基于腦電波控制的醫(yī)療輔助系統(tǒng)

陳戌　張躍　孫文匯

摘要：隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，腦機(jī)接口技術(shù)也在不斷發(fā)展，并逐漸融人人們的生活當(dāng)中。基于腦電波控制的醫(yī)療輔助系統(tǒng)主要包含了四個(gè)模塊，分別為：腦電信號(hào)采集、數(shù)據(jù)傳輸、腦電數(shù)據(jù)分析處理、智能小車(chē)平臺(tái)。針對(duì)Mlindlink腦電波頭戴，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。通過(guò)Mindlink采集腦電波信號(hào)，由藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸給arduino解析出使用者當(dāng)前的大腦活動(dòng)狀態(tài)，提取所需的參數(shù)，控制小車(chē)的前進(jìn)及其速度，從而達(dá)到用意念控制小車(chē)。

關(guān)鍵詞：腦電波 Mindlink 頭戴 Arduino 智能小車(chē)

1腦電波信號(hào)

注意力缺陷多動(dòng)障礙（ADHD），在我國(guó)稱為多動(dòng)癥，是兒童期常見(jiàn)的一類心理障礙。表現(xiàn)為與年齡和發(fā)育水平不相稱的注意力不集中和注意時(shí)間短暫、活動(dòng)過(guò)度和沖動(dòng)，常伴有學(xué)習(xí)困難、品行障礙和適應(yīng)不良等癥狀。

腦電波來(lái)自腦神經(jīng)組織的電活動(dòng)，神經(jīng)細(xì)胞傳遞信號(hào)時(shí)產(chǎn)生腦電信號(hào)，即腦電波。腦電波活動(dòng)具有一定的規(guī)律性特征，并且與大腦的意識(shí)存在一定程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。人在昏迷、興奮、緊張等不同狀態(tài)下，腦電波的頻率會(huì)有明顯的不同，大約分布在1 - 40Hz之間。依照不同的頻率，腦波又被進(jìn)一步分為α、β、δ、θ、γ波。θ波（4 -7H z），腦波處于該頻率時(shí)人的精神處于深度松弛狀態(tài)，注意力高度集中，靈感涌現(xiàn)，創(chuàng)造力空前高漲。α波（8 - 14Hz），腦波處于該頻率時(shí)人的大腦清醒而放松，注意力呈聚焦?fàn)?，容易集中精神于某—工作中，不易處于外界其他事物干擾，并且大腦不易疲勞，現(xiàn)代科學(xué)積極倡導(dǎo)α波是為人們學(xué)習(xí)與思考的最佳腦波狀態(tài)。其中α波又分為3種，慢d波（8 - 9H z），臨睡前頭腦茫茫然的狀態(tài)，意識(shí)逐漸走向模糊。中α波（9 - 12H z），靈感、直覺(jué)或點(diǎn)子發(fā)揮威力的狀態(tài)，身心輕松而注意力集中?？歃敛ǎ?2 - 14Hz），稍顯緊張，無(wú)暇他顧的狀態(tài)。β波（14 - 30Hz），處于該腦波頻率，大腦處于清醒的意識(shí)，精神處于緊張狀態(tài)，對(duì)周?chē)挛锖苊舾?，注意力集中于外在環(huán)境，呈分散狀，并且大腦容易疲勞，絕大多數(shù)人白天都處于這種狀態(tài)。

2EEG數(shù)據(jù)解析

2.{數(shù)據(jù)流格式說(shuō)明

Mindlink大約每秒發(fā)送513個(gè)包，數(shù)據(jù)包是由異步串行字節(jié)流構(gòu)成。發(fā)送的包有大包和小包兩種：小包的格式是AA AA 04 8002 xxHigh xxLow xxCheckSum，前面的AA AA 04 80 02是不變的，后三個(gè)字節(jié)是一直變化的，xxHigh和xxLow組成了原始數(shù)據(jù)rawdata，xxCheckSum就是校驗(yàn)和。所以一個(gè)小包里面只包含一個(gè)對(duì)開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)有用的數(shù)據(jù)，就是rawdata，可以說(shuō)一個(gè)小包就是一個(gè)原始數(shù)據(jù)，大約每秒鐘會(huì)有512個(gè)原始數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析如下：

在算原始數(shù)據(jù)之前，先檢查校驗(yàn)和：sum一《Ox80+Ox02+xxHigh+xxLow）^ OxFFFFFFFF）&OxFF;

從小包中解析出原始數(shù)據(jù)：rawdata-（xxHigh《8）lxxLow if（rawdata> 32768）{rawdata--65536}

在解析出的原始數(shù)據(jù)中，04代表專注度Attention，05代表放松度Medit ation。在本系統(tǒng)中，我們主要用到Attention這個(gè)數(shù)值。該變量為一無(wú)符號(hào)的長(zhǎng)變量，用來(lái)表達(dá)被測(cè)試者的注意力集中程度，其取值范圍為0 100，默認(rèn)情況下，該變量以每秒以此的頻率輸出。

2.2 eSense參數(shù)

NeuroSkyThinkGear技術(shù)在對(duì)原始腦電波信號(hào)采用了放大設(shè)計(jì)并過(guò)濾了環(huán)境噪音及肌肉組織運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾后，又通過(guò)eSense算法進(jìn)行計(jì)算，由此得到了量化的eSense參數(shù)值。eSense參數(shù)以1-100之間的具體數(shù)值來(lái)表示用戶的專注度水平和放松度水平。 數(shù)值在40-60之間表示此刻該項(xiàng)參數(shù)的值處于中間范圍，這一范圍即為腦電波測(cè)量技術(shù)中確定的“基線”;若測(cè)量數(shù)值高于此范圍，則表示使用者處于高放松度和高專注度的狀態(tài)，同理，若測(cè)量值低于此范圍，則表示使用者當(dāng)前處于低放松度和低專注度的狀態(tài)。

3系統(tǒng)控制原理

本系統(tǒng)基于Mindlink頭戴進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，腦電波頭戴的電極貼在前額。頭戴采集腦電波信號(hào)，內(nèi)部TGATI-L64芯片對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)由內(nèi)置藍(lán)牙模塊傳出。設(shè)置XY_MBD07A藍(lán)牙模塊上電自動(dòng)與Mindlink頭戴內(nèi)置藍(lán)牙自動(dòng)連接，經(jīng)串口將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給Arduino。Arduino將數(shù)據(jù)處理分析后，經(jīng)串口將控制指令發(fā)送給STM32小車(chē)控制平臺(tái)，以此實(shí)現(xiàn)腦電波對(duì)智能小車(chē)的控制。

3.1腦電信號(hào)采集

Mindlink頭戴利用內(nèi)部集成的腦電采集芯片NeuroSky公司的TGATI-L64芯片對(duì)使用者的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)將被采樣數(shù)據(jù)，通過(guò)高通濾波、低通濾波，數(shù)據(jù)分析、偽跡檢測(cè)、參考點(diǎn)轉(zhuǎn)換、基線校正等方法去除諸如眼動(dòng)、心電、肌電的干擾信號(hào)，提取有效的腦電特征并分析給出相應(yīng)數(shù)據(jù);再由腦電耳機(jī)集成的藍(lán)牙接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到處理器進(jìn)行分析處理。

腦電信號(hào)采集使用Mindlink頭戴，Mindlink采集模塊含有TGATI-L64芯片、藍(lán)牙模塊、前額電極和電源。TGAT芯片是一個(gè)高度集成的單一芯片腦電傳感器，可以輸出三個(gè)NeuroSky的eSense參數(shù)，可以進(jìn)行濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換，過(guò)濾眼電噪聲等處理后輸出腦電波的原始數(shù)據(jù)。

3.2藍(lán)牙通信

本系統(tǒng)主要采用藍(lán)牙的方式傳輸數(shù)據(jù)，Mindlink搭載HC-05模塊，主模塊選用XYMBD07A。

XYMBD07A模塊是基于賽普拉斯@CYPRESS（原美國(guó)博通@Broadcom）藍(lán)牙4.2 BLE+BR/EDR雙模芯片，集成藍(lán)牙協(xié)議基帶、MCU（CortexM3）、高增益射頻PCB天線，采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)、半孔引腳、ROHS制程，具有集成度極高、超低功耗、藍(lán)牙無(wú)線射頻性能卓越等特點(diǎn)。

藍(lán)牙模塊設(shè)置：使用XCOM串口調(diào)試助手連接X(jué)YMBD07A模塊，波特率為115200。將Mindlink設(shè)置為配對(duì)模式，發(fā)送指令A(yù)T+SCAN7（查詢掃描附近藍(lán)牙設(shè)備），AT+SCAN-（主動(dòng)連接查詢到的藍(lán)牙設(shè)備），AT+LINK-（主動(dòng)連接已配對(duì)藍(lán)牙設(shè)備），AT+LINK-I（自動(dòng)連接最后以此配對(duì)的藍(lán)牙設(shè)備）。至此，藍(lán)牙模塊XYMBD07A就設(shè)置完成了'該模塊設(shè)置為上電自動(dòng)與Mindlink連接，方便后期Arduino連接Mindlink接受數(shù)據(jù)。

3.3核心控制板

本系統(tǒng)采用的核心控制板為Arduino UNO，Arduino Uno是基于ATmega328P（數(shù)據(jù)表）的微控制器板。它有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個(gè)可用作PWM輸出），6個(gè)模擬輸入，16 MHz石英晶體，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復(fù)位按鈕。它包含支持微控制器所需的一切;

Arduino板串口RXD端與XYMBD07A模塊TXD端相連接，接受Mindlink發(fā)出的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)程序提取Attention值，經(jīng)串口傳送數(shù)據(jù)到小車(chē)控制平臺(tái)。

4總結(jié)分析

本系統(tǒng)基于Arduino及Mindlink頭戴等器件設(shè)計(jì)了智能小車(chē)的控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)eSense參數(shù)和數(shù)據(jù)包的研究，解析出Attention及Meditation值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能小車(chē)的控制?？梢詭椭藗冡尫艍毫?、訓(xùn)練提高注意力，并能夠輔助治療兒童多動(dòng)癥。

此控制系統(tǒng)不僅局限于對(duì)智能小車(chē)的控制，還可以與智能家居結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)家中智能硬件的控制。隨著科學(xué)技術(shù)技術(shù)的不斷發(fā)展，腦機(jī)接口技術(shù)可以廣泛的應(yīng)用到人們的日常生活當(dāng)中，提高生活質(zhì)量。