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使用Emotiv EEG 耳机控制假手的用户友好型LabVIEW界面程序
Mohamad Amlie Abu Kasima , Cheng Yee Lowb *, Muhammad Azmi Ayuba , Noor Ayuni Che Zakariaa , Muhammad Haszerul Mohd Salleha , Khairunnisa Johara , Hizzul Hamlia
摘要：
截肢者使用假手作为一种可以处理一些日常工作的工具。目前配备的设备使用了机器人技术并改进了功能，而不是仅仅考虑到了美观的无源原件。控制假手有各种各样的方法，其中包括一种拥有先进技术的脑机接口（BCI），给有严重运动障碍的人提供医疗保健解决方案创造了新的可能性。一般来说，脑机接口（BCI）的研究人员首选脑电描记法（EEG），因为它提供了一种非侵入性的、廉价的设备，分辨率好，易于使用，便携性和无植入等方法。使用Emotiv EEG耳机可以从健康受试者大脑特定区域的脑电波中记录EEG信号。这种装置能捕捉包括肢体运动、呼吸、言语、心跳等许多伪影脑波。大多数伪影会干扰数据，但研究人员也可以使用伪影控制假手。本文说明了此项技术已经趋于成熟。本文回顾了一下当前最先进的技术，提出一种使用Labview开发的图形化用户界面并结合Emotiv EEG耳机进行非入侵式假手控制的构想和设计。本项目是专为划算的伪影假手控制而设计。交流能力受到限制的人可以通过使用图形化用户界面和控制此设备。
关键词：假手控制；脑电图；Emotiv EEG耳机；LabVIEW GUI
1.介绍
截肢者长期有身体、心理、智力或感官障碍，他们与社会互动困难[1]。截肢患者的生活是非常具有挑战性的，因为他们的残疾和自尊心。残疾可分为听力障碍、视力障碍、肢体残疾、语言障碍、学习障碍、精神障碍和脑瘫等[1]。马来西亚的截肢者在妇女和家庭发展部下属的民族团结社会发展部做了登记。2004年，约150617人截肢，一年后人数增加到170455人。2005年，在170455名截肢患者中，56738人患有上肢的问题[1]。这表明马来西亚截肢者的数量是非常多的。马来西亚政府为注册了残疾员工的患者提供医疗津贴，让他们通过政府医院购买假肢产品[2]。基于现代科技的发展，可以利用各种工具帮助患者改善和提高认知或感觉运动功能[3]。
脑机接口（BCI）是一个开发和应用人脑电波的研究领域。该技术以传递、分析和应用神经元的语言为基础。脑机接口（BCI）是一个最令人兴奋的技术探索，因为它有一个光明的未来、开放式沟通，主要是为那些失去肢体或者无法控制手和胳臂的人而设计的。BCI也被称为脑机接口（BMI）或直接神经接口。BCI是大脑和外部设备之间的直接通信通路。记录皮质层神经元细胞产生的微伏级信号有四种方法：脑电图（EEG），电磁学（ECoG），局部场电位（LFP）和单神经元动作电位记录（单个单位）[4]。
然而，脑电波使用非侵入性技术作为一种保护患者免受经历风险的选择脑部手术。然而直到今天，市面上还没有基于EEG的假体装置，其仍然处于演示阶段且还未取得什么进展。它还在发展阶段。历史上，与非侵入性方法相比，侵入性方法在运动图像的假肢控制方面表现出更大的进展[5]。因此，成功的发明只能用于那些需要培训和使能范围受限的特定的人[6]。
2.脑机接口的历史（BCI）
随着技术的发展，尤其在计算机和通信领域，BCI技术逐渐成熟。它首先捕获头皮上的小脑电波。当BCI记录一定面积大脑活动后，就向诸如机器人或假体的外部设备发出命令。BCI的研究与发展不仅专注于假手，而且还涉及其他应用，如控制轮椅[7][8]，类人机器人[9]和移动机器人[10]。
BCI分为侵入性、半侵入性和非侵入性三种类型。侵入性BCI是神经外科手术中直接植入患者大脑的电极。与其他方法相比，它是昂贵的，但在收集数据产生更好的结果。同时，非侵入性的脑机接口如医疗扫描设备或传感器安装在帽子或头巾中。这是最常用的信号成像方法，因为它附着在颅骨外面。这是便宜的，因为它需要一个安装在帽子上的扫描装置。半侵入性的方法是类似的非侵入性的方法，但电极嵌入在一个薄的塑料垫。与非侵入性的方法相比，这一个有点昂贵。非侵入性和半侵入性的方法都没有必要手术。目前有几种收集和映射脑电波技术（CT）、磁共振成像（MRI），功能磁共振成像（fMRI），正电子发射断层扫描（PET）、磁脑电图（MEG）、脑电图（EEG）和功能近红外光谱（fNIR）。
2.1脑电图（EEG）
研究表明在修复装置上部署EEG技术以提供新的方案的优势性。通常，大多数研究人员使用脑电图（EEG）进行快速通信，因为它是一个简单的、便宜、并不需要很多程序的设备。这对于病人和研究人员来说更实用[11]。此外，EEG的表面不需要任何手术来从人脑获得神经元 [12]。许多BCI研究人员首选脑电图，其在本研究中用作神经元信息的来源[12]。脑电图（EEG）使用非侵入性技术，因为它记录了使用凝胶附着在头皮上的电极的电活动。这种技术创造出新的不需要使用肌肉控制（EMG）的替代品。脑电图和肌电图技术有其局限性。肌肉有明显活性的人可以控制EMG，而EEG是通过脑波而不是肌肉来控制的。
复杂的BCI系统将尽可能地允许用户通过创建特定EEG频率的输出来控制外部系统假肢装置。脑电图装置（EEG）通过在头皮上放置电极与导电凝胶记录信号。皮肤上的电极测量电压的差异在微伏（mu;V）范围。第一次电活动由汉斯伯杰在1924年记录。他是第一个记录人脑脑电波的人。在分析脑电信号，伯杰已经发现最初的脑电波被称为伯杰，它也被称为alpha;波（8~12Hz），具有非常低的信号[13]。
2.2Emotiv EEG耳机
脑电图的工作原理简单， 以收集由脑产生的信号或潜在的电压，但问题是所产生的电位电压很小并以微伏（mu;V）测量。因此，它需要一个准确灵敏的测量设备。随着先进技术的发展，脑电图也越来越先进且广泛应用，特别是神经病学、生理学和心理学。所以，有各种各样的工具市场如NeuroSky Mindset，QuickAmp，G.tec放大器，Enobio，greg;.MOBIlab和TrackIt系统。EEG情绪耳机是一种在2008年开发的无线EEG设备。它是一种用于记录人脑EEG的低成本设备。Emotiv EEG耳机，预配置了14个电极位于10-20国际具有2个参考电极的系统位置AF3，F7，F3，FC5，T7，P7，O1，O2，P8，T8，FC6，F4，F8和AF4分别为如图1所示。这种安排具有良好的脑部前运动和正面区域的覆盖，这是本研究唯一感兴趣的领域。临床EEG耳机可以更好地覆盖运动皮质，但它成本高，安装时间长，便携性不足，阻碍了这种方式成为实用的商业解决方案。耳机对齐带通滤波器.在把信号以无线方式传输到笔记本电脑之前，将信号数字化为频率128Hz的数字信号。
图1 Emotiv 14电极位于10-20个国际系统位置
3.UiTM假手
以前，研究人员开始探索人脑以获取质量更好的脑波。1950年Jose Delgado将植入物插入动物并使用无线电接收器刺激电极，完成了世界上第一个神经外科手术。1970年，国防高级研究计划局（DARPA）着手一项探索脑电交流使用的方案。1999年，第一次国际BCI会议在纽约召开，2010年在加利福尼亚州，2011年在奥地利[5]。2009年间，约翰霍普金斯大学研制出最先进的假手。在那之后，从2014年到2018年间卡普拉授予了约3750万美金来开发和测试无线实现“神经义肢”。就目前来看，目前市面上还没有使用无线EEG设备开发义肢的完整研究成果。因为，这个项目始于2014年，开发一种简单而有效的假手机构足够截肢者日常活动。假肢的发展主要集中在三个主要的标准，分别是非侵入性的技术、高便携性和易用性，如图2所示。为了实现这些目标，本工程采用的产品mechate左手五指的是完整的五个自由度。它是单独的由迷你伺服电机驱动来模拟人的手动。为改善设计，在假肢上增加指尖提高摩擦力以便更好地抓住物体。使用CATIA软件和3D打印机打印完成指尖设计。
图2 假手数据流
该项目将Emotiv EEG耳机作为一个简单的概念，使用无线设备就像帽子一样没有线，因此受试者将感觉更舒适，体验易用性。图形用户界面（GUI）是通过使用通过USB串行数据连接连接到Arduino板的LabVIEW软件来生成的。使用LabVIEW的优点是它能够连接到其他开源驱动程序。由于其成本效益和简单，本项目采用Arduino板。LabVIEW和Arduino可以与特定的调色板连接，在VI上叫做VISA。
3.1图形用户界面（GUI）
图形用户界面（GUI）是一个使用LabVIEW软件开发的监控系统。GUI看着像3D动画，其作用类似于在使用假肢之前为患者进行基本训练的交互媒介。 在实际应用中，经过几次训练，病人可以自由地控制他或她的手，而无需GUI。使用LabVIEW软件的目的是通过使用LabVIEW GUI的数据串行和控制伺服电机监视Arduino Pin上的电压。至于Arduino，它能够以串行形式传输数据并将其显示在计算机显示器上，但只能以数字的形式。同时，LabVIEW有能力处理发送到图表或图表的更多细节的串行数据。
图3 （a）前面板上的GUI假手 （b）图形界面上的GUI假手血流信号
假手的效率取决于通过软件和硬件程序的系统架构的实时性能。用户和渠道所花费的时间将影响处理数据所需的时间。由于这些问题，GUI必须更加稳定和有效地控制从用户的大脑获得的信号。由于这些问题，GUI必须更加稳定和有效地控制从用户的大脑获得的信号。。通过使用两个消费者的设置和模拟来完成一个简单的GUI模板如图3（a）所示。第一个消费者的设置用于确定连接设置USB COM端口和位数据。对于第二个消费者，接口集成用作显示主体的眼睛运动的数据图。还有眼睛运动的状态和假肢手的主体运动状态。如果此编程中存在问题，它还会显示错误状态。对于框图，它包含VI面板，在前面板上显示虚拟图标。它应按照功能进行连接。同时，Emotiv Start Task调色板用于连接Emotiv Testbench生成的edf文件数据，直接连接到新界面。除了之前提到的两个，还有其他调色板，如Emotiv Read（检测到的面部表情或笑而右看），状态图，VISA，Emotiv Stop任务和错误状态，如图3（b）所示。
4.初步研究
按照健康状况选择不同年龄段的受试者，他们不能有脑相关问题。受试者将被训练使用Expressiv Suite，以更有效地控制面部表情。使用LabVIEW GUI通过脸部表情来控制假肢手。受试者将坐在显示屏前在一个舒适的位置，同时由监测主管监督，以帮助减少任何不必要的可能会干扰数据收集的运动。
图4 UiTM假手
该编程将检测被测者的表情是“向右看”还是“微笑”。在这个项目中，LabVIEW GUI中只编程了两个动作，即“手动打开”和“手动关闭”。当被测者微笑，假肢手将打开，当被测者向右看时，假肢手将关闭，如图4所示。在实验过程中，很多其他信号干扰收集的数据。脑电记录中经常会发生一些干扰，如环境噪声和生理噪声。环境噪声的例子来自交流电源线、照明、无线设备以及诸如电脑和笔记本电脑显示器的大量电子设备。可能干扰数据记录的生理噪声是肌肉运动（EMG）、心电信号（ECG）和眨眼（ECOG）。信号处理分为四个部分：数据选择、人工除去、特征/提取和分类。所有这些使得系统过于复杂，因此需要很长时间来执行信号处理。因此，该项目使用一个由MuSAE Lab生成的Emotiv开源的特定调色板[15]。MuSAE实验室是根据便携式EEG耳机的标准接口生成的开源软件代码。这个软件是免费的，这个开发的主要目的是协助BCI技术更快地发展。这个调色板也旨在简化普通商业脑电图（EEG）设备的使用。它允许简单的脑电图数据采集，记录EEG数据流以及支持基本TCP / IP网络套接字编程的任何语言编程的其他软件[16]。在这个实验中，受试者只需要专注于微笑，并向右侧移动假手。这是我们的长期项目[17-18]的延续。这个项目的进展情况在于研究BCI的新概念，以使未来的假肢手部技术受益。
5.讨论与总结
在这项工作中，对最先进的技术进行了审查，并提出了一种非侵入式控制方法的概念设计，介绍了使用与LabVIEW GUI集成的Emotiv EEG耳机的假体手。事实证明，Emotiv可以使用无线设备的手动控制，提供了一种用于假肢控制成本有效的解决方案。这样的解决方案可以帮助截肢者进行他们的日常工作，使生活更加舒适。
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