李好平，滕旭光

（萊州市融媒體中心，山東萊州，261400）

0 引言

由于環(huán)境教育等因素影響，存在注意力缺陷的人群人數(shù)逐漸增高，對(duì)學(xué)習(xí)生活帶來很大影響，而科學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明通過腦電生物反饋訓(xùn)練的方式可以進(jìn)行專注力訓(xùn)練，有效提高人類集中注意力的能力[1]。本文小車作為專注力訓(xùn)練工具，接收自主設(shè)計(jì)的腦電波耳機(jī)傳輸?shù)膶Ｗ⒍葦?shù)值從而進(jìn)行速度匹配，只有專注度達(dá)到一定閾值，小車才會(huì)移動(dòng)，專注度數(shù)值越高小車移動(dòng)速度越快，通過生物醫(yī)學(xué)反饋的方式來讓用戶在訓(xùn)練過程中保持專注的狀態(tài)，養(yǎng)成保持較好專注力的習(xí)慣，從而達(dá)到專注力訓(xùn)練的作用。

1 原理方案

■1.1 整體方案

系統(tǒng)基于TGAM芯片，根據(jù)自行設(shè)計(jì)的腦電采集放大器，使用干電極采集用戶的腦電數(shù)據(jù)，濾波后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換送入后級(jí)處理器進(jìn)行小波變換提取所需要的生物節(jié)律信號(hào)。計(jì)算提取信號(hào)能量值的大小并劃分成三個(gè)等級(jí)的數(shù)值，再將三個(gè)不同等級(jí)數(shù)值對(duì)應(yīng)到不同的控制指令，下發(fā)到小車上控制小車的運(yùn)行速度，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)注意力訓(xùn)練的效果。

■1.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)需要將來自干電極的微弱腦電信號(hào)經(jīng)過緩沖，放大，采樣以及模數(shù)轉(zhuǎn)換送入處理器進(jìn)行信號(hào)處理[2]。處理器通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)輸給小車。

1.2.1 緩沖放大電路

圖1 腦電小車整體方案

本設(shè)計(jì)采用單片儀表放大器設(shè)計(jì)緩沖電路，為實(shí)現(xiàn)較高的阻抗匹配，在儀表放大器加入一級(jí)緩沖器。緩沖器采用較高輸入阻抗和較低偏置電流的OP2177，輸入阻抗為1GΩ，最大偏置電流為2nA，該芯片采用斬波技術(shù)與自穩(wěn)零的乒乓配置，實(shí)現(xiàn)很低的噪聲與漂移[3]。將腦電信號(hào)電極與參考電極分別接入OP2177組成具有高輸入阻抗的緩沖電路。將緩沖輸出的信號(hào)接入儀表放大器AD8221,儀表放大器內(nèi)部的阻容器件具有很高的對(duì)稱度，在頻率為100Hz時(shí)可以獲得高于120db的共模抑制比，圖2為緩沖放大電路的原理圖。

圖2 緩沖放大電路

1.2.2 濾波電路

因腦電信號(hào)的能量大部分集中在0.5-35Hz 之間，若系統(tǒng)中引入了其他頻率范圍內(nèi)的噪聲和干擾，會(huì)對(duì)測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生重大的影響，采集到的信號(hào)容易被噪聲和干擾淹沒，為了防止這種影響，需要在腦電采集系統(tǒng)中加入有效的低通和高通濾波器。

為了保證相頻響應(yīng)特性和幅頻響應(yīng)特性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)反向積分型電路來實(shí)現(xiàn)高通濾波，電路截止頻率為1Hz。為了隔離掉直流信號(hào)，濾除低頻的噪聲，防止直流信號(hào)被放大后造成放大器輸出端信號(hào)的飽和，完成直流矯正的功能，將前置放大電路AD8221 的輸出端OUT 和參考段REF 接入反向積分電路。

前置放大電路的高共模抑制比可以有效抑制共模干擾。但在實(shí)際應(yīng)用中，各個(gè)導(dǎo)聯(lián)的公用參考端引起的阻抗不一致會(huì)把一些共模信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅Ｐ盘?hào)。在經(jīng)過電路儀表放大之后導(dǎo)致噪聲將腦電信號(hào)淹沒。因此需要設(shè)計(jì)出低通濾波電路濾除這些噪聲。系統(tǒng)采用巴特沃斯低通濾波器。

圖3 反向高通濾波電路

圖4 低通濾波電路

1.2.3 采樣電路

為了實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，腦電信號(hào)在模擬電路濾波放大之后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)前，需要將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。為了設(shè)計(jì)單端轉(zhuǎn)差分電路，實(shí)現(xiàn)單端輸入差分輸出，本文采用TI 公司的單端轉(zhuǎn)差分芯片THS4521。THS4521在帶寬為100kHz 時(shí)，電壓噪聲密度低至4.6nV，輸入噪聲很低，在高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器上使用具有優(yōu)勢(shì)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是本電路中重要的器件。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊采用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8354，ADS8354是雙路差分高速同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣精度為16 位，信噪比為93dB，且具有可編程的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。腦電信號(hào)屬于模擬信號(hào)，通過兩路差分高速同步采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳給處理器。

1.2.4 小車硬件部分

小車使用Cortex-M3芯片，TGAM對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行提取分析,通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,主控芯片通過串口接受藍(lán)牙模塊傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)包,將接收的數(shù)據(jù)篩選解析,得到腦電數(shù)據(jù)，小車電機(jī)接受處理器給出的控制信號(hào)，ENx段控制電機(jī)啟停，在遇到障礙時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能[4-5]。小車通過調(diào)節(jié)PWM數(shù)字脈沖輸入信號(hào)的占空比來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。小車加入超聲波傳感器，在前方遇到障礙時(shí)會(huì)檢測(cè)左右方障礙，選擇無障礙方向轉(zhuǎn)向繼續(xù)前行，保證用戶使用的流暢性。

圖5 小車實(shí)物圖

■1.3 算法設(shè)計(jì)

腦電信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)。而傅里葉變換對(duì)這類信號(hào)的處理效果不好，而且不能很好的刻畫信號(hào)時(shí)間域上的局部頻率特性，雖然后續(xù)出現(xiàn)的短時(shí)傅里葉變換對(duì)此缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，但短時(shí)傅里葉變換的窗是固定的，時(shí)間分辨率和和頻率分辨率呈反比關(guān)系，低頻適合大窗口，高頻適合小窗口[6]。小波變換能較好地提取出腦電中的不同生物節(jié)律信號(hào)，本文使用小波變換[7]解決這一問題。

圖6 小車工作流程圖

圖7 注意力高度集中時(shí)專注度與小車速度對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 性能測(cè)試

將統(tǒng)計(jì)到的腦電信號(hào)通過算法進(jìn)行計(jì)算，并劃分成三個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的小車速度。當(dāng)被測(cè)者處于疲勞狀態(tài)(專注度小于30)，小車速度會(huì)于約3秒后停止運(yùn)動(dòng);當(dāng)被測(cè)者處于自然狀態(tài)(專注度于30-60之間)，小車速度會(huì)于約3s后到達(dá)0.5m/s;當(dāng)被測(cè)者處于注意力高度集中狀態(tài)(專注度位于60-100)，小車速度會(huì)于約3s后達(dá)到0.8m/s。通過調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比，使輸出電流發(fā)生變化，進(jìn)而改變小車電極速度。正常狀態(tài)下小車不會(huì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)被測(cè)者注意力稍微集中時(shí)小車就會(huì)開始常速運(yùn)動(dòng)，注意力高度集中時(shí)小車會(huì)全速運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)專注力訓(xùn)練效果的實(shí)時(shí)可見化。

3 結(jié)語

將腦電采集技術(shù)，腦反饋技術(shù)，小波處理技術(shù)以及無線通信技術(shù)整合于一體，實(shí)現(xiàn)了腦電對(duì)小車的更高精度控制，實(shí)現(xiàn)注意力訓(xùn)練效果。

首先使用先進(jìn)的頭戴式腦電采集設(shè)備收集大腦信號(hào)，采集到的信號(hào)經(jīng)由緩沖放大電路，濾波電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換器等，得到較為理想的無損腦電波信號(hào)，再使用不同于簡(jiǎn)單傅里葉變換的小波分析，它承襲了伽波變換的局部化思想[8]，克服了伽波變換和傅里葉變換的部分缺陷，并且提供了一個(gè)可以調(diào)變的時(shí)頻窗口，對(duì)于人體生物信號(hào)一樣的不對(duì)稱，不規(guī)則的突變信號(hào)能有更好的處理和采集。此外小車作為實(shí)現(xiàn)載體通過速度變化和屏幕數(shù)值顯示可以直觀的反饋專注力狀態(tài)，通過生物腦電反饋更好的幫助使用者完成專注力的訓(xùn)練，使用者將通過注意力的集中程度來控制小車的運(yùn)行速度，注意力越集中小車跑的越快，反之亦然，所以類似使用腦電小車進(jìn)行雙人或多人的賽車比賽能在更大程度上幫助實(shí)現(xiàn)注意力訓(xùn)練。該產(chǎn)品無論是在醫(yī)學(xué)靈越還是教育領(lǐng)域都能做出不同程度的貢獻(xiàn)。