基于混合型脑-机接口的护理床与家电集成控制系统研究、设计及实现

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脑-机接口(Brain-computer interface,BCI)是建立在人脑和计算机或其他电子设备之间的直接交流和控制通道,整个过程没有外周神经和肌肉的参与。患有严重运动障碍的病人(如肌萎缩侧索硬化、脊髓损伤等)可以通过BCI方式来实现对外部电子设备的控制。多项研究表明,混合型BCI相比单一脑电信号的BCI性能要好,如检测准确率、速度等均有提高。通常,一种混合型BCI是由两种或两种以上的BCI组成。本文提出了一种基于混合型BCI的护理床与家电集成控制系统。具体地说,一个基于稳态视觉诱发电位(Steady-State Visual Evoked Potential,SSVEP)和P300的异步脑电开关被用来打开/关闭集成控制系统,而基于P300的BCI用来选择护理床和家电的操作。这里,SSVEP和P300的结合是为了提高脑开关的性能,家电包括三盏电灯、一台空调、以及一台电视机。本文首先介绍研究内容的相关背景知识和研究意义,并阐述BCI技术的相关理论知识。基于SSVEP的BCI和基于P300的BCI的理论研究为本系统的实现提供理论基础。接下来,对本系统的硬件电路和软件设计进行详细介绍。在硬件电路设计方面,分别实现了以微控制器STM32F103为控制核心的主控制器、电灯控制器、空调控制器、以及电视机控制器。软件设计方面主要包括用户图形界面、SSVEP和P300的检测算法、控制命令发送、以及控制执行程序,上位机与主控制器的通信是采用串口方式来实现的。最后,八名健康受试者被邀参加实验1和实验2验证本系统的性能,其实验结果说明了本系统的稳定性和可靠性。在未来的工作中,我们将进一步完善空调和电视机的控制功能,扩展该系统,实现对更多的家电控制,如电动窗帘、音乐播放器等的集成控制。我们还将本系统应用于卧床的病人来进一步验证系统有效性,根据病人的需要完善该系统,并最终为病人服务。
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