穿戴式腦電注意力訓練儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種穿戴式腦電注意力訓練儀，通過微型投影儀在距人眼2米處產生虛擬屏幕，為注意力訓練提供視頻刺激信號。通過音頻接口輸出音頻信號，為注意力訓練提供背景音樂和訓練指導語等音頻刺激信號。通過旋轉調節桿和伸縮調節桿，把腦電電極置于腦的前額部。腦電電極將采集的腦電波信號送入嵌入式處理單元，嵌入式處理單元對腦電波信號進行頻譜分析，取出反映大腦注意力集中程度的β波成分，對注意力訓練進行神經反饋，并把數據通過無線數據接口，傳送到人機交互設備上。本實用新型使用腦電作為注意力訓練的反饋信號，大大提高了注意力訓練的效率和可靠性。使用穿戴式電腦，排除了很多不必要的干擾因素，改善了訓練環境。
【專利說明】穿戴式腦電注意力訓練儀
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于心理學生物反饋【技術領域】，涉及一種穿戴式腦電注意力訓練儀。
【背景技術】
[0002] 注意力反映了人對某些事物的專注能力。從事不同職業的人，對專注能力有不同 的要求。學生在課堂上，注意力好，就能充分吸收老師講課的內容，提高學習效率。很多學 生，學習不好，不是智力問題而是不能很好地掌控自己的注意力。飛行員，駕駛員，各種操控 臺的控制人員等都對專注力和注意力的持續能力有不同的要求。注意力出問題，就會出事 故。利用腦電波可以監測受訓者注意力的高低。
[0003] 大腦神經活動時會產生微弱的電場波動，當數以萬計的神經同時活動時，電場就 會產生有韻律的波動。從頭皮上就能測量到這種波動，這就是腦電波。腦電波具有如下的特 點：它是中樞神經系統自發產生的生物電信號；它是隨機信號，具有非平穩和非高斯特性； 能夠反映神經系統的狀態和變化。因此，采集腦電波，通過分析可以監測人的生理和心理狀 態。
[0004] 非介入式腦電采集技術比較復雜，因為采集到的信號是微伏級的小信號，很容易 受噪聲的干擾，要對信號進行精準的放大，濾波等處理。為了使用腦電來反映人體的生理和 心理狀態，還要對信號進行頻譜分析。國際上將腦電波按波的重復節律不同分類，統一為以 下四個頻段：
[0005] α波：8-13Hz，幅度在50 μ V左右，主要反映人處于松弛且閉眼清醒的狀態。
[0006] β波：13--30Ηζ，幅度在5 - 20μ V，主要反映人處在注意力集中或情緒緊張的狀 態。
[0007] Θ波：4-8Ηζ，幅度在10 - 50 μ V，主要反映人處于輕睡狀態下、困倦時，感情壓 抑時。
[0008] δ波：1--3. 5Hz，幅度在20-200 μ V主要反映人處于深度睡眠的狀態或者有嚴重 器質性腦疾患。
[0009] 以前，腦電采集處理設備體積龐大，現在腦電信號的采集，處理，頻譜分析等工作 可由單芯片來完成，為便攜式腦電測試設備提供了技術基礎。腦電注意力訓練設備由此產 生。
[0010] 現有的腦電注意力訓練設備，音視頻刺激信號多由普通的計算機或音視頻設備提 供。體積大，使用不方便。對訓練效果的評估，多依據人自己的感受或間接的、簡單的一些 生理參數，如皮電，心率等來反映。
[0011]另一方面，隨著半導體技術的發展，計算機體積越來越小，功耗越來越低。而采用 虛像技術，可以制造出微型顯示器。這些技術的發展促進了穿戴式電腦的發展。穿戴式電腦 可以做成眼鏡，也可以做成手表或做在衣服里。目前市場上出售的眼鏡式電腦，有google， Recon等公司的產品，主要用于娛樂領域，價格較高，供貨量少，不便于二次開發。
【發明內容】
[0012] 本實用新型就是為了解決上述現有技術中的問題，而提供一種將穿戴式電腦用于 腦電注意力訓練的穿戴式腦電注意力訓練儀。
[0013] 本實用新型是按以下技術方案實現的：
[0014] 本實用新型的穿戴式腦電注意力訓練儀，包括具有一個鏡框和左右兩個鏡腿部的 鏡架；鏡框的兩個鏡片孔內對稱地安裝有兩片透鏡，第一鏡腿部的前端設置有微型投影儀； 微型投影儀與設置在鏡腿部的嵌入式處理單元連接，嵌入式處理單元作為中央處理器，周 圍連接有帶有前置放大器的腦電電極、參考電極、音頻接口、無線數據接口、按鍵模塊以及 電源模塊；按鍵模塊設置在第二鏡腿部，并設有三個按鍵，分別是前進鍵、倒退鍵和暫停鍵； 參考電極位于第一鏡腿部的鉤耳部處；嵌入式處理單元內部設置有濾波放大器、AD采集模 塊和頻譜分析模塊；腦電電極將采集的腦電波信號送入嵌入式處理單元，嵌入式處理單元 經頻譜分析，取出反映大腦注意力集中程度的β波成分，對注意力訓練進行神經反饋，并 把數據通過無線數據接口，傳送到人機交互設備上。
[0015] 第一鏡腿部上設置有突出的旋轉軸，旋轉軸上連接有旋轉調節桿，旋轉調節桿可 繞旋轉軸轉動，旋轉調節桿的內部連接有伸縮調節桿，伸縮調節桿從旋轉調節桿的上端伸 出，頂向內彎曲，并連接腦電電極。
[0016] 微型投影儀以鉸接的方式連接在第一鏡腿部的前端。
[0017] 本實用新型具有的優點和積極效果是：
[0018] 本實用新型的穿戴式腦電注意力訓練儀，使用腦電作為注意力訓練的反饋信號， 檢測受訓者腦電的β波，進行生物反饋，對訓練效果進行科學的評價，大大提高了注意力 訓練的效率和可靠性。使用穿戴式電腦，為注意力訓練提供視頻和音頻的刺激信號并對整 個訓練過程進行控制，及時地處理、存貯并傳輸數據，使用方便。采用非透射式透鏡，使受訓 者只能看到電腦的屏幕，排除了很多不必要的干擾因素，避免了環境對受訓者的干擾，提高 了訓練效果。該注意力訓練儀成本低，且便于二次開發。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1是本實用新型的穿戴式腦電注意力訓練儀的結構示意圖；
[0020] 圖2是本實用新型的第一鏡腿部的結構示意圖；
[0021] 圖3是本實用新型的穿戴式腦電注意力訓練儀的電路原理框圖；
[0022] 圖4是腦電的四種不同頻段的波的波形圖；
[0023] 圖中主要部件符號說明：
[0024] 1 :鏡框 2 :第一鏡腿部
[0025] 3 :第二鏡腿部 4 :透鏡
[0026] 5:伸縮調節桿 6:腦電電極
[0027] 7:參考電極 8:微型投影儀
[0028] 9:電源模塊 10 :前進鍵
[0029] 11 :倒退鍵 12 :暫停鍵
[0030] 13 :旋轉調節桿 14 :嵌入式處理單元
[0031] 15:音頻接口 16:無線數據接口
[0032] 17 :按鍵模塊。
【具體實施方式】
[0033] 以下結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型的穿戴式腦電注意力訓練儀進行詳 細描述，附圖中與現有技術相同的部件采用了相同的標號。下述各實施例僅用于說明本實 用新型而并非對本實用新型的限制。
[0034] 圖1是本實用新型的穿戴式腦電注意力訓練儀的結構示意圖；圖2是本實用新型 的第一鏡腿部的結構示意圖。如圖1和圖2所示，本實用新型的穿戴式腦電注意力訓練儀， 包括具有一個鏡框1和左右兩個鏡腿部的鏡架。鏡框1的兩個鏡片孔內對稱地安裝有兩片 透鏡4。
[0035] 第一鏡腿部2的前端設置有微型投影儀8,微型投影儀8以鉸接的方式連接在第一 鏡腿部2的前端。第一鏡腿部2的前半部分設置有嵌入式處理單元14。第一鏡腿部2上嵌 入式處理單元14的后方設置有突出的旋轉軸，旋轉軸上連接有旋轉調節桿13,旋轉調節桿 13可繞旋轉軸轉動，旋轉調節桿13的內部連接有伸縮調節桿5,伸縮調節桿5從旋轉調節 桿13的上端伸出，頂端向內彎曲，并連接腦電電極6。腦電電極的采樣率為512Hz，采集頻 率范圍在3Hz-100Hz之間。第一鏡腿部2后端的的鉤耳部處設置有參考電極7。
[0036] 第二鏡腿部3的前半部分設置有按鍵模塊17,按鍵模塊內設有三個按鍵，分別是 前進鍵10、倒退鍵11和暫停鍵12。按鍵模塊17的后方設置有電源模塊9。
[0037] 第一鏡腿部2和第二鏡腿部3的下側均設置有音頻接口 15。第一鏡腿部2的下側 還設置有無線數據接口 16。
[0038] 圖3是本實用新型的穿戴式腦電注意力訓練儀的電路原理框圖。如圖3所示，微 型投影儀8與嵌入式處理單元14連接，嵌入式處理單元14作為中央處理器，周圍分別與帶 有前置放大器的腦電電極6、參考電極7、音頻接口 15、無線數據接口 16、按鍵模塊17以及 電源模塊9。電源模塊9為整個電路提供電源。嵌入式處理單元內部設置有濾波放大器、 AD采集模塊和頻譜分析模塊。
[0039] 本實用新型所依據的原理如下：人的不同精神狀態會造成不同形式的神經活動， 從而發出不同的腦電波，借助傳感器就能測量得到這種腦電波，并將其轉換成電信號。這就 像用手機錄制一首管弦樂一樣，每種樂器都產生自己的聲音，這些加在一起就產生了管弦 樂。手機可以用來記錄這些聲波，并將他們轉化成電子信號。
[0040] 為了使用腦電來反映人體的生理和心理狀態，還要對信號進行頻譜分析。如圖4 所示，國際上將腦電波按波的重復節律不同分類，統一為以下四個頻段：
[0041] α波：8-13Hz，幅度在50μ V左右，主要反映人處于松弛且閉眼清醒的狀態。
[0042] β波：13-30Ηζ，幅度在5 - 20μ V，主要反映人處在注意力集中或情緒緊張的狀 態。
[0043] Θ波：4-8Ηζ，幅度在10 - 50 μ V，主要反映人處于輕睡狀態下、困倦時，感情壓 抑時。
[0044] δ波：1--3. 5Hz，幅度在20-200 μ V主要反映人處于深度睡眠的狀態或者有嚴重 器質性腦疾患。
[0045] 注意力反映了人對某些事物的專注能力。從事不同職業的人，對專注能力有不同 的要求。學生在課堂上，注意力好，就能充分吸收老師講課的內容，提高學習效率。很多學 生，學習不好，不是智力問題而是不能很好地掌控自己的注意力。飛行員，駕駛員，各種操控 臺的控制人員等都對專注力和注意力的持續能力有不同的要求。注意力出問題，就會出事 故。腦電的β波成分反映了受訓人注意力的高低，利用腦電的β波成分進行生物反饋訓 練和對訓練效果進行評估。
[0046] 本實用新型的穿戴式腦電注意力訓練儀的工作過程如下：
[0047] 通過微型投影儀8在距人眼2米處產生25英寸，4:3的虛擬屏幕，為注意力訓練提 供視頻刺激信號。通過音頻接口 15輸出音頻信號，為注意力訓練提供背景音樂和訓練指導 語等音頻刺激信號。通過旋轉調節桿13和伸縮調節桿5,把腦電電極6置于腦的前額部。 帶有前置放大器的腦電電極6采集經放大的電信號，并與參考電極7發出的電波信號進行 比較，將屬于腦電波的電信號送入嵌入式處理單元14,嵌入式處理單元對腦電波信號再次 進行濾波放大，并進行AD轉換和頻譜分析，取出反映大腦注意力集中程度的β波成分，即 頻率在13-30ΗΖ，幅度在5 - 20 μ V的波形成分，對注意力訓練進行神經反饋，并把數據通 過無線數據接口 16,傳送到人機交互設備上。本實用新型使用腦電作為注意力訓練的反饋 信號，大大提高了注意力訓練的效率和可靠性。使用穿戴式電腦，排除了很多不必要的干擾 因素，改善了訓練環境。
[〇〇48] 本實用新型的腦電電極能直接連接干接觸點，不像傳統醫學用的濕傳感器使用時 需要上導電膠。產品整體能耗低，3. 3伏供電下最大消耗為15毫安，適合便攜式消費產品的 電池供電的設備。
【權利要求】
1. 一種穿戴式腦電注意力訓練儀，包括具有一個鏡框（1)和左右兩個鏡腿部的鏡架； 其特征在于：鏡框（1)的兩個鏡片孔內對稱地安裝有兩片透鏡（4)，第一鏡腿部（2)的前端 設置有微型投影儀（8);微型投影儀（8)與設置在鏡腿部的嵌入式處理單元（14)連接，嵌入 式處理單元（14)作為中央處理器，周圍連接有帶有前置放大器的腦電電極（6)、參考電極 (7)、音頻接口（ 15)、無線數據接口（ 16)、按鍵模塊（17)以及電源模塊（9);按鍵模塊設置在 第二鏡腿部（3)，并設有三個按鍵，分別是前進鍵（10)、倒退鍵（11)和暫停鍵（12);參考電 極（7)位于第一鏡腿部的鉤耳部處；嵌入式處理單元（14)內部設置有濾波放大器和AD采 集模塊；第一鏡腿部上設置有突出的旋轉軸，旋轉軸上連接有旋轉調節桿（13)，旋轉調節 桿（13 )可繞旋轉軸轉動，旋轉調節桿（13 )的內部連接有伸縮調節桿（5 )，伸縮調節桿（5 )從 旋轉調節桿（13 )的上端伸出，頂端向內彎曲，并連接腦電電極（6 )。
【文檔編號】A61B5/0476GK203885496SQ201320858160
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年12月24日 優先權日:2013年12月24日
【發明者】白學軍, 楊海波, 曾力, 胡振慧 申請人:天津師范大學