基于眼电的轮椅控制系统的制作方法

本发明涉及一种电动轮椅控制系统，特别是涉及一种基于眼电的电动轮椅控制系统。

背景技术：

轮椅是常见的助残设备之一，用来帮助腿部运动功能缺失的人重新获得行走能力。人机接口(humanmachineinterface,hmi)将人的意图转化为控制命令，而在人与外部设备之间建立直接的交流和控制通道。因此，人机接口技术被广泛的运用于轮椅控制，常见的包括操纵杆和键盘。不过，现存的用于轮椅控制的人机接口很大部分是手动的，需要用户具有良好的上肢运动功能。然而，一些疾病(如肌萎缩性侧索硬化als，脊髓损伤sci等)会造成病人深度瘫痪，丧失四肢运动功能，因此很难通过传统的手动人机接口操控轮椅，需要为他们提供一种非手动的人机交互方式，让他们能够快速、准确且充分地输出控制指令(如前进，后退，转向，加速，减速，停止等)。通常，深度瘫痪的病人的大脑和眼睛仍然保持着正常功能，因此研究人员提出了一些基于脑电信号(electroencephalography,eeg)或眼电信号(electrooculography,eog)的轮椅控制系统。eeg和eog分别来自于大脑和眼睛生成的生物电信号，二者都属于非侵入式信号。

目前基于脑电信号的用于轮椅控制的人机接口主要使用运动想象、p300以及ssvep等脑电模式，其中运动想象的响应时间(生成一个命令的时间)最短，但是能够提供的控制指令数量有限(通常只有2个或3个)，因此主要用于控制轮椅转向。p300和ssvep可以提供丰富的控制命令，但是它们的响应时间比较长，准确率不高，而且容易造成疲劳，不适合长时间控制。此外，运动想象的效果个体差异很大，因此需要相对大量的训练数据，比较耗时。

目前基于眼电的人机接口具有以下缺点：第一，不能快速准确地识别有意识的眼部动作和无意识的眼部动作；第二，区分不同眼部动作的准确率有待提高；第三，多种眼部动作的使用导致控制比较复杂，容易引起眼部疲劳。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种更加快速安全准确的轮椅控制系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于眼电的轮椅控制系统,包括眼电信号采集模块、眨眼检测单元、决策单元和轮椅执行单元；

所述眼电信号采集模块用于信号采集并进行放大滤波，然后将采集到的眼电信号传送给所述眨眼检测单元；

所述眨眼检测单元从眼电信号中提取波形特征参数，所述波形特征参数包括原始信号最大值、原始信号最大值出现时刻相对于按键闪烁时刻的时延、差分信号最大值以及眨眼持续时间，检查所述波形特征参数是否满足阈值条件，从而判断是否存在眨眼；

所述决策单元根据眨眼检测单元的结果，输出指令给所述轮椅执行单元；

所述轮椅执行单元根据识别的指令结果，控制轮椅执行相对应的动作；

所述决策单元按以下方式根据根据眨眼检测单元的结果输出指令给所述轮椅执行单元；

通过初始校准测出每个用户的眨眼反应时间，即原始信号最大值出现时刻相对于按键闪烁时刻的时延tp的平均值tp；获取该轮闪烁中每个按键的时延tp，依照以下公式对每个按键进行评估：

ei＝|tpi-tp|；

其中，ei为按键i的评估值，tpi为按键i的眼电数据段中原始信号最大值出现时刻相对于按键闪烁时刻的时延，tp为当前用户的眨眼反应时间；然后，选取评估值最小的按键作为本轮闪烁的识别结果。

较佳的，所述眨眼检测单元按以下方式判断是否眨眼：

首先，每次按键闪烁后，提取一段眼电数据，其中包含闪烁时刻开始后100-500ms的眼电数据；对数据段进行降采样，经截止频率为10hz的低通滤波器滤波后做差分得到差分信号；然后提取多个波形特征参数，包括原始信号最大值amax、原始信号最大值出现时刻相对于按键闪烁时刻的时延tp、差分信号最大值smax以及眨眼持续时间dpn；

本发明中眨眼持续时间dpn为差分信号最大值和最小值之间的时间间隔；眨眼检测单元依据每次实验前初始校准设置的阈值参数来检测该数据段中是否包含有眨眼波形；具体来说，系统设置了三个阈值，分别是幅值阈值ath、速度阈值sth和持续时间阈值[d1,d2]；当眼电数据中提取的amax和smax分别超过了幅值阈值和速度阈值，且dpn在持续时间阈值规定的范围内，则认为在该段眼电数据中检测到了眨眼。

较佳的，只有当某个按键在最近的连续三轮闪烁中至少两次被选中作为识别结果，才判断为用户正在跟随该按键的闪烁同步眨眼，进而输出对应的轮椅控制指令；如果不存在满足条件的按键，系统进入新一轮闪烁，不输出任何控制指令。

较佳的，如果某个按键在本轮闪烁中被选中为识别结果，则直接将其视为最终结果并输出对应的轮椅控制指令。

本发明的有益效果是：本发明能够快速地检测到眨眼信号并将其准确定位到某一个具体的按键上，从而实现了仅仅使用一种眼部动作就能安全、快速、准确且充分地提供轮椅控制指令。现存的其它眼电控制系统通常不能很好地区分有意识眼部动作和无意识眼部动作，因而存在一定的误报率，本发明可以很好的解决这个问题；本发明还具有设备成本低，操作简单，实用性好的优点。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的结构示意图。

图2是本发明的决策机制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2所示，一种基于眼电的轮椅控制系统,包括眼电信号采集模块1、眨眼检测单元2、决策单元3和轮椅执行单元4；

所述眼电信号采集模块1用于信号采集并进行放大滤波，然后将采集到的眼电信号传送给所述眨眼检测单元2；

所述眨眼检测单元2从眼电信号中提取波形特征参数，所述波形特征参数包括原始信号最大值、原始信号最大值出现时刻相对于按键闪烁时刻的时延、差分信号最大值以及眨眼持续时间，检查所述波形特征参数是否满足阈值条件，从而判断是否存在眨眼；

所述决策单元3根据眨眼检测单元2的结果，输出指令给所述轮椅执行单元4；

所述轮椅执行单元4根据识别的指令结果，控制轮椅执行相对应的动作；

所述决策单元3按以下方式根据根据眨眼检测单元2的结果输出指令给所述轮椅执行单元4；

通过初始校准测出每个用户的眨眼反应时间，即原始信号最大值出现时刻相对于按键闪烁时刻的时延tp的平均值tp；获取该轮闪烁中每个按键的时延tp，依照以下公式对每个按键进行评估：

ei＝|tpi-tp|；

其中，ei为按键i的评估值，tpi为按键i的眼电数据段中原始信号最大值出现时刻相对于按键闪烁时刻的时延，tp为当前用户的眨眼反应时间；然后，选取评估值最小的按键作为本轮闪烁的识别结果。这种评估方法的有效性是根据实验观察，每个用户对于闪烁的反应时间tp是相对稳定的，会稳定在一定范围时间窗内(比如280-320ms，时间窗宽度40ms左右)。而相邻按键闪烁间隔被设计为90ms，远大于tp稳定范围的宽度。因此只有目标按键的时延tp有可能位于反应时间tp附近，借此和非目标键区分开。

所述的眼电信号采集模块1，采用四通道眼电放大器实现，主包括一个前置放大器，一个右腿驱动电路(drl)，一个带通滤波器(1-30hz)，以及一个后置放大器。放大器总增益为2000，采样频率250hz。四个通道分别为“ch1”,“ch2”，“com”，“comleg”，每个通道通过对应的贴于人体皮肤表面的电极采集信号，其中通道“ch1”和“ch2”为数据采集通道，通道“com”作为参考，“comleg”作为右腿驱动电路的输入通道，用于去除眼电信号中的共模噪声。本实施例仅仅需要用到其中一个数据通道和两个参考通道，其中数据通道(“ch1”)对应电极贴于眉梢，“com”和“comleg”对应的电极分别贴于左右耳根。

本实施例包括图形用户界面，其包括两级界面，分别是开关界面(1个控制按键)、控制界面(13个控制按键)。每个控制按键对应于某个特定功能，且能够按一定频率闪烁，用于提示用户眨眼的时机。用户通过跟随某个按键的闪烁同步眨眼来选中该按键。在开关界面中，单一按键“on”按1hz频率闪烁；在控制界面中，13个控制按键按照固定的顺序依次闪烁，前后两个按键闪烁间隔90ms。一轮闪烁(每个按键闪烁一次)结束后90ms开启新一轮闪烁。

所述眨眼检测单元2按以下方式判断是否眨眼：

首先，每次按键闪烁后，提取一段眼电数据，其中包含闪烁时刻开始后100-500ms的眼电数据；对数据段进行降采样，经截止频率为10hz的低通滤波器滤波后做差分得到差分信号；然后提取多个波形特征参数，包括原始信号最大值amax、原始信号最大值出现时刻相对于按键闪烁时刻的时延tp、差分信号最大值smax以及眨眼持续时间dpn；

本发明中眨眼持续时间dpn为差分信号最大值和最小值之间的时间间隔；眨眼检测单元依据每次实验前初始校准设置的阈值参数来检测该数据段中是否包含有眨眼波形；具体来说，系统设置了三个阈值，分别是幅值阈值ath、速度阈值sth和持续时间阈值[d1,d2]；当眼电数据中提取的amax和smax分别超过了幅值阈值和速度阈值，且dpn在持续时间阈值规定的范围内，则认为在该段眼电数据中检测到了眨眼。即一个成功的眨眼检测需同时满足下列不等式：

amax≥ath(1)

smax≥sth(2)

d1≤dpn≤d2(3)

每次使用前，进行初始校准，用来采集阈值参数。按照1hz的频率闪烁10次。操作者跟随闪烁同步眨眼，校准程序会采集10次眨眼的原始信号，提取多个波形特征参数，包括原始信号最大值amax、原始信号最大值出现时刻相对于按键闪烁时刻的时延tp、差分信号最大值smax以及眨眼持续时间dpn。然后将这10次眨眼的各种特征参数取平均值得到和其中，分别作为眨眼检测单元的幅值阈值ath和速度阈值sth，用来计算持续时间阈值[d1,d2]，作为用户的眨眼反应时间。

现有的眼电控制系统普遍存在一个问题：很难区分无意识的眼部动作和有意识的眼部动作。这一问题会直接增大系统的误报率(当用户处于空闲状态下，系统错误地输出控制指令的概率)，导致系统不稳定。因此，如果仅仅依靠一轮闪烁得出的结果来决定最终的输出，那么用户无意识的一次眨眼就可能导致轮椅错误的移动，这在实际操作中可能会造成危险状况。为了解决这一问题，本发明提出了一种“同步决策机制”：只有当某个按键在最近的连续三轮闪烁中至少两次被选中作为识别结果，系统才判断为用户正在跟随该按键的闪烁同步眨眼，进而输出对应的轮椅控制指令；如果不存在满足条件的按键，系统进入新一轮闪烁，不输出任何控制指令。这种“同步决策机制”强调用户多次眨眼和按键多次闪烁的同步性，而随机的无意识的眨眼几乎不可能和某个按键的闪烁同步，从而消除了无意识眨眼的影响。此外，为了加快控制指令产生的速度，也可以采用另一种“快速决策机制”：如果某个按键在本轮闪烁中被选中为识别结果，则直接将其视为最终结果并输出对应的轮椅控制指令。“快速决策机制”的优点是缩短了生成指令的时间，缺点是准确率不高且容易受到无意识眨眼的影响。由于实际轮椅控制中对停止的反应速度要求较高，需要实现“即停”，并且“误停”不会导致潜在的危险，因此本发明对停止键采用了“快速决策机制”，对其它按键使用的则是“同步决策机制”。根据实验结果，本发明生成一个非停止指令的平均时间为3.56s，生成一个停止指令的时间为1.92s，总体准确率达到97.1％。

本发明较现有技术的一大优势在于引入图形用户界面提示用户在特定时刻眨眼，并提出了一种多阈值眨眼检测方法和一种基于时延的评估方法，能够快速地检测到眨眼信号并将其准确定位到某一个具体的按键上，从而实现了仅仅使用一种眼部动作就能安全、快速、准确且充分地提供轮椅控制指令。根据实验结果，本发明生成一个非停止指令的平均时间为3.56s，生成一个停止指令的时间为1.92s，总体准确率达到97.1％，误报率为0，且能够提供多达13个控制指令。现有的非手动轮椅控制技术如脑电中的运动想象模式通常只能提供2个或3个控制指令且准确率因人而异，而p300模式生成一个控制命令一般需要4-6秒，ssvep模式则容易引发疲劳和癫痫；现有的基于眼电的轮椅控制技术准确率最高只有80％左右。本发明公开的方法可以很好的解决这些问题；

本发明的另一大优势在于采用“同步决策机制”，只有当检测到的眨眼与某个按键的闪烁同步时才输出控制指令，从而大大提高了准确率，消除了单次无意识眨眼带来的影响，误报率为0。现存的其它眼电控制系统通常不能很好地区分有意识眼部动作和无意识眼部动作，因而存在一定的误报率。本发明公开的方法可以很好的解决这个问题；

本发明的另一大优势在于设备成本低，操作简单，实用性好。该系统的硬件信号采集设备为自制的眼电放大器，成本低廉，只需使用三个电极采集信号。用户只需要跟随按键闪烁同步眨眼即可选中对应指令，简单明了，事先不需要经过训练。并且由于引入了校准机制，克服了用户个体差异带来的影响；

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。