CN105287067A

CN105287067A - 一种针对渐冻症患者的智能家居系统

Info

Publication number: CN105287067A
Application number: CN201510657990.0A
Authority: CN
Inventors: 王珏; 李尤君; 郑良; 王丹; 朱晓琪
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2016-02-03

Abstract

一种针对渐冻症患者的智能家居系统，包括脑电信号采集单元、传输单元、PC处理单元和选择控制单元；脑电信号采集单元采集脑电信号并放大、数字化，然后通过传输单元以蓝牙通信的方式无线发送到PC处理单元，PC处理单元收到信号后首先进行预处理，再将预处理后的数据通过eSense^TM算法得到注意力信号和眨眼信号，最后将这两个信号生成控制信号，再通过蓝牙将控制信号传送到家居控制端完成控制；本发明专门针对渐冻症患者存在语言和运动功能障碍的问题而设计，所选的信号采集和处理设备均考虑到患者的方便程度和舒适性，整个控制过程仅需通过自主的眨眼和集中注意力来启动和控制装置，还有可视化的操作控制界面，能帮助患者完成多项操作功能，不仅能极大地方便患者的日常需要，也能减少护理人员的负担。

Description

一种针对渐冻症患者的智能家居系统

技术领域

本发明涉及生物医学康复工程技术领域，特别涉及一种针对渐冻症患者的智能家居系统。

背景技术

肌萎缩侧索硬化症(amyotrophiclateralsclerosis，ALS)，俗称为渐冻症，是中枢神经系统内控制骨骼肌的运动神经元退化所致。从患病开始，患者身体会慢慢无法运动，犹如被渐渐冻结，所以会严重影响患者的正常行为活动。虽然渐冻症在我国引起了广泛的关注，但其治疗手段仍不健全，日常护理效果也极为有限。渐冻症患者的护理中，医护人员及病人家属很难对患者做到实时监护，以便提供及时有效的护理措施。患者由于其行动和语言受阻，当有需要时也难以及时联系到护理人员，所以患者生活质量也受到了很大的影响。

因此，如果能为渐冻症患者提供及时沟通的方法和装置，那么对于他们的治疗和日常护理都将会具有重要意义。不仅有助于对渐冻症患者自身需求和感受的表达，也能帮助医护人员或者家属对病人的护理。而我们目前普遍使用的监护手段，与渐冻症患者的交流和沟通还仅仅局限于语言和肢体动作，目前广泛使用的呼叫装置也是需要肢体操作，不利于渐冻症患者使用，尤其是对于重度渐冻症患者，运动和语言严重受限，这种监护控制装置对他们来说根本无法满足需求。因此，迫切需要一种能准确表达患者自主意愿，且不依赖于任何语言和肢体操作的智能控制装置。渐冻症患者只需要通过依靠神经功能或者躯体微小运动就可以来启动和控制装置，不涉及其他的肢体或者语言操作，这样才能方便存在运动和语言障碍的渐冻症患者使用，也可帮助护理人员对患者的护理。与此同时，目前的病人监护控制系统基本上都是单一模式的识别控制，只能实现呼叫报警等单一功能。而渐冻症患者需要全方位的护理，所以能实现多种功能的多模式智能家居控制装置对于他们的生活是很有意义的。

发明内容

为了解决上述现有的问题，本发明的目的在于提供一种针对渐冻症患者的智能家居系统，针对行动和语言有障碍的渐冻症患者，设计了一种智能家居系统，当渐冻症患者有需要时，只需要通过自主眨眼和集中注意力来启动和控制该智能系统，实现多种模式控制功能之间的切换和选择，从而可实现意念控制，而对语言或者行动没有要求，可以为日常护理工作提供多项便利，减少医护人员和渐冻症患者的负担。

为了达到以上目的，本发明的技术方案为：

一种针对渐冻症患者的智能家居系统，包括脑电信号采集单元、传输单元、PC处理单元和选择控制单元；脑电信号采集单元采集脑电信号并放大、数字化，然后通过传输单元以蓝牙通信的方式无线发送到PC处理单元，PC处理单元收到信号后首先进行预处理，再将预处理后的数据通过eSense^TM算法得到注意力信号和眨眼信号，最后将这两个信号生成控制信号，再通过蓝牙将控制信号传送到家居控制端完成控制。

所述的脑电信号采集单元包括TGAM芯片、蓝牙装置、屏蔽线、电极和电池，TGAM芯片的EEG信号电极端、REF参考电极端、GND接地端、EEG屏蔽端和REF参考屏蔽端分别和采脑电信号电极的对应端口相连接，其中REF参考电极端为信号的基准，EEG信号电极端采集到的信号去掉REF参考电极端采集到的基准信号就可得到实际的脑电信号，GND接地端是为了保证电路工作电压有相同的电平基准，EEG屏蔽端和REF参考屏蔽端是为了对采集的信号进行保护屏蔽，减少外界干扰影响；除此之外，TGAM芯片自带有蓝牙装置，通过供电电压VCC端、TX输出端和GND接地端与蓝牙相连接，相同的供电电压和接地使蓝牙和TGAM主板只需要一种供电，同时TX输出端的连接使得采集到的信号能直接传输到蓝牙。

所述的EEG信号电极端和REF参考电极端采用干电极来提取信号。

所述的传输单元是将脑电信号采集单元的信号与PC处理单元的信号输入端通过串口通信的方式无线蓝牙传输。

所述的PC处理单元，首先对采集的原始脑电信号进行预处理，过滤掉噪声，再将预处理后的数据通过eSense^TM算法进行模式判别，解读出当前使用者精神状态的eSense^TM参数，得到注意力信号参数和眨眼信号参数。

所述的选择控制单元，将提取到的注意力和眨眼特征值作为输入配合来进行选择控制，将眨眼作为启动和步进信号，注意力作为选择信号，并将该过程做成一个可视化的界面，界面直观反映出被控智能家居当前的状态及可选择的的控制目录，将选择控制的信号发送到需要被控制的接收端，接收端接收后完成控制，控制信号的发送和接收通过蓝牙来完成的，在电脑发送端和家居控制端分别装上蓝牙并进行匹配，就可通过蓝牙使控制端接收到电脑发送的操作信号，从而完成对家居设备的控制。

本发明采用TGAM芯片采集脑电信号，再经过eSense^TM算法处理得到注意力和眨眼信号，在此基础上生成操作信号并经蓝牙传输实现多项基本控制功能。该装置所采用的核心芯片为低功耗芯片，集成度高，成本低，体积小；传输过程都通过无线蓝牙完成，易于移动，方便使用；还为患者提供了可视化选择控制界面，方便患者查看和操作。本发明为有行动和语言障碍的渐冻症患者提供了一种人性化的智能家居控制装置，具有重要的实验研究价值。

本研究的优点是：

1.本发明注重于渐冻症患者的自主意识控制，通过采集脑电信号并进行分析处理得到患者的注意力和眨眼信息，然后结合这两个特征值来控制整个装置。

2.本发明通过采集渐冻症患者的脑电来进行控制，对行动和语言没有要求，适合这两方面有障碍的患者，只需要通过集中注意力和自主眨眼就能实现功能，非常方便患者使用。

3.本发明使用TGAM及其辅助电路采集脑电信号，该芯片集成度高，成本低，装置构造精简，使得整套装置的成本降到了最低，其价格在大部分患者的消费承受能力范围内，有较大的使用市场。

4.本发明采用的提取注意力信号的eSense^TM算法已得到了广泛认可和使用，相对成熟，使用简便，可以得到比较准确的注意力数值。

5.本发明的信号传输均通过蓝牙无线传输，不使用电力线，易于使用和移动。在有效范围内可以越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求，方便患者使用。

6.本发明设计了人性化的可视选择控制界面，将控制的状态和结果实时显示回馈，方便患者查看和操作。

7.本发明可实现多模式智能控制，能帮助渐冻症患者实现多种控制功能，解决患者的多个基本生活问题，为患者和护理人员提供极大便利。

附图说明

图1是本发明硬件工作流程示意图。

图2为本发明的TGAM模块硬件连接示意图。

图3为本发明的系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明做详细叙述。

如图1所示，一种针对渐冻症患者的智能家居系统，包括脑电信号采集单元、传输单元、PC处理单元和选择控制单元；脑电信号采集单元采集脑电信号并放大、数字化，然后通过传输单元以蓝牙通信的方式无线发送到PC处理单元，PC处理单元收到信号后首先进行预处理，再将预处理后的数据通过eSense^TM算法模式判别得到注意力信号和眨眼信号，最后将这两个信号生成控制信号，再通过蓝牙将控制信号传送到家居控制端完成控制。

参照图2，所述的脑电信号采集单元包括TGAM芯片、蓝牙装置，屏蔽线，电极和电池，TGAM芯片的EEG信号电极端、REF参考电极端、GND接地端、EEG屏蔽端和REF参考屏蔽端分别和采脑电信号电极的对应端口相连接，其中REF参考电极端为信号的基准，EEG信号电极端采集到的信号去掉REF参考电极端采集到的基准信号就可得到实际的脑电信号，GND接地端是为了保证电路工作电压有相同的电平基准，EEG屏蔽端和REF参考屏蔽端是为了对采集的信号进行保护屏蔽，减少外界干扰影响；除此之外，TGAM芯片自带有蓝牙装置，通过供电电压VCC端、TX输出端和GND接地端与蓝牙相连接，相同的供电电压和接地使蓝牙和TGAM主板只需要一种供电，同时TX输出端的连接使得采集到的信号能直接传输到蓝牙。整个模块的电源通过正负极端与蓝牙相连。整个采集单元总体功耗低、抗干扰能力强、体积小、寿命长，这些特点都适合渐冻症患者的长期临床使用，通过采集脑电信号提取特征值，把患者的自主意识作为控制信号，实现意念控制。

所述的TGAM芯片模块，它集成了脑电信号的采集、放大和A/D转换等功能。集成度高，使用方便。

所述的EEG信号电极端和REF参考电极端采用干电极来提取信号，采样率为512Hz，硬件滤波为3Hz-100Hz，运行电压为2.97-3.63V。其中电极包括一个干电极(贴在额头)、两个参考电极(分别夹在左右耳乳突出)、3V电源。干电极提取信号简单方便，不需要导电膏，而且TGAM体积小，适合渐冻症患者临床使用。

所述的传输单元是将脑电信号采集单元的信号与PC处理单元的信号输入端通过串口通信的方式无线蓝牙传输。TGAM芯片和电脑都自带有蓝牙装置，不再需要附加蓝牙装置，信号以串口通信方式发送，频率为512Hz，波特率为57600，每一次发送包括数据包数据头、标志位、数据位、校验位在内的8位数据包，无线信号传输省去了电力线，降低了50Hz工频干扰，使整套装置简洁方便，同时也可以穿过障碍物连接，而且便于移动。

所述的PC处理单元，首先对采集的原始脑电信号进行预处理，过滤掉噪声，为后续处理提供便利，再将预处理后的数据通过eSense^TM算法进行模式判别，解读出当前使用者精神状态的eSense^TM参数，得到注意力信号参数和眨眼信号参数，计算方法简单易行，后续就可结合注意力信号参数和眨眼信号参数控制和调节被控系统。

所述的eSense^TM算法提取的脑电信号注意力和眨眼特征值，注意力特征反映了使用者当前的注意力集中程度，眨眼特征值反映了使用者当前的眨眼次数和频率。眨眼信号主要是根据脑电中混杂的肌电信号来识别的，而注意力信号则通过eSense^TM算法生成的eSense^TM参数来进行判定。

所述的模式判别，电脑从接收到的数据中，通过eSense^TM算法得到注意力数值，通过对注意力数值和阈值比较而决定是否发出操作信号。对于眨眼信号，同样也可以通过eSense^TM算法进行识别。当人眨眼时，额头肌电电位会出现明显变化，通过检测这一变化即可识别眨眼信号。

所述的注意力信号和眨眼信号通过eSense^TM算法提取具体如下：首先，eSense^TM参数以1到100之间的数值来指示用户的注意力水平。数值在1—20则意味着处于“低值区”，说明注意力非常低。数值在20—40之间则表示此时的eSense^TM参数水平处于“较低值区”。数值在40和60之间表示此刻的注意力值处于中间范围。数值在60—80之间表示此刻的注意力值处于“较高值区”，也就是说略高于正常水平。数值在80—100之间表示处于“高值区”，它表示你的注意力达到了非常高的水平，即处于非常专注的状态。鉴于此，我们将注意力数值为60设为阈值，也就是说，若在使用中检测到注意力数值超过阈值60，即判定为有效的注意力信号(注意力处于集中状态)。同时该算法还可以对采集的脑电信号进行眨眼识别。眨眼时，额头肌电电位的变化会导致原始数据中出现一个较大的波峰和波谷，当在短暂时间内依次出现一次与静态EEG值偏差1/128以上的波谷和波峰时，即可识别眨眼信号。

参照图3，所述的选择控制单元，将提取到的注意力和眨眼特征值作为输入配合来进行选择控制，将眨眼作为启动和步进信号，注意力作为选择信号，并将该过程做成一个可视化的界面，界面直观反映出被控智能家居当前的状态及可选择的的控制目录，将选择控制的信号发送到需要被控制的接收端，接收端接收后完成控制，控制信号的发送和接收通过蓝牙来完成的，在电脑发送端和家居控制端分别装上蓝牙并进行匹配，就可通过蓝牙使控制端接收到电脑发送的操作信号，从而完成对家居设备的控制。智能家居的被控端口主要包括CSR公司生产的BC417和MXIC公司生产的29LV800CBTI-70两种芯片及其辅助电路、受端口控制的播音器和10秒计时器。无线传输简单易行，易于移动，而且控制端口成本低体积小，适合于渐冻症患者临床使用。

所述选择控制单元的可视化的界面是采用C语言编写的一个人性化的界面。在设计中，将脑电信号处理后得到的眨眼和注意力特征值作为输入，将眨眼作为启动和步进信号，将注意力作为选择信号，如果将脑电信号处理后检测到两秒内出现三次眨眼(超过正常人眨眼的平均频率)，即判定为渐冻症患者有需求，此时控制系统启动，默认进入第一个控制选项，然后再通过眨眼进行步进，检测到一次眨眼即步进一位，跳至下一个控制选项，设置为循环步进，即步进至最后一个控制选项时若仍检测到步进信号则又会跳至第一个控制选项。当步进至需要的选项时，患者只需集中注意力，若检测到注意力数值超过60(设定的阈值)，即选定该选项，选择后控制系统自动关闭，直到下一次再被眨眼启动。该过程中选择和控制是电脑在USB接口通过蓝牙发送器向控制端口发送操作信号来实现的。通过这样一个系统就可完成对空调、电视、窗帘等家居设备的简单控制，还可实现自主呼叫和报警功能。

本发明的工作原理：参照图1、图3，当患者有需求时，先通过连续眨眼启动该控制设备，TGAM芯片开始实时采集并处理脑电信号，然后发送到PC处理单元，通过eSense^TM算法计算注意力信号和眨眼信号，患者只需要通过眨眼进行步进选择，当确定选项后集中注意力进行确认选定，并经过可视化的选择控制单元产生有效的控制信号，然后向智能家居被控端口发送操作信号，端口接收到操作信号后智能家居完成相应的操作。

Claims

1.一种针对渐冻症患者的智能家居系统，其特征在于，包括脑电信号采集单元、传输单元、PC处理单元和选择控制单元；脑电信号采集单元采集脑电信号并放大、数字化，然后通过传输单元以蓝牙通信的方式无线发送到PC处理单元，PC处理单元收到信号后首先进行预处理，再将预处理后的数据通过eSense^TM算法得到注意力信号和眨眼信号，最后将这两个信号生成控制信号，再通过蓝牙将控制信号传送到家居控制端完成控制。

2.根据权利要求1所述的一种针对渐冻症患者的智能家居系统，其特征在于，所述的脑电信号采集单元包括TGAM芯片、蓝牙装置，屏蔽线，电极和电池，TGAM芯片的EEG信号电极端、REF参考电极端、GND接地端、EEG屏蔽端和REF参考屏蔽端分别和采脑电信号电极的对应端口相连接，其中REF参考电极端为信号的基准，EEG信号电极端采集到的信号去掉REF参考电极端采集到的基准信号就可得到实际的脑电信号，GND接地端是为了保证电路工作电压有相同的电平基准，EEG屏蔽端和REF参考屏蔽端是为了对采集的信号进行保护屏蔽，减少外界干扰影响；除此之外，TGAM芯片自带有蓝牙装置，通过供电电压VCC端、TX输出端和GND接地端与蓝牙相连接，相同的供电电压和接地使蓝牙和TGAM主板只需要一种供电，同时TX输出端的连接使得采集到的信号能直接传输到蓝牙。

3.根据权利要求1所述的一种针对渐冻症患者的智能家居系统，其特征在于，所述的传输单元是将脑电信号采集单元的信号与PC处理单元的信号输入端通过串口通信的方式无线蓝牙传输。

4.根据权利要求1所述的一种针对渐冻症患者的智能家居系统，其特征在于，所述的PC处理单元，首先对采集的原始脑电信号进行预处理，过滤掉噪声，再将预处理后的数据通过eSense^TM算法进行模式判别，解读出当前使用者精神状态的eSense^TM参数，得到注意力信号参数和眨眼信号参数。

5.根据权利要求1所述的一种针对渐冻症患者的智能家居系统，其特征在于，所述的选择控制单元，将提取到的注意力和眨眼特征值作为输入配合来进行选择控制，将眨眼作为启动和步进信号，注意力作为选择信号，并将该过程做成一个可视化的界面，界面直观反映出被控智能家居当前的状态及可选择的的控制目录，将选择控制的信号发送到需要被控制的接收端，接收端接收后完成控制，控制信号的发送和接收通过蓝牙来完成的，在电脑发送端和家居控制端分别装上蓝牙并进行匹配，就可通过蓝牙使控制端接收到电脑发送的操作信号，从而完成对家居设备的控制。

6.根据权利要求2所述的一种针对渐冻症患者的智能家居系统，其特征在于，所述的EEG信号电极端和REF参考电极端采用干电极来提取信号。