生物医学工程 论文

生物医学工程之霍金的轮椅摘要肌肉萎缩性侧索硬化症患者，近乎全身瘫痪的霍金，除了四肢不能移动，又因肺炎而接受手术后，亦失去说话能力。

但凭一张高科技轮椅，他仍可能发音合成语音、通电话，以及写下一条条复杂的方程式。

该高科技轮椅是集轮椅+电机+控制器+电话答录机+液晶显示屏的一个综合运用系统：(1)红外线发射器及传感器：以眨眼的快慢发出讯号，通过红外线侦测他的眼部动作，再传送至电脑，使之转化成英文。

(2)特制电脑：由英特尔度身订造的手提电脑，内PentiumM1.5GHz中央处理器，有无线宽带上网功能。

(3)万能遥控：轮椅备万用红外线遥控器，可控制电视、录影机、听音乐、锁门、开关灯(4)电源及系统缺点：电池藏于轮椅之下，可同时支援轮椅及电脑运作关键字：红外线输入法语音合成器万能遥控电源一、红外线发射器及传感器他的助手为他设计了一款叫做“脸颊开关”的装置，这个装置连接到他的眼镜上，可以检测到红外光束。

红外线发射器及传感器以眨眼的快慢发出讯号，通过红外线侦测他的眼部动作，再传送至电脑，使之转化成英文。

1.1红外线发射器红外线发射器是一种遥控设备，具有遥控功能。

它通过红外线发射管在一定范围内向外发射光线，从而达到控制信号的作用，广泛应用于消费电子、工业和通信等红外线接发器、数据传输技术等领域。

其中的红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长在760纳米至1毫米之间，是波长比红光长的非可见光。

覆盖室温下物体所发出的热辐射的波段。

透过云雾能力比可见光强。

在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途；俗称红外光。

1.2红外线发射器的原理由一个编码的集成电路和455HZ的晶振、矩阵扫描开关电路组成。

当安下某个功能按键，则由集成电路内部按编码发出驱动信号，经过功率管放大推动红外线发射管发射出去。

1.3红外线发射器的运用1.3.1工业级可用于仪器设备、医疗保健仪、军事、鉴伪安防、舞台灯光、工具、U盘、手机、投影教学翻页笔、温测（测距）仪、扫平仪、标线仪、水平尺、室内外装饰等产品中；1.3.2亚工业级可用于美容仪、保健仪器，礼品类、消费类产品，工业级替代产品；1.3.3玩具级可用于手电筒、陀螺、消费类赠品、礼品类、玩具类等产品中1.4矿用特点：红外线发射器内部由单片机控制产生一定规律的波型信号，驱动红外线射管产生红外线信号。

其安装在采煤机上，面对着液压支架上的红外线接收传感器，并与接收传感器处在同一高度，当采煤机前进割煤时，安装在其上面的红外线发射器发出的红外线被不断地被对面的液压支架上的红外线接收传感器所接收，使工作面液压支架电液控制系统随时知道采煤机的位置和方向，为综合机械化自动采煤提供条件。

1.5红外线传感器红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器；任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

1.6红外线传感器分类红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。

光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。

检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。

热敏元件应用最多的是热敏电阻。

热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。

光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

1.7红外线传感器的运用1.7.1军事应用具有红外传感器的望远镜可用于军事行动，林地战探测密林中的敌人，城市战中探测墙后面的敌人，以上均利用了红外线传感器测量人体表面温度从而得知敌人所在地。

1.8红外传感器常用定律1.8.1红外传感器基尔霍夫定律1860年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都是常数。

用一句精练的话表达，即：“好的吸收体也是好的辐射体”。

ER——物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能α ——物体的吸收系数E0——常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能1.8.2红外传感器斯忒藩-玻尔兹曼定律物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量E为T——物体的绝对温度(K)σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数，σ＝5.67×10-8W/(m2·k4)ε——比辐射率，黑体的ε＝11.8.3红外传感器普朗克定律绝对温度为T时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐射的能量称为光谱辐射通量密度。

不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关系为式中Mλ为黑体对波长为λ的光谱辐射通量密度;C1,C2为普朗克辐射常数。

1.8.4红外传感器维恩位移定律红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比，即:λm＝2897/T (μm)1.9操作原理当霍金动下眼部肌肉时，在前面的屏幕上就会出现字幕，每屏6个，当他需要某个字母时，再动下，屏幕上就会出现这个字母开头的单词，再动一下就能选中需要的字母。

使用这种输入法，霍金每分钟可以“讲”5-6个单词。

这种方式需要电脑适应霍金的眨眼速度以求准确打出英文单词，而语音合成器则将文字转化为声音。

从那时起，霍金“讲话”、写电子邮件、浏览互联网甚至写书都成了“一块肌肉的表演艺术”。

1.10实例分析说声“(你好)”他先以眼球控制紅外线传感器，选定在屏幕上轮流出现的英文母，当电脑出現他想要的“H”時，霍金再动眼球，这样电脑就会不断显示以“H”为字头的英文字，当“HELLO”出现時，他又动一下右颊以选定这个字，当他造句完毕后，才把句子传至合成器发声。

1.11改进美国的脑神经科学家改造了霍金的睡眠头带，并把它变成了一款脑电波读取设备iBrain。

头带上安装了火柴盒大小的传感器，字母在屏幕闪现，当霍金想选中单词时，停止大脑的反应，设备就可以监测、提取出来，选中这个字母或者单词。

二、特制电脑2.1输入法英文字母只有26个，它们对应着键盘上的26个字母，所以，对于英文而言是不存在什么输入法的。

汉字的字数有几万个，它们和键盘是没有任何对应关系的，但为了向电脑中输入汉字，我们必须将汉字拆成更小的部件，并将这些部件与键盘上的键产生某种联系，才能使我们通过键盘按照某种规律输入汉字，这就是汉字编码。

汉字编码方案已经有数百种，其中在电脑上已经运行的就有几十种，作为一种图形文字，汉字是由字的音、形、义来共同表达的，汉字输入的编码方法，基本上都是采用将音、形、义与特定的键相联系，再根据不同汉字进行组合来完成汉字的输入的。

2.2输入法分类2.2.1.手写输入法手写输入法是一种笔式环境下的手写中文识别输入法，符合中国人用笔写字的习惯，只要在手写板上按平常的习惯写字，电脑就能将其识别显示出来。

需要配套的硬件手写板，在配套的手写板上用笔（可以是任何类型的硬笔）来书写录入汉字，不仅方便、快捷，而且错字率也比较低。

用鼠标在指定区域内也可以写出字来，只是鼠标操作要求非常熟练。

2.2.2语音输入法语音输入法，顾名思义，是将声音通过话筒转换成文字的一种输入方法。

语音识别以IBM 推出的ViaVoice为代表，国内则推出Dutty++语音识别系统、天信语音识别系统、世音通语音识别系统等。

2.2.3 OCR简介OCR，叫做光学字符识别技术，它要求首先把要输入的文稿通过扫描仪转化为图形才能识别，所以，扫描仪是必须的，而且原稿的印刷质量越高，识别的准确率就越高，一般最好是印刷体的文字，比如图书、杂志等，如果原稿的纸张较薄，那么有可能在扫描时纸张背面的图形、文字也透射过来，干扰最后的识别效果。

2.2.4霍金的特殊输入法支持用户通过眨眼、眉毛的动作等进行交互操作，具备联想功能，可在用户输入时预测单词和短句。

户只需要在要录入单词的几个字母之间滑行，系统词库就能把需要的单词给找出来，无需考虑顺序、排列、冗余甚至无需考虑多输入进去的字母。

2.3语音合成器近乎全身瘫痪的霍金，除了四肢不能移动，1980年他因肺炎而接受手术后，亦失去说话能力，但凭一张高科技轮椅，他仍可能发音合成语音、通电话，以及写下一条条艰深方程式。

据报霍金正尝试一套新系统，让电脑直接阅读他脑内的信息，做到“我脑写我口”。

他说话时，会先抽动右面颊肌肉，当眼镜上的红外线感应器收到信息后，电脑就会自动打字。

霍金每抽动一下，浮标即可选定目标。

电脑由英特尔度身订造；语音系统于1980年代中由美国公司Words-Plus撰写，该公司为令霍金可以使用新的视窗XP系统，特意为他重写整套程式。

当霍金突然发笑，面颊肌肉抽动太大，屏幕便会出现一堆垃圾字。

当他造句完毕后，把句子传至合成器发声。

霍金使用Words-Plus公司开发的发音程式，发音时有点像电子字典，带有美国口音（又有说像北欧口音），系统也有法国口音的英文。

2.4 改进2.4.1 输入法的改进为霍金量身定制的“上下文输入预测”算法，并整合了Android滑动手势输入法，系统采集和分析了大量霍金过去发表的文章和个人回复，并以此建立了一个独有的数据模型，从而能精准地分析和预判断霍金当下最有可能的输入选择。

2.4.2 语音合成器的改进虽然其能够发出发音方式的英语，但终究解决不了一个问题，那就是在说话时缺少人的语气表达，无法展现人物的真实内心感情，可以在造好句子添加一个与其选择功能。

三、万能遥控3.1主要特点：（1）功能比较齐全，操作方便，不仅能实现手机控制电脑，还能实现手机文件的上传和下载，免去USB烦恼。

（2）同时可以远程查看电脑摄像头拍摄画面，监控自己的电脑。

（3）手机可视化操作电脑，像在电脑旁一样。

（4）手机当鼠标用，手机当键盘用，远程关机等。

3.2主要功能：3.2.1获取电脑的文件系统对系统的任一文件进行打开(比如播放PPT，电影等)、删除、下载等操作。

3.2.2 实时查看电脑的桌面在安卓手机上显示桌面的情况。

可以直接在手机屏幕上操作电脑，单击双击手机屏幕，即可实现电脑屏幕上的单击双击长按手机屏幕，相当于电脑上单击鼠标右键。

点击“放大”、“缩小”按钮来调节分辨率。

可视化操作电脑。

并可以对截图进行保存。

3.2.3 获取电脑摄像头的实时画面点击“电脑摄像头”按钮，即可远程查看电脑摄像头的画面，实时显示在安卓手机上。

3.2.4 模拟键盘此时的安卓手机相等于一个无线键盘。

在手机上点击按键，在电脑上显示按键操作的结果。

3.2.5 模拟鼠标此时的安卓手机相当于一个无线鼠标。

在手机上滑动屏幕，电脑上的光标随着移动，同时可以实现单击，双击等功能。

3.2.6 获取电脑所有软件的窗口标题在手机上可以显示窗口的标题，可以在手机上对窗口进行关闭、最大化、最小化等操作，点击后，电脑上的软件窗口就随之变化。

同时可以对窗口进行截图，并在android设配上显示和保存。