CN103690162B - 一种穿戴式脑电清醒状态检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿戴式脑电清醒状态检测仪，通过微型投影仪在距人眼2米处产生虚拟屏幕，为清醒状态检测提供视频刺激信号。通过音频接口输出音频信号，为清醒状态检测提供背景音乐和训练指导语等音频刺激信号。通过旋转调节杆和伸缩调节杆，把脑电电极置于脑的前额部。脑电电极将采集的脑电波信号送入嵌入式处理单元，嵌入式处理单元对脑电波信号进行频谱分析，取出反映大脑清醒状态的θ波成分，对清醒状态检测进行神经反馈，并把数据通过无线数据接口，传送到人机交互设备上。本发明使用脑电作为清醒状态检测的反馈信号，大大提高了清醒状态检测的效率和可靠性。

Description

一种穿戴式脑电清醒状态检测仪

技术领域

本发明属于心理学生物反馈技术领域，涉及一种穿戴式脑电清醒状态检测仪。

背景技术

大脑神经活动时会产生微弱的电场波动，当数以万计的神经同时活动时，电场就会产生有韵律的波动。从头皮上就能测量到这种波动，这就是脑电波。脑电波具有如下的特点：它是中枢神经系统自发产生的生物电信号；它是随机信号，具有非平稳和非高斯特性；能够反映神经系统的状态和变化。因此，采集脑电波，通过分析可以监测人的生理和心理状态。

非介入式脑电采集技术比较复杂，因为采集到的信号是微伏级的小信号，很容易受噪声的干扰，要对信号进行精准的放大，滤波等处理。为了使用脑电来反映人体的生理和心理状态，还要对信号进行频谱分析。国际上将脑电波按波的重复节律不同分类，统一为以下四个频段：

α波：8--13Hz，幅度在50μV左右，主要反映人处于松弛且闭眼清醒的状态。

β波：13--30Hz，幅度在5－20μV，主要反映人处在注意力集中或情绪紧张的状态。

θ波：4--8Hz ，幅度在10－50μV，主要反映人处于轻睡状态下、困倦时，感情压抑时。

δ波：1--3.5Hz，幅度在 20-200μV主要反映人处于深度睡眠的状态或者有严重器质性脑疾患。

脑电的θ波成分反映人处于轻睡状态、困倦和感情压抑。很多职业的从业人员，在工作时不允许出现困倦状态，否则会造成重大的事故。像飞行员，驾驶员，站岗的士兵，特别是拉危险品大货车的驾驶员，大客车的驾驶员等，工作时必须处于高度的清醒状态。清醒状态检测仪监测这些人员的脑电θ波成分，当他们处于困倦甚至轻睡状态时，清醒状态检测仪可以报警提示，可以记录数据，可以把数据发送给指挥调度中心，也可切断发动机，强迫他们恢复清醒状态后，才能继续工作。

以前，脑电采集处理设备体积庞大，现在脑电信号的采集，处理，频谱分析等工作可由单芯片来完成，为便携式脑电测试设备提供了技术基础。脑电清醒状态检测设备由此产生。

现有的脑电清醒状态检测设备，音视频刺激信号多由普通的计算机或音视频设备提供。体积大，使用不方便。对检测效果的评估，多依据人自己的感受或间接的、简单的一些生理参数，如皮电，心率等来反映。

另一方面，随着半导体技术的发展，计算机体积越来越小，功耗越来越低。而采用虚像技术，可以制造出微型显示器。这些技术的发展促进了穿戴式电脑的发展。穿戴式电脑可以做成眼镜，也可以做成手表或做在衣服里。目前市场上出售的眼镜式电脑，有google，Recon等公司的产品，主要用于娱乐领域，价格较高，供货量少，不便于二次开发。

发明内容

本发明就是为了解决上述现有技术中的问题，而提供一种将穿戴式电脑用于脑电清醒状态检测的穿戴式脑电清醒状态检测仪。

本发明是按以下技术方案实现的：

本发明的穿戴式脑电清醒状态检测仪，包括具有一个镜框和左右两个镜腿部的镜架；镜框的两个镜片孔内对称地安装有两片透镜，一个镜腿部的前端设置有微型投影仪；微型投影仪与设置在镜腿部的嵌入式处理单元连接，嵌入式处理单元作为中央处理器，周围连接有带有前置放大器的脑电电极、参考电极、音频接口、无线数据接口以及电源模块；嵌入式处理单元内部设置有滤波放大器、AD采集模块和频谱分析模块，脑电电极将采集的脑电波信号送入嵌入式处理单元，嵌入式处理单元经频谱分析，取出反映大脑清醒状态的θ波成分，对清醒状态检测进行神经反馈，并把数据通过无线数据接口，传送到人机交互设备上。

其中一个镜腿部上设置有突出的旋转轴，旋转轴上连接有旋转调节杆，旋转调节杆可绕旋转轴转动，旋转调节杆的内部连接有伸缩调节杆，伸缩调节杆从旋转调节杆的上端伸出，顶端向内弯曲，并连接脑电电极。

所述的脑电电极的采样率为512Hz，采集频率范围在3Hz-100Hz之间。

所述的参考电极位于一个镜腿部的钩耳部处。

所述的微型投影仪以铰接的方式连接在一个镜腿部的前端。

所述的嵌入式处理单元上还连接有按键模块，按键模块设置在镜腿部，并设有三个按键，分别是前进键、倒退键和暂停键。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的穿戴式脑电清醒状态检测仪，使用脑电作为清醒状态检测的反馈信号，检测受训者脑电的θ波，进行生物反馈，对检测效果进行科学的评价，大大提高了清醒状态检测的效率和可靠性。使用穿戴式电脑，为清醒状态检测提供视频和音频的刺激信号并对整个训练过程进行控制，及时地处理、存贮并传输数据，使用方便。该清醒状态检测仪成本低，且便于二次开发。

附图说明

图1是本发明的穿戴式脑电清醒状态检测仪的结构示意图；

图2是本发明的第一镜腿部的结构示意图；

图3是本发明的穿戴式脑电清醒状态检测仪的电路原理框图；

图4是脑电的四种不同频段的波的波形图；

图中主要部件符号说明：

          1：镜框              2：第一镜腿部

          3：第二镜腿部        4：透镜

          5：伸缩调节杆        6：脑电电极

          7：参考电极          8：微型投影仪

          9：电源模块         10：前进键

         11：倒退键           12：暂停键

         13：旋转调节杆       14：嵌入式处理单元

         15：音频接口         16：无线数据接口

         17：按键模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的穿戴式脑电清醒状态检测仪进行详细描述，附图中与现有技术相同的部件采用了相同的标号。下述各实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。

图1是本发明的穿戴式脑电清醒状态检测仪的结构示意图；图2是本发明的第一镜腿部的结构示意图。如图1和图2所示，本发明的穿戴式脑电清醒状态检测仪，包括具有一个镜框1和左右两个镜腿部的镜架。镜框1的两个镜片孔内对称地安装有两片透镜4。

第一镜腿部2的前端设置有微型投影仪8，微型投影仪8以铰接的方式连接在第一镜腿部2的前端。第一镜腿部2的前半部分设置有嵌入式处理单元14。第一镜腿部2上嵌入式处理单元14的后方设置有突出的旋转轴，旋转轴上连接有旋转调节杆13，旋转调节杆13可绕旋转轴转动，旋转调节杆13的内部连接有伸缩调节杆5，伸缩调节杆5从旋转调节杆13的上端伸出，顶端向内弯曲，并连接脑电电极6。脑电电极的采样率为512Hz，采集频率范围在3Hz-100Hz之间。第一镜腿部2后端的的钩耳部处设置有参考电极7。

第二镜腿部3的前半部分设置有按键模块17，按键模块内设有三个按键，分别是前进键10、倒退键11和暂停键12。按键模块17的后方设置有电源模块9。

第一镜腿部2和第二镜腿部3的下侧均设置有音频接口15。第一镜腿部2的下侧还设置有无线数据接口16。

图3是本发明的穿戴式脑电清醒状态检测仪的电路原理框图。如图3所示，微型投影仪8与嵌入式处理单元14连接，嵌入式处理单元14作为中央处理器，周围分别与带有前置放大器的脑电电极6、参考电极7、音频接口15、无线数据接口16、按键模块17以及电源模块9。电源模块9为整个电路提供电源。嵌入式处理单元内部设置有滤波放大器、AD采集模块和频谱分析模块。

本发明所依据的原理如下：人的不同精神状态会造成不同形式的神经活动，从而发出不同的脑电波，借助传感器就能测量得到这种脑电波，并将其转换成电信号。这就像用手机录制一首管弦乐一样，每种乐器都产生自己的声音，这些加在一起就产生了管弦乐。手机可以用来记录这些声波，并将他们转化成电子信号。

为了使用脑电来反映人体的生理和心理状态，还要对信号进行频谱分析。如图4所示，国际上将脑电波按波的重复节律不同分类，统一为以下四个频段：

α波：8--13Hz，幅度在50μV左右，主要反映人处于松弛且闭眼清醒的状态。

β波：13--30Hz，幅度在5－20μV，主要反映人处在注意力集中或情绪紧张的状态。

θ波：4--8Hz ，幅度在10－50μV，主要反映人处于轻睡状态下、困倦时，感情压抑时。

δ波：1--3.5Hz，幅度在 20-200μV主要反映人处于深度睡眠的状态或者有严重器质性脑疾患。

脑电的θ波成分反映人处于轻睡状态、困倦和感情压抑。很多职业的从业人员，在工作时不允许出现困倦状态，否则会造成重大的事故。像飞行员，驾驶员，站岗的士兵，特别是拉危险品大货车的驾驶员，大客车的驾驶员等，工作时必须处于高度的清醒状态。清醒状态检测仪监测这些人员的脑电θ波成分，当他们处于困倦甚至轻睡状态时，清醒状态检测仪可以报警提示，可以记录数据，可以把数据发送给指挥调度中心，也可切断发动机，强迫他们恢复清醒状态后，才能继续工作。这种应用使用的设备，必须是便携式的，低功耗的。

本发明的穿戴式脑电清醒状态检测仪的工作过程如下：

通过旋转调节杆13和伸缩调节杆5，把脑电电极6置于脑的前额部。带有前置放大器的脑电电极6采集经放大的电信号，并与参考电极7发出的电波信号进行比较，将属于脑电波的电信号送入嵌入式处理单元14，嵌入式处理单元对脑电波信号再次进行滤波放大，并进行AD转换和频谱分析，取出反映大脑清醒状态的θ波成分，即4--8Hz ，幅度在10－50μV的波形成分，对清醒状态检测进行神经反馈，并把数据通过无线数据接口16，传送到人机交互设备上。本发明使用脑电作为清醒状态检测的反馈信号，大大提高了清醒状态检测的效率和可靠性。使用穿戴式电脑，排除了很多不必要的干扰因素，改善了训练环境。

本发明的脑电电极能直接连接干接触点，不像传统医学用的湿传感器使用时需要上导电胶。产品整体能耗低，3.3伏供电下最大消耗为15毫安，适合便携式消费产品的电池供电的设备。

Claims (6)

1.一种穿戴式脑电清醒状态检测仪，包括具有一个镜框（1）和左右两个镜腿部的镜架；其特征在于：镜框（1）的两个镜片孔内对称地安装有两片透镜（4），一个镜腿部的前端设置有微型投影仪（8）；微型投影仪（8）与设置在镜腿部的嵌入式处理单元（14）连接，嵌入式处理单元（14）作为中央处理器，周围连接有带有前置放大器的脑电电极（6）、参考电极（7）、音频接口（15）、无线数据接口（16）以及电源模块（9）；嵌入式处理单元（14）内部设置有滤波放大器、AD采集模块和频谱分析模块，脑电电极（6）将采集的脑电波信号送入嵌入式处理单元（14），嵌入式处理单元（14）经频谱分析，取出反映大脑清醒状态的θ波成分，对清醒状态检测进行神经反馈，并把数据通过无线数据接口（16），传送到人机交互设备上。

2.根据权利要求1所述的穿戴式脑电清醒状态检测仪，其特征在于：一个镜腿部上设置有突出的旋转轴，旋转轴上连接有旋转调节杆（13），旋转调节杆（13）可绕旋转轴转动，旋转调节杆（13）的内部连接有伸缩调节杆（5），伸缩调节杆（5）从旋转调节杆（13）的上端伸出，顶端向内弯曲，并连接脑电电极（6）。

3.根据权利要求2所述的穿戴式脑电清醒状态检测仪，其特征在于：脑电电极（6）的采样率为512Hz，采集频率范围在3Hz-100Hz之间。

4.根据权利要求1所述的穿戴式脑电清醒状态检测仪，其特征在于：参考电极（7）位于一个镜腿部的钩耳部处。

5.根据权利要求1所述的穿戴式脑电清醒状态检测仪，其特征在于：微型投影仪（8）以铰接的方式连接在一个镜腿部的前端。

6.根据权利要求1所述的穿戴式脑电清醒状态检测仪，其特征在于：嵌入式处理单元（14）上还连接有按键模块（17），按键模块设置在镜腿部，并设有三个按键，分别是前进键（10）、倒退键（11）和暂停键（12）。