文/本刊記者 韋斗斗 特約通訊員 那睿

2019北京雙創(chuàng)周展覽現(xiàn)場(chǎng)，一款名為“腦控輪椅”的黑科技引起媒體關(guān)注。這款用“意識(shí)”控制的輪椅，以其便捷的操作、可控性以及“高顏值”的外表吸引了眾多參觀人員上前咨詢、體驗(yàn)。

這款“腦控輪椅”來自北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院先進(jìn)傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，由博士生導(dǎo)師鄭德智教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)。

時(shí)間回到2018年10月，北京航空航天大學(xué)“馮如杯”科技競(jìng)賽開始預(yù)熱。鄭德智的學(xué)生、研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員張亞軍說道：“輪椅最初的構(gòu)想源于一名本科生，他找到鄭老師，想在實(shí)驗(yàn)室去年指導(dǎo)學(xué)生完成的“腦控密碼鍵盤”項(xiàng)目基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)腦機(jī)接口項(xiàng)目。

今年5月18日，“馮如杯”科技競(jìng)賽拉開帷幕，該研發(fā)項(xiàng)目奪得本屆科技創(chuàng)新競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。作品名稱為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電控制的智能輪椅，簡(jiǎn)稱“腦控輪椅”。這項(xiàng)科技發(fā)明創(chuàng)新究竟有什么奧秘呢？我們來一探究竟。

突破技術(shù)瓶頸，填補(bǔ)市場(chǎng)空缺

基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的“腦控輪椅”系統(tǒng)，是通過視覺刺激誘發(fā)不同的人腦信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行分析與處理以提取出反映人意圖的特征，進(jìn)而將這些信號(hào)特征轉(zhuǎn)換成控制輪椅的具體指令，從而實(shí)現(xiàn)人對(duì)輪椅的控制。

“腦控輪椅”傳感器

“腦控輪椅”研發(fā)團(tuán)隊(duì)部分成員

市場(chǎng)上基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的“腦控輪椅”，大多采用實(shí)驗(yàn)研究用的腦電放大器來構(gòu)建系統(tǒng)。雖然這些腦電放大器能夠確保采集的腦電信號(hào)具有較高的質(zhì)量進(jìn)而便于腦電解碼，但卻會(huì)導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)笨重、成本增加和不便于攜帶等問題。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)還注意到，由于腦電信號(hào)幅值微弱，且易受周圍環(huán)境及其他電生理信號(hào)干擾，傳統(tǒng)的腦電輔助康復(fù)EEG 采集系統(tǒng)都是針對(duì)處于坐、臥等靜止?fàn)顟B(tài)的受試者設(shè)計(jì)的，記錄通常采用濕電極傳感器，雖然導(dǎo)電膏降低了接觸阻抗，提高了采集信號(hào)的質(zhì)量，但是涂抹導(dǎo)電膏費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無法長(zhǎng)時(shí)間使用，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹌つw的過敏。這些不便在很大程度上限制了采集腦電信號(hào)的實(shí)用性日常性。

為了提高腦控輪椅系統(tǒng)的便攜性，鄭德智團(tuán)隊(duì)利用長(zhǎng)期從事傳感器敏感機(jī)理及微弱信號(hào)檢測(cè)研究積累的豐富工作經(jīng)驗(yàn)，自主研制了一套干電極腦電采集系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)濕電極使用不便和國(guó)外有源干電極體積大等問題，實(shí)現(xiàn)了腦電微弱信號(hào)的精確測(cè)量，真正做到了即戴即用，顯著縮短了腦電帽的佩戴準(zhǔn)備時(shí)間，并且用后無需清理頭發(fā)，具有極高的便捷性和使用舒適度，為腦-機(jī)接口的真正實(shí)用化和推廣打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)團(tuán)隊(duì)也研制了適合于干電極檢測(cè)的低信噪比腦機(jī)接口系統(tǒng)及配套的信息編碼與解調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微弱腦電信信號(hào)的實(shí)時(shí)解調(diào)。

目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦控輪椅系統(tǒng)采用的低頻刺激，能夠誘發(fā)出較強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位，但低頻刺激閃爍強(qiáng)烈,易引起用戶疲勞。本項(xiàng)目創(chuàng)新采用中頻段刺激，提高了用戶的舒適度。不過，中頻段誘發(fā)的腦電信號(hào)相比較低頻段更加微弱，團(tuán)隊(duì)又對(duì)此進(jìn)行研究，最終真正實(shí)現(xiàn)了15-30Hz中頻段刺激的實(shí)時(shí)解調(diào)。

“腦控輪椅”系統(tǒng)中，首先由安裝于輪椅上部的顯示屏產(chǎn)生刺激界面，各個(gè)目標(biāo)按照互不相同的固定頻率進(jìn)行閃爍，當(dāng)使用者需要控制輪椅執(zhí)行某種指令時(shí)，僅需將視線集中于對(duì)應(yīng)的目標(biāo)，接著會(huì)在使用者的大腦皮層產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位。通過數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)對(duì)該電位進(jìn)行收集及預(yù)處理，得到處理后的數(shù)字信號(hào)通過藍(lán)牙傳輸給上位機(jī)進(jìn)行分析。上位機(jī)對(duì)傳輸回的信號(hào)進(jìn)行特征提取和分類，得到相對(duì)應(yīng)的設(shè)備命令，按照一定的編碼格式通過串口傳遞給下位機(jī)。下位機(jī)收到指令后，按照相應(yīng)的方法進(jìn)行解碼，得到需完成的設(shè)備指令，通過PWM口輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，從而控制智能輪椅執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令。最后輪椅將所執(zhí)行的指令按照某種編碼方式回傳給刺激界面，刺激界面將相應(yīng)的目標(biāo)置為綠色并進(jìn)行語音提示，實(shí)現(xiàn)良好的操作反饋。

“腦控輪椅”傳感器

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了使用者從腦電信號(hào)采集到輪椅控制僅需1～2秒注視相應(yīng)目標(biāo)，即可控制輪椅相應(yīng)的操作，準(zhǔn)確率可達(dá)98%。同時(shí)使用者佩戴干電極腦電傳感器，僅需20秒左右時(shí)間，方便快捷，很好地滿足了具有嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙患者的需求，填補(bǔ)了相應(yīng)設(shè)備市場(chǎng)的空缺。

鄭德智在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試設(shè)備

以創(chuàng)新為基，攻民之難題

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界共有百萬人患有運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病，這些患者雖然具有正常的認(rèn)知能力，可以看到、聽到和感受到周圍的一切，但由于自身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的病變，無法有效地控制各肢體部位的動(dòng)作，進(jìn)而無法與外界實(shí)現(xiàn)有效的信息溝通。例如大量高位截癱患者，他們擁有健全的大腦，卻由于無法有效地控制自身肢體而無法正常生活。市面上存在大量的幫助運(yùn)動(dòng)障礙患者自主運(yùn)動(dòng)的醫(yī)療輔助器械，例如拐杖、電動(dòng)輪椅等等，但這些產(chǎn)品或多或少都需要外部肌肉和神經(jīng)的參與，例如電動(dòng)輪椅一般需要利用手腕進(jìn)行操控，這對(duì)于具有嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙患者而言是無法做到的。因此通過腦電實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的控制在某種程度上成為了提高這些患者自主運(yùn)動(dòng)能力的為數(shù)不多的可行方案之一。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員那睿說：“提高嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙患者的生活自理能力，讓他們重新融入社會(huì)，是此領(lǐng)域研究者應(yīng)該關(guān)注的問題。”

腦-機(jī)接口（Brain-Computer Interference, BCI）技術(shù)是一種允許人腦與外部設(shè)備實(shí)時(shí)交互的通信或控制系統(tǒng)。它通過測(cè)量和分析大腦信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的設(shè)備控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制，因此在整個(gè)控制過程中無需外部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和肌肉的參與，可為嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙患者提供與外界交互的新途徑。

腦電信號(hào)極其微弱，干擾因素較多，除了需要繁瑣的準(zhǔn)備流程進(jìn)行降噪處理外，信號(hào)采集系統(tǒng)往往體積龐大、價(jià)格高昂，極不利于腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用。因此，研制一款便捷的可穿戴腦電信號(hào)檢測(cè)與控制系統(tǒng)，對(duì)于腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

團(tuán)隊(duì)利用腦-機(jī)接口無需外圍神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和肌肉參與的特點(diǎn)，將腦-機(jī)接口與電動(dòng)輪椅的有機(jī)結(jié)合，為嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙患者提供一種與外界交互的方式。

那睿說道：“考慮到這一點(diǎn)，我們創(chuàng)新性地研制了干電極腦電傳感器敏感微弱腦電信號(hào)，即戴即用，完全避免了傳統(tǒng)濕電極腦電傳感器使用前繁瑣的準(zhǔn)備流程，并利用FPGA研制了配套的微弱信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，有效地減小了腦電設(shè)備的體積，并且大大縮減了系統(tǒng)成本，在腦-機(jī)接口的應(yīng)用化上邁出了重要的一步，為廣大具有嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙的人群提供了一個(gè)能夠讓他們重新步入社會(huì)的途徑。”

“腦控輪椅”項(xiàng)目中的基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機(jī)接口控制系統(tǒng)，具有很好的移植性，不僅可用于輪椅控制，還可針對(duì)不同的任務(wù)需求設(shè)計(jì)不同的界面來完成相應(yīng)的人機(jī)交互，例如：設(shè)計(jì)全鍵盤界面實(shí)現(xiàn)文字輸入、應(yīng)用于游戲娛樂、教育科普演示，智能家居，醫(yī)療康復(fù)等諸多領(lǐng)域。該成果是腦-機(jī)接口控制技術(shù)的一種創(chuàng)新應(yīng)用嘗試，為將來腦-機(jī)接口設(shè)備規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院先進(jìn)傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期致力于滿足國(guó)家戰(zhàn)略需求的傳感器及其檢測(cè)技術(shù)的研究，并積極開展多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究，近年來多次獲得國(guó)家（國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)）及部委獎(jiǎng)勵(lì)，發(fā)表高水平論文50余篇、授權(quán)發(fā)明專利12項(xiàng)。

鄭德智說：“團(tuán)隊(duì)的重心一直都放在前沿科學(xué)技術(shù)研究上，‘可穿戴干電極穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦控輪椅’系統(tǒng)是目前腦機(jī)接口領(lǐng)域中唯一一種可以實(shí)用化，走進(jìn)老百姓家庭的技術(shù)。同時(shí)，我們正在和中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)合作，建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，希望用孩子們的聰明才智與創(chuàng)新活力提升科研體驗(yàn)，讓孩子們更早的體驗(yàn)到前沿科學(xué)技術(shù)，讓他們感受科學(xué)，熱愛科學(xué)，未來為我國(guó)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步作出更大貢獻(xiàn)。”

也許，這才是黑科技真正的秘密。