基于脑电波控制的医疗辅助系统

陈戌　张跃　孙文汇

摘要：随着人工智能技术的快速发展，脑机接口技术也在不断发展，并逐渐融人人们的生活当中。基于脑电波控制的医疗辅助系统主要包含了四个模块，分别为：脑电信号采集、数据传输、脑电数据分析处理、智能小车平台。针对Mlindlink脑电波头戴，进行二次开发。通过Mindlink采集脑电波信号，由蓝牙将数据传输给arduino解析出使用者当前的大脑活动状态，提取所需的参数，控制小车的前进及其速度，从而达到用意念控制小车。

关键词：脑电波 Mindlink 头戴 Arduino 智能小车

1脑电波信号

注意力缺陷多动障碍（ADHD），在我国称为多动症，是儿童期常见的一类心理障碍。表现为与年龄和发育水平不相称的注意力不集中和注意时间短暂、活动过度和冲动，常伴有学习困难、品行障碍和适应不良等症状。

脑电波来自脑神经组织的电活动，神经细胞传递信号时产生脑电信号，即脑电波。脑电波活动具有一定的规律性特征，并且与大脑的意识存在一定程度的对应关系。人在昏迷、兴奋、紧张等不同状态下，脑电波的频率会有明显的不同，大约分布在1 - 40Hz之间。依照不同的频率，脑波又被进一步分为α、β、δ、θ、γ波。θ波（4 -7H z），脑波处于该频率时人的精神处于深度松弛状态，注意力高度集中，灵感涌现，创造力空前高涨。α波（8 - 14Hz），脑波处于该频率时人的大脑清醒而放松，注意力呈聚焦状，容易集中精神于某—工作中，不易处于外界其他事物干扰，并且大脑不易疲劳，现代科学积极倡导α波是为人们学习与思考的最佳脑波状态。其中α波又分为3种，慢d波（8 - 9H z），临睡前头脑茫茫然的状态，意识逐渐走向模糊。中α波（9 - 12H z），灵感、直觉或点子发挥威力的状态，身心轻松而注意力集中。快α波（12 - 14Hz），稍显紧张，无暇他顾的状态。β波（14 - 30Hz），处于该脑波频率，大脑处于清醒的意识，精神处于紧张状态，对周围事物很敏感，注意力集中于外在环境，呈分散状，并且大脑容易疲劳，绝大多数人白天都处于这种状态。

2EEG数据解析

2.{数据流格式说明

Mindlink大约每秒发送513个包，数据包是由异步串行字节流构成。发送的包有大包和小包两种：小包的格式是AA AA 04 8002 xxHigh xxLow xxCheckSum，前面的AA AA 04 80 02是不变的，后三个字节是一直变化的，xxHigh和xxLow组成了原始数据rawdata，xxCheckSum就是校验和。所以一个小包里面只包含一个对开发者来说有用的数据，就是rawdata，可以说一个小包就是一个原始数据，大约每秒钟会有512个原始数据。对数据进行解析如下：

在算原始数据之前，先检查校验和：sum一《Ox80+Ox02+xxHigh+xxLow）^ OxFFFFFFFF）&OxFF;

从小包中解析出原始数据：rawdata-（xxHigh《8）lxxLow if（rawdata> 32768）{rawdata--65536}

在解析出的原始数据中，04代表专注度Attention，05代表放松度Medit ation。在本系统中，我们主要用到Attention这个数值。该变量为一无符号的长变量，用来表达被测试者的注意力集中程度，其取值范围为0 100，默认情况下，该变量以每秒以此的频率输出。

2.2 eSense参数

NeuroSkyThinkGear技术在对原始脑电波信号采用了放大设计并过滤了环境噪音及肌肉组织运动产生的干扰后，又通过eSense算法进行计算，由此得到了量化的eSense参数值。eSense参数以1-100之间的具体数值来表示用户的专注度水平和放松度水平。 数值在40-60之间表示此刻该项参数的值处于中间范围，这一范围即为脑电波测量技术中确定的“基线”;若测量数值高于此范围，则表示使用者处于高放松度和高专注度的状态，同理，若测量值低于此范围，则表示使用者当前处于低放松度和低专注度的状态。

3系统控制原理

本系统基于Mindlink头戴进行二次开发，脑电波头戴的电极贴在前额。头戴采集脑电波信号，内部TGATI-L64芯片对脑电信号进行处理，处理后的数据由内置蓝牙模块传出。设置XY_MBD07A蓝牙模块上电自动与Mindlink头戴内置蓝牙自动连接，经串口将接收到的数据传输给Arduino。Arduino将数据处理分析后，经串口将控制指令发送给STM32小车控制平台，以此实现脑电波对智能小車的控制。

3.1脑电信号采集

Mindlink头戴利用内部集成的脑电采集芯片NeuroSky公司的TGATI-L64芯片对使用者的脑电数据进行采集，同时将被采样数据，通过高通滤波、低通滤波，数据分析、伪迹检测、参考点转换、基线校正等方法去除诸如眼动、心电、肌电的干扰信号，提取有效的脑电特征并分析给出相应数据;再由脑电耳机集成的蓝牙接口将数据发送到处理器进行分析处理。

脑电信号采集使用Mindlink头戴，Mindlink采集模块含有TGATI-L64芯片、蓝牙模块、前额电极和电源。TGAT芯片是一个高度集成的单一芯片脑电传感器，可以输出三个NeuroSky的eSense参数，可以进行滤波、放大、A/D转换，过滤眼电噪声等处理后输出脑电波的原始数据。

3.2蓝牙通信

本系统主要采用蓝牙的方式传输数据，Mindlink搭载HC-05模块，主模块选用XYMBD07A。

XYMBD07A模块是基于赛普拉斯@CYPRESS（原美国博通@Broadcom）蓝牙4.2 BLE+BR/EDR双模芯片，集成蓝牙协议基带、MCU（CortexM3）、高增益射频PCB天线，采用工业级设计、半孔引脚、ROHS制程，具有集成度极高、超低功耗、蓝牙无线射频性能卓越等特点。

蓝牙模块设置：使用XCOM串口调试助手连接XYMBD07A模块，波特率为115200。将Mindlink设置为配对模式，发送指令AT+SCAN7（查询扫描附近蓝牙设备），AT+SCAN-（主动连接查询到的蓝牙设备），AT+LINK-（主动连接已配对蓝牙设备），AT+LINK-I（自动连接最后以此配对的蓝牙设备）。至此，蓝牙模块XYMBD07A就设置完成了'该模块设置为上电自动与Mindlink连接，方便后期Arduino连接Mindlink接受数据。

3.3核心控制板

本系统采用的核心控制板为Arduino UNO，Arduino Uno是基于ATmega328P（数据表）的微控制器板。它有14个数字输入/输出引脚（其中6个可用作PWM输出），6个模拟输入，16 MHz石英晶体，USB连接，电源插孔，ICSP接头和复位按钮。它包含支持微控制器所需的一切;

Arduino板串口RXD端与XYMBD07A模块TXD端相连接，接受Mindlink发出的数据。设计程序提取Attention值，经串口传送数据到小车控制平台。

4总结分析

本系统基于Arduino及Mindlink头戴等器件设计了智能小车的控制系统，通过对eSense参数和数据包的研究，解析出Attention及Meditation值，实现了对智能小车的控制。可以帮助人们释放压力、训练提高注意力，并能够辅助治疗儿童多动症。

此控制系统不仅局限于对智能小车的控制，还可以与智能家居结合，实现对家中智能硬件的控制。随着科学技术技术的不断发展，脑机接口技术可以广泛的应用到人们的日常生活当中，提高生活质量。