一种基于脑机接口的智能护理装置及方法与流程

本发明涉及瘫痪病人辅助装置，特别涉及一种基于脑机接口的智能护理装置及方法。

背景技术：
进入二十一世纪后，由于患有运动性功能障碍并且其运动空间限制在床上的瘫痪病人人数呈现日益上涨的趋势，他们的后背和臀部由于长期局部受压，容易造成血液循环不流畅从而导致生褥疮的发生。因此，他们经常需要通过人工的帮助或其他设备的辅助不时地来改变他们的姿态来预防褥疮。其中，有一部分人可以通过与人表达自己的意图或是借助辅助设备(如基于语音控制、手动遥控开关操控等设备)来实现他们姿态的改变。但仍有很大一部分人是完全丧失了运动能力和语言表达能力，他们仅仅保留了正常人的思维能力，如：肌萎缩性脊侧腰索硬化症(ALS)、脊髓小脑的共济失调(SCA)及植物人等瘫痪病人，这类病人往往是处于被动状态而被改变自己的姿势。随着人们对人工智能领域不断的研究探索及挖掘，诸多的研究成果(如定时控制改变床的状态，人工远程操控床的工作状态等智能设备)应用于辅助此类瘫痪病人，以便改善他们的生活质量，但这些都不是根据瘫痪病人本身的意愿而改变的。近些年，神经工程研究领域的迅速发展，越来越多的科研者设法把神经网络与智能设备结合起来，以便研发出更加适合用于辅助此类瘫痪病人的生活。而脑机接口(brain-computerinterface，BCI)领域作为神经工程领域的一个重要分支，其发展的速度非常快，激起了人们对脑机接口领域研究热潮。脑机接口是一种不依赖于常规人脑正常输出通道的脑机通讯系统，通过采集大脑皮层脑电信号并进行处理及分析，来实现建立人脑与计算机或其他通讯设备间信息直接交流和控制的通道。人脑面对不同的事物、运动或认知活动会产生不同的反应，从而得到不同的脑电信号，经过对这些信号的分类及特征提取等处理后，便可实现人脑与外围设备的通讯和控制。根据脑电采集的方式分为植入式采集和大脑皮层接触式采集(即非植入式)；这两种采集方式比较而言，植入式方式采集的脑电信噪比较高、精度也高，便于对信号进行处理。但是，需要把电极植入人脑内部，存在巨大的危险性；而大脑皮层接触式方式采集的脑电信号幅值很小、信噪较低且属于非平稳信号，容易受到环境及人的状态影响，对于处理的难度比较大，但是其方式不存在风险性。而且，随着技术的不断发展，人们对头皮微小的脑电信号处理能力及方法已经达到一个较高的水平，使脑机接口的应用于生活中变成了现实。针对这两类的情况，本发明中的脑电信号采集使用后者方式即非植入式，通过电极帽并注入导电胶来获取脑电信号即信号采集，然后通过一系列的信号处理，最终实现设备的操作控制。尽管脑机接口技术应用于瘫痪病人的神经功能辅助与康复方面研究处于起步阶段，但无论是单一的脑机接口技术还是多模态的脑机接口的技术研究应用于其他方面已经较为普遍且技术相对成熟。如中国专利(基于脑-机接口的智能轮椅控制系统及其脑电信号处理方法，公开号：CN101301244A)、中国专利(一种新型的基于运动想象脑电控制的智能轮椅系统，公开号：CN101897640A)，是基于单一的脑机接口应用于残疾人对轮椅的控制；又如中国专利(基于多模态脑机接口的智能轮椅，公开号：CN102309380)、中国专利(一种基于SSVEP和P300的多模态脑电开关检测方法，公开号：CN104090653A)，这些是结合多种脑电信号应用的。当前，基于脑机接口的研究应用中，主要用到的脑电信号主要有：基于运动想象的脑电信号、基于稳态视觉诱发电位(steady-statevisualevokedpotential，SSVEP)的脑电信号、基于P300的脑电信号(一种内源性的与认知功能相关的特殊的事件相关电位(eventrelatedpotentials，ERP)，其峰值出现在相关事件发生后的300ms左右)、基于事件相关电位(ERP)的脑电信号，以及基于慢性层电位(SCP)的脑电信号等。这些脑电信号是比较具有规律和科学性，非常适用于实际生活应用中。近些年，随着脑机接口技术的进一步发展及推广，出现了有基于脑机接口的鼠标控制的因特网浏览方法、无线遥控车系统等；然而，目前还尚未出现有用脑电波来实现操控护理床的辅助设备，倘若长期卧床的瘫痪病人能根据自己真实的意愿，借助自己的脑电波来操控护理床以实现他们卧床时的侧翻身、起背、大便、曲腿等动作，这不仅可以根据他们自己的真实意愿来操作改变他们卧床时的姿势，极大地改善了他们的生活质量，同时也减少了护理的劳动负荷以及促进了他们的自我保健系统。

技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于脑机接口的智能护理装置。本发明的另一目的在于提供一种基于脑机接口的智能护理方法。本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于脑机接口的智能护理装置，包括计算机，分别与计算机相连的视觉刺激屏、脑电采集仪，还包括与计算机相连的STM32控制器，以及分别与STM32控制器相连的电动护理床、报警器。所述的脑电信号采集仪包含脑电信号采集仪本体，以及与脑电信号采集仪本体相连的脑电电极帽选取国际10-20系统电极中的12个通道“FZ”、“FCz”、“Cz”、“CPz”、“Pz”、“Oz”、“P3”、“P4”、“P7”、“P8”、“O1”、“O2”，并使这些电极处于其标准的电极位置。所述的脑电信号采集仪本体与脑电电极帽之间注入导电胶。以确保电极与脑电采集仪的导电性能良好。所述的视觉刺激屏的垂直高度方向、左右水平方向、前后方向以及多角度均可调。使用者根据自己的习惯和需求，调整好视觉刺激屏的位置，确保平躺、侧翻等状态下都能够有一个较好的视觉。所述的电动护理床的操作功能是由STM32控制器通过接收控制指令后，驱动CMOS模拟开关芯片MAX308，使其相应的通道选通，从而可以控制电动护理床工作状态；每操作完一个功能后，STM32控制器会记录护理床当前已执行的每一功能对应的次数并通过USB通讯反馈给计算机，每个功能操作持续时间由设定的参数决定。本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：一种基于脑机接口的智能护理方法，包含以下顺序的步骤：S1.调整好视觉刺激屏的位置，确保在平躺、侧翻等状态下都能够有一个较好的视觉刺激；S2.系统初始化并设置系统的相关参数：唤醒控制器功能键位置、控制器每次执行操作护理床的时间，以及操作护理床单一功能时能连续操作的次数即操作安全值的设定；S3.打开操作界面并开启视觉刺激屏，利用人脑对不同的事物、运动或认知活动会产生不同的脑电信号特点，用户通过注视视觉刺激屏(即功能键显示界面)上相应的闪烁功能键来表达操控护理床的意图，促使大脑皮层上产生脑电信号；S4.使用脑电电极帽对该信号进行采集，并将此信号通过脑电采集仪本体滤波、放大、及模数转换处理后，采用Expresscard转并口技术将数据传至计算机；S5.计算机根据控制器的状态，对采集的脑电信号进行两种不同的处理方式：若控制器处于“待唤醒”状态，则进行SSVEP检测和P300电位检测；若处于“待接收控制指令”状态，则只进行P300电位检测；然后，转换为控制指令；S6.控制器接收到计算机的唤醒指令后，控制器立马进入到“待接收控制指令”状态，通过接收到的控制指令，可以对护理床一次相应的工作状态操作或是一次人工求助呼唤；控制器每操作一个功能都会进行记录并反馈给计算机，然后其恢复到“待唤醒”状态；S7.计算机判断当前用户操作护理床的各功能是否有达到步骤S2中预先设置的安全值；若有功能超过设定的值，则关闭该操作功能并提示；此时，用户需执行一次该功能相反的操作就可使其恢复正常。步骤S2中，所述的唤醒控制器功能键位置在视觉屏的左上角、右上角、左下角及右下角中选择。步骤S2中，所述的操作护理床单一功能时能连续操作的次数的通过式子计算，其中N为连续操作的次数，N取正整数，T为护理床单一功能最多执行时间，t为用户每次执行单一功能所需的操作时间。若护理床单一功能最多执行18s即达到安全值的极限，若某用户选的每次操作时间是3s，那么该用户执行任意单一功能连续执行次数为6次，当然用户也可选择2次、3次；但是用户若选择每次操作时间是9s，则只有2次的选项供用户选择；类似，用户若选择的操作时间是6s，则只有2次、3次供用户选择。步骤S5中，所述的SSVEP检测和P300电位检测具体通过以下步骤进行：A、先将采集到的脑电信号经过1～25Hz的带通滤波器去噪处理，然后进行SSVEP检测和P300电位检测；B、SSVEP检测：提取1s内的脑电信号，计算出其功率谱，然后根据对其功率谱是否超过预定义的阈值来判断SSVEP的检测输出；C、P300电位检测：以电极后的信号幅值作为特征，采用截取长时间窗(刺激后的100～600ms范围)的数据并采用支持向量机(supportvectormachine，SVM)模型进行状态分类，从而实现P300电位的检测；D、SSVEP和P300电位的检测后计算机通过USB通讯向控制器发送唤醒指令，同时启动视觉刺激屏界面的操作功能键闪烁，而人工求助呼唤功能和护理床的操作功能(如起背、向左侧翻等功能)是通过P300电位检测后计算机向控制器发送相应的控制指令来实现的。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、长期卧床不起的用户可以根据自己的控制意图来进行人工呼唤求助和操控护理床的控制启动/关闭、向左侧翻、右侧平、向右侧翻、左侧平、起背、背平、向下曲腿、向上抬腿、便盆开/关、及快速复位护理床等功能，填补了目前市场上的空缺，进一步扩展了脑机接口在瘫痪病人领域的应用。2、本发明中的视觉刺激屏设计成多方位可调，可以满足不同的用户需求，具有普遍实用性。3、长期卧床不起的瘫痪病人使用本发明可以有效地减少褥疮发生，极大地提高了他们生活质量，减轻了社会负担。4、本发明具有人工呼唤求助功能和安全预设功能，大大提高了其可行性和安全性。附图说明图1为本发明所述的基于脑机接口的智能护理装置的结构示意图；图2为图1所述装置的模拟开关芯片Max308的电路图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。如图1，一种基于脑机接口的智能护理装置，包括计算机，分别与计算机相连的视觉刺激屏、脑电采集仪，还包括与计算机相连的STM32控制器，以及分别与STM32控制器相连的电动护理床、报警器。所述的脑电信号采集仪包含脑电信号采集仪本体，以及与脑电信号采集仪本体相连的脑电电极帽选取国际10-20系统电极中的12个通道“FZ”、“FCz”、“Cz”、“CPz”、“Pz”、“Oz”、“P3”、“P4”、“P7”、“P8”、“O1”、“O2”，并使这些电极处于其标准的电极位置。所述的脑电信号采集仪本体与脑电电极帽之间注入导电胶。所述的视觉刺激屏的垂直高度方向、左右水平方向、前后方向以及多角度均可调。所述的电动护理床的操作功能是由STM32控制器通过接收控制指令后，驱动CMOS模拟开关芯片MAX308，使其相应的通道选通，从而可以控制电动护理床工作状态；每操作完一个功能后，STM32控制器会记录护理床当前已执行的每一功能对应的次数并通过USB通讯反馈给计算机，每个功能操作持续时间由设定的参数决定。一种基于脑机接口的智能护理方法，包含以下顺序的步骤：S1.根据自己的习惯和需求，调整好视觉刺激屏的位置，确保平躺、侧翻等状态下都能够有一个较好的视觉；S2.用户戴上专用采集脑电的电极帽，选取国际10-20系统电极中的12个通道“FZ”、“FCz”、“Cz”、“CPz”、“Pz”、“Oz”、“P3”、“P4”、“P7”、“P8”、“O1”、以及“O2”并使这些电极处于其标准的电极位置，注入导电胶确保电极与脑电采集仪的导电性能良好；S3.系统初始化并设置相关的参数：唤醒控制器功能键的位置为视觉刺激屏的右上角，控制器每次执行操作护理床的时间为3s，能连续操作护理床的单一功能为6次。控制器处于“待唤醒”状态，然后打开操作界面；S4.开启视觉刺激屏，并启动唤醒控制器功能键闪烁，四个键(依次为右上角、右下角、左下角、左上角)分别以7.5Hz、6Hz、5.45Hz、6.67Hz进行闪烁。界面的四角各有一个大小一样的闪烁键，但其中右上角的是能唤醒控制器的，由步骤S3设定的。右上角的唤醒控制器功能键(简称“S”键)；S5.用户注视“S”键，此时脑电采集仪对脑电信号进行采集，并经过1～25Hz的带通滤波器去噪处理，然后送至计算机进行SSVEP检测和P300电位检测。所述SSVEP检测流程为：提取1s内的信号→计算其功率谱→阈值对比；所述P300电位检测流程为：截取刺激后的100～600ms范围的数据→特征提取→SVM分类；直到这两种脑信号都成功检测出后，计算机向控制器发送唤醒指令使其处于“待接收控制指令”状态；并开启视觉刺激屏界面的操作功能键闪烁，进入步骤S6；S6.界面的功能键按照以200ms为时间间隔进行随机的绿、黑两种颜色变化闪烁。若此时用户不想操作任何功能，则可以通过再次注视“S”键，使其被选中后，关闭操作功能键的闪烁，控制器在“待接收控制指令”状态下，超过60s未收到任何指令，则自动回到“待唤醒”状态；用户再次想操作护理床时，又从步骤S5开始。若用户想操作某一功能，则注视自己所期望操作的功能键图标即P300闪烁键，如：用户操作护理床的“起背”功能，则注视刺激屏界面的起背功能图标键，即操作界面中的起背功能图标键。此时，计算机只进行P300电位检测，通过对每个功能图标键闪烁的数据进行采集并预处理、截取刺激后的100～600ms范围的数据进行特征提取和SVM分类，来确定用户想要实现功能，确定后该功能图标键变成红色，计算机则通过USB通讯给控制器发出相应的指令；S7.控制器主要由以STM32为控制核心构成，其接到控制指令后并进行解析，若是人工呼唤求助，则STM32驱动报警器工作进行报警提示。否则，驱动CMOS模拟开关MAX308芯片来选择其相应的通道，通过改变端口的电阻阻值，如图2所示，通过STM32控制两片模拟开关芯片MAX308，通过改变他们的通道选通情况来实现端口COM1_6，COM2_1分别到地的电阻值改变，从而可以实现护理床的操作，如表1所示，端口COM1_6，COM2_1分别到地的电阻值所对应护理床的功能操作。上述步骤S6中发送的起背指令，控制器STM32则将图2中U2芯片MAX308的通道3选通，使得COM1_6到地的电阻值为10.5KΩ；表1电阻值对应护理床的操作功能表S8.执行指令后，STM32会进行记录，并把护理床当前已执行的每一功能对应的次数通过USB通讯反馈给计算机，计算机判断当前用户操作护理床的各功能是否有达到步骤S3中预先设置的安全值。若有功能超过设定的值，则关闭该操作功能并提示。此时，用户需执行一次该功能相反的操作来恢复其正常。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。