論是任何語言寫的，最終編譯的結果都是機器碼。函數調用在機器碼就是很簡單的一步，將參數表要求的參數值放入堆棧，然后使用jmp指令跳轉到要調用的函數的函數地址即可，別的程序不管怎么實現，只要告訴參數表和函數地址就能調用，所有程序最終都是機器碼，自然也符合這個規則。所以實現互調，只要將對方的接口程序文件映射到自己的進程中，然后預先知道他的參數表，得到他的接口函數地址，將參數放入堆棧，然后跳轉到函數地址，這樣就實現調用。我們提出通過C++語言與MATLAB語言混合編程[5]繪制，并成功通過編程讀取芯片輸出的相關數值，實現了簡單的二維顯示（見圖3）。

MATLAB具有方便的數據可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現出來，并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖。可用于科學計算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數據可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數據的表現等），MATLAB同樣表現了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應的功能函數，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。

我們提出的解決方案是只以MATLAB為主，學習MATLAB相關的GUI設計，最終成功實現腦波的三維實時顯示，實現各頻段腦波的三維圖像實時顯示（見圖4），并結合移動端的顯示。

參考文獻

[1] 王三強.腦電信號采集系統設計及在腦—機接口中的應用研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[2] 張軍.ASIC技術的特點與應用[J].黑龍江：信息技術，2001（9）：1-3.

[3] 程晨.Arduino開發實戰指南[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4] 左艷麗.C語言和匯編語言混合編程的方法和實現[J].湖南省婁底市：職教與經濟研究，2008（3）：60-62.

[5] 陳建平，羅先啟.MATLAB與C/C++、FORTRAN語言混合編程[J].湖北省宜昌市：三峽大學學報：自然科學版，2004（6）：547-551.

[6] 鄧昌瑞.基于MATLAB GUI的多功能計算系統設計及實現[D].南昌：南昌大學，2012.