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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 多模態(tài)腦機(jī)接口輪椅控制系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于腦機(jī)接口的電動(dòng)輪椅控制，目的在于給存在運(yùn)動(dòng)功能障礙的殘疾人或者有相關(guān)需要的人員提供另一種意愿輸出的途徑以及與外界環(huán)境交互的能力，為其給予生活或工作方面的輔助。實(shí)際的系統(tǒng)可以做到使用者僅須通過腦的想象與接受車載電腦的刺激就可以控制輪椅的轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退、加速、減速、啟動(dòng)和停止等。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于腦機(jī)接口的電動(dòng)輪椅控制，目的在于給存在運(yùn)動(dòng)功能障礙的殘疾人或者有相關(guān)需要的人員提供另一種意愿輸出的途徑以及與外界環(huán)境交互的能力，為其給予生活或工作方面的輔助。其中腦機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)采用了多模態(tài)的信號(hào)處理及模式識(shí)別方法，首先從腦電信號(hào)中提取兩種獨(dú)立的信號(hào)進(jìn)行二維的運(yùn)動(dòng)控制，其次還通過融合兩種信號(hào)特征進(jìn)行輪椅運(yùn)行速度的控制。實(shí)際的系統(tǒng)可以做到使用者僅須通過腦的想象與接受車載電腦的刺激就可以控制輪椅的轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退、加速、減速、啟動(dòng)和停止等。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本作品設(shè)計(jì)與發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)一種通過腦電來直接控制輪椅的腦機(jī)接口系統(tǒng)，給存在嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)功能障礙的殘疾人或者有相關(guān)需要的人員提供另一種輪椅駕駛控制手段，為其提供生活或工作方面的輔助。 作品設(shè)計(jì)的基本思路是通過針對(duì)腦電信號(hào)中多種特征模式，主要包括對(duì)使用者的運(yùn)動(dòng)想象（Motor imagery）和接受被動(dòng)刺激時(shí)在腦電上的反映（P300視覺誘發(fā)電位），對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理及特征提取，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的分類或者回歸分析，從而做到多自由度的控制輸出。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.基于腦機(jī)接口的輪椅控制技術(shù) 2.多模態(tài)腦電信息整合技術(shù) 3.提供靈活的多自由度輸出 4.輪椅異步控制技術(shù) 技術(shù)關(guān)鍵： 1.輪椅的改造與硬件平臺(tái)的搭建。 2.腦電信號(hào)處理中特征的提取與選擇方法：對(duì)腦電信號(hào)中時(shí)間、空間以及頻率域特征進(jìn)行有效的提取，并選取最有利于分類的特征。 3.腦電特征模式到控制指令的映射：對(duì)選取出來的特征必須合理的映射到輸出指令上才能有效的對(duì)輪椅進(jìn)行控制。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1.控制的精度：即控制指令的輸出與使用者意愿的符合程度。 2.控制輸出的速度：能在控制輪椅運(yùn)動(dòng)的過程中有效地避開障礙物，在緊急情況下快速停止，而且能夠快速到達(dá)目標(biāo)位置等。 3.使用者的體驗(yàn)：使用者體驗(yàn)調(diào)查能夠在一定程度上反映該作品能否真正在實(shí)際中得到應(yīng)用。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品不僅實(shí)現(xiàn)了腦機(jī)接口的多維運(yùn)動(dòng)控制，而且進(jìn)一步提供了運(yùn)動(dòng)速度控制的功能，其中采用了基于多種腦電特征（P300誘發(fā)電位，運(yùn)動(dòng)想象）的多模態(tài)特征提取方法，而且通過對(duì)兩種特征的有效融合實(shí)現(xiàn)了速度的控制。計(jì)算機(jī)根據(jù)頭皮腦電信號(hào)中包含的P300誘發(fā)電位信息和運(yùn)動(dòng)想象節(jié)律信息特征，分別進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和分類。對(duì)于運(yùn)動(dòng)想象特征，我們首先進(jìn)行CAR（共同平均參考）濾波，去掉通道間的直流分量，然后進(jìn)行Mu（8-13Hz頻帶）節(jié)律的濾波，對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行CSP（共同空間模式）變換得到信號(hào)的特征模式，再通過SVM（支持向量機(jī)）進(jìn)行分類，得到輪椅運(yùn)動(dòng)的角度信息；同時(shí)對(duì)于P300誘發(fā)電位，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，去除工頻干擾，提取每個(gè)通道信號(hào)的幅值連接起來，加上運(yùn)動(dòng)想象的CSP特征，共同構(gòu)成一個(gè)完整的特征向量，然后進(jìn)行SVM 的分類，得到輪椅運(yùn)動(dòng)的速度信息。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品所基于的腦機(jī)接口虛擬自動(dòng)車，字符輸入系統(tǒng)在2010年由國(guó)家基金委主辦，清華大學(xué)承辦的首屆中國(guó)腦機(jī)接口比賽中獲得了兩個(gè)項(xiàng)目的第一名。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 在使用本作品前，使用者需要接受相關(guān)的一些訓(xùn)練。其中包括完成一段時(shí)間的P300和運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)，建立相應(yīng)的模型，然后進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的二維運(yùn)動(dòng)控制，在計(jì)算機(jī)模擬控制的性能達(dá)到要求后才能進(jìn)行輪椅的控制。 本作品僅采用使用者的腦電信號(hào)作為輸入，通過相應(yīng)的信號(hào)處理及模式識(shí)別方法提取出多維的控制信號(hào)，進(jìn)行輪椅的運(yùn)動(dòng)控制。其主要技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)如下： 1.多模態(tài)腦電信息整合技術(shù) 2.提供靈活的多自由度輸出 3.輪椅異步控制技術(shù) 本作品適用于存在運(yùn)動(dòng)功能障礙的殘疾人，有相關(guān)需要的人員及對(duì)此有興趣的研究人員等。本作品不僅為使用者提供運(yùn)動(dòng)控制的功能，提高他們的生活質(zhì)量與信心，而且經(jīng)過一定的擴(kuò)展，可以提供其他如文字輸入，因特網(wǎng)瀏覽，家電控制等功能，給使用者帶來更多的便利。本系統(tǒng)投產(chǎn)后將在殘疾人輔助、生物醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域有較大的市場(chǎng)與經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 近幾年，腦機(jī)接口的相關(guān)研究取得了很大的發(fā)展，腦機(jī)接口在腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、信息，控制科學(xué)等領(lǐng)域都產(chǎn)生了很多應(yīng)用。而在多自由度的運(yùn)動(dòng)控制方面的應(yīng)用主要有虛擬環(huán)境漫游、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)模擬、自動(dòng)車控制（包括模型車、機(jī)器人、輪椅控制等）、假肢控制等。國(guó)內(nèi)外一些腦機(jī)接口研究機(jī)構(gòu)如美國(guó)紐約州立大學(xué)奧爾巴尼分校、德國(guó)Fraunhofer研究中心和圖賓根大學(xué)、奧地利的Graz大學(xué)、日本Riken研究中心、新加波Infocomm研究中心，以及中國(guó)的清華大學(xué)等均發(fā)表了腦機(jī)接口輪椅控制的相關(guān)文章，主要采用的方法包括基于P300誘發(fā)電位、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）、運(yùn)動(dòng)想象的腦電信號(hào)特征提取與分類。僅適用視覺誘發(fā)電位（包括P300和SSVEP）的控制系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，訓(xùn)練時(shí)間短，但由于離散控制的內(nèi)在的缺陷，很難做到平滑，快速的控制。而單獨(dú)依靠運(yùn)動(dòng)想象的實(shí)現(xiàn)則需要對(duì)使用者進(jìn)行很長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練，而且對(duì)使用者的依賴性很強(qiáng)?？偨Y(jié)下來，主要有以下兩類： 1. 通過對(duì)運(yùn)動(dòng)想象特征進(jìn)行二分類來控制輪椅進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)向和勻速運(yùn)動(dòng)。此類方法功能簡(jiǎn)單，僅能做到最基本的轉(zhuǎn)向，而實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)遇到需要停止運(yùn)動(dòng)的情況，如轉(zhuǎn)彎角度較大或者掉頭。這種情況僅依靠轉(zhuǎn)向功能是很難應(yīng)付的。 2. 通過P300或者SSVEP腦電特征來進(jìn)行多自由度的輪椅控制。該控制方法通常需要對(duì)使用者受到多次重復(fù)的刺激的信號(hào)進(jìn)行平均來計(jì)算輸出，檢測(cè)速度較慢，使用者長(zhǎng)時(shí)間注視刺激信號(hào)，而且由于是同步工作方式，容易疲勞。
