基本信息
- 項目名稱：
- 多模態(tài)腦機接口輪椅控制系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品設(shè)計和實現(xiàn)了基于腦機接口的電動輪椅控制，目的在于給存在運動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、后退、加速、減速、啟動和停止等。
- 詳細介紹：
- 本作品設(shè)計和實現(xiàn)了基于腦機接口的電動輪椅控制，目的在于給存在運動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。其中腦機接口的實現(xiàn)采用了多模態(tài)的信號處理及模式識別方法，首先從腦電信號中提取兩種獨立的信號進行二維的運動控制，其次還通過融合兩種信號特征進行輪椅運行速度的控制。實際的系統(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、后退、加速、減速、啟動和停止等。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 本作品設(shè)計與發(fā)明的目的是實現(xiàn)一種通過腦電來直接控制輪椅的腦機接口系統(tǒng)，給存在嚴重運動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)計的基本思路是通過針對腦電信號中多種特征模式，主要包括對使用者的運動想象（Motor imagery）和接受被動刺激時在腦電上的反映（P300視覺誘發(fā)電位），對腦電信號進行預(yù)處理及特征提取，并對其進行相應(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： 1.基于腦機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的搭建。 2.腦電信號處理中特征的提取與選擇方法：對腦電信號中時間、空間以及頻率域特征進行有效的提取，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輪椅進行控制。 主要技術(shù)指標： 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：能在控制輪椅運動的過程中有效地避開障礙物，在緊急情況下快速停止，而且能夠快速到達目標位置等。 3.使用者的體驗：使用者體驗調(diào)查能夠在一定程度上反映該作品能否真正在實際中得到應(yīng)用。
科學(xué)性、先進性
- 本作品不僅實現(xiàn)了腦機接口的多維運動控制，而且進一步提供了運動速度控制的功能，其中采用了基于多種腦電特征（P300誘發(fā)電位，運動想象）的多模態(tài)特征提取方法，而且通過對兩種特征的有效融合實現(xiàn)了速度的控制。計算機根據(jù)頭皮腦電信號中包含的P300誘發(fā)電位信息和運動想象節(jié)律信息特征，分別進行預(yù)處理、特征提取和分類。對于運動想象特征，我們首先進行CAR（共同平均參考）濾波，去掉通道間的直流分量，然后進行Mu（8-13Hz頻帶）節(jié)律的濾波，對濾波后的信號進行CSP（共同空間模式）變換得到信號的特征模式，再通過SVM（支持向量機）進行分類，得到輪椅運動的角度信息；同時對于P300誘發(fā)電位，首先對信號進行低通濾波，去除工頻干擾，提取每個通道信號的幅值連接起來，加上運動想象的CSP特征，共同構(gòu)成一個完整的特征向量，然后進行SVM 的分類，得到輪椅運動的速度信息。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本作品所基于的腦機接口虛擬自動車，字符輸入系統(tǒng)在2010年由國家基金委主辦，清華大學(xué)承辦的首屆中國腦機接口比賽中獲得了兩個項目的第一名。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 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間的P300和運動想象任務(wù)，建立相應(yīng)的模型，然后進行計算機模擬的二維運動控制，在計算機模擬控制的性能達到要求后才能進行輪椅的控制。 本作品僅采用使用者的腦電信號作為輸入，通過相應(yīng)的信號處理及模式識別方法提取出多維的控制信號，進行輪椅的運動控制。其主要技術(shù)特點和優(yōu)勢如下： 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動功能障礙的殘疾人，有相關(guān)需要的人員及對此有興趣的研究人員等。本作品不僅為使用者提供運動控制的功能，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)域有較大的市場與經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 近幾年，腦機接口的相關(guān)研究取得了很大的發(fā)展，腦機接口在腦科學(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。而在多自由度的運動控制方面的應(yīng)用主要有虛擬環(huán)境漫游、計算機鼠標模擬、自動車控制（包括模型車、機器人、輪椅控制等）、假肢控制等。國內(nèi)外一些腦機接口研究機構(gòu)如美國紐約州立大學(xué)奧爾巴尼分校、德國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，以及中國的清華大學(xué)等均發(fā)表了腦機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）、運動想象的腦電信號特征提取與分類。僅適用視覺誘發(fā)電位（包括P300和SSVEP）的控制系統(tǒng)雖然實現(xiàn)簡單，訓(xùn)練時間短，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。而單獨依靠運動想象的實現(xiàn)則需要對使用者進行很長時間的訓(xùn)練，而且對使用者的依賴性很強?？偨Y(jié)下來，主要有以下兩類： 1. 通過對運動想象特征進行二分類來控制輪椅進行簡單的轉(zhuǎn)向和勻速運動。此類方法功能簡單，僅能做到最基本的轉(zhuǎn)向，而實際應(yīng)用中經(jīng)常會遇到需要停止運動的情況，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腦電特征來進行多自由度的輪椅控制。該控制方法通常需要對使用者受到多次重復(fù)的刺激的信號進行平均來計算輸出，檢測速度較慢，使用者長時間注視刺激信號，而且由于是同步工作方式，容易疲勞。
