四肢瘫患者的福音:舌驱动系统

2016-02-26 11:17 来源:丁香园 作者:sunnylovely_aj
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在美国,大约有 5500 万名不同类型的残疾人,其中那些患有严重残疾的患者非常热衷于提高他们的生活质量。他们很乐意使用一些创新型的辅助技术以提高他们的日常生活能力,尤其是能够帮助他们使用一些输入设备,如电脑、轮椅、智能耳机以及家庭或办公室设备。

目前有很多新的辅助技术已经投入市场,如脑机接口、脑电图、言语识别系统、眼球追踪系统、啜吸控制杆等。

由于上述技术在日常生活的应用中还存在有诸多限制,如存在运动干扰、易造成肌肉疲劳、命令命名有限、对周围环境噪音要求较高等,为此,来自美国乔治亚理工学院电气和计算机工程学院的 Kim 及其同事研究出一种新型的辅助设备——舌驱动系统(TDS),可帮助四肢瘫患者实现对输入设备的控制,其研究成果发表于 2016 年 1 月 IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 杂志上。

TDS 是一种能够佩戴在头上的无线辅助设备。使用者舌头上的磁性扫描器能够处理舌头随意活动产生的磁场变化,从而将信号转化为使用者所定义的指令。

这个磁性扫描器是一种钛钉,它可以黏在舌头上做短期使用,也可以埋入舌内,做长期使用。有了这个系统,即便是患有严重残疾的病友也可以通过舌的运动来控制电脑、轮椅和智能耳机(如图 1)。


图 1 为试验者尝试使用舌驱动系统控制电脑及轮椅 

TDS 辅助设备包括两部分:A. 舌驱动系统的软件、硬件;B. 感觉信号处理运算法则。A 部分的主体为外置式 TDS 头套,包括一对位于使用者双颊部呈鹅颈状的三轴的抗磁传感器、一个位于头套顶端小盒子内的控制单元以及嵌入收集器的系统芯片微控制器。这个收集器可以收集感觉信号并将信号通过无线传递到电脑或智能手机。B 部分则包括电磁干扰削弱系统和命令定义法则(如图 2)。


图 2 为 TDS 样机,(a)为 TDS 头套,(b)为 TDS-电动轮椅-智能手机接口,(c)为磁性感应板,(d)为磁性舌钛钉,(e)为 USB 收发器,(f)为 TDS 头套的控制单元

为了评价这个系统的效果,研究者将 9 名身体健全(AB)的参与者使用鼠标、键盘和 TDS 的表现与 11 名四肢瘫患者的 TDS 表现相比较。具体试验内容包括按照 Fitts 法则敲击键盘、驱动轮椅、拨打电话、重心转移等任务,共进行 5~6 次。

所有的试验者都接受舌穿孔,佩戴磁性的穿舌钛钉并完成实验。尽管 AB 参与者已经熟悉键盘,但是使用键盘的任务完成量仅比使用 TDS 好 1.4 倍。命令 AB 和四肢瘫患者使用 TDS 采取三种不同控制策略驱动轮椅,其完成时间介于 157 秒到 180 秒之间。

另外,四肢瘫患者通过舌的运动完成拨打电话和重心转移的时间分别为 81.9 秒和 71.5 秒。

试验结果显示经过几轮训练后,每位试验参与人员操作系统的表现明显提高或者有提高的趋势。大部分人经过前两次的训练就基本会使用该系统,但是这种趋势不能解释为训练越多,使用 TDS 的表现会越好。

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编辑: 杨洁

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