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＝1

1.8.3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