CN113456088A - 一种多动症儿童用脑电采集装置及方法 - Google Patents

一种多动症儿童用脑电采集装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多动症儿童用脑电采集装置及方法，该方法包括：装置初始化，并确认耳夹信号和前额信号接收正常；通过耳夹电极和前额电极初步采集皮肤表面电压，并计算信噪值，然后判断信噪值是否小于设定的信噪值阈值；通过前额电极进行眨眼检测，并计算眨眼强度，然后判断眨眼强度是否在取值范围内；通过耳夹电极和前额电极采集表面肌肉电压，计算原始脑电数据；计算初始专注度指数、初始放松度指数以及两者之间的相关系数，然后判断相关系数是否在取值范围内；通过眨眼强度对初始专注度指数、初始放松度指数进行优化；优化后的专注度指数和放松度指数即为最终的专注度指数和放松度指数。该装置及方法有利于准确采集脑电数据。

Description

一种多动症儿童用脑电采集装置及方法
技术领域
本发明属于生物反馈技术领域，具体涉及一种多动症儿童用脑电采集装置及方法。
背景技术
生物反馈(EEG Biofeedback)是与计算机技术相结合，通过采用电子设备对神经肌肉和自主神经系统进行正常和异常状态的检测，然后将有效信号进行必要的放大处理，再通过视觉和听觉等表现出来从而反馈给被试者。
结合脑电反馈技术治疗儿童多动症是近些年高校和科研机构研究的重点，目前较为成熟的技术就是采用专业的脑电采集设备对患儿的脑状态进行监测，分析出优秀波和杂波，通过专注力游戏训练的方式训练患儿的优秀波，以此达到治疗的目的，但目前的市场上较为成熟的脑电采集设备多为儿童医院使用，设备复杂且价格昂贵。此种设备在使用时采用湿电极的方式采集患儿头皮表面的微电压，进而分析出不同波长的脑电波数据。虽然这种设备采集到的脑电数据较为准确，但是由于多动症儿童这一特殊群体，在给患儿佩戴设备时，需要将多个电极片贴在患儿头皮表面，患儿非常容易产生抗拒心理，当患儿处在紧张、恐惧的环境下，采集到的数据往往会产生很大误差，导致脑电波数据参考价值不高。
在现有技术中，利用干电极采集脑波数据的技术存在一定的弊端，会导致数据采集不准确，因为脑电波是一种持续非稳定的电信号，容易受到外界环境的干扰，使用干电极采集脑波数据时，在采集过程中会出现噪点，导致脑波数值异常增大，这也是市场上一些便携脑电采集设备生产厂家所生产的设备存在的问题，没有应用到专业治疗儿童多动症领域的原因之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多动症儿童用脑电采集装置及方法，该装置及方法有利于准确采集脑电数据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多动症儿童用脑电采集装置，包括头戴式结构和脑电采集装置，所述头戴式结构包括头带、可收合旋转件和两个滑动臂，所述可收合旋转件与头带转动连接，所述两个滑动臂分别设于头带左右两侧，并与头带左右两侧部滑动连接，所述脑电采集装置包括处理模块、无线通信模块、前额电极和两个耳夹电极，所述处理模块、无线通信模块安装于头带上，所述前额电极安装于可收合旋转件上，以在可收合旋转件向前旋出时与人体前额接触，所述两个耳夹电极分别安装于两个滑动臂下端，以与人体耳部接触，所述前额电极、耳夹电极分别与处理模块连接，以采集脑电数据，所述处理模块与无线通信模块连接，以与上位机通信。
进一步地，所述可收合旋转件为与头带形状相适应的弯曲型结构，所述可收合旋转件位于头带下侧，且其左右两端分别与头带左右两下侧部转动连接。
进一步地，所述脑电采集装置包括一个所述前额电极，所述前额电极安装于所述可收合旋转件的内侧。
进一步地，所述头带左右两侧部分别设有具有滑槽的滑动型腔，所述滑动臂穿设于滑动型腔内，所述滑动臂上连接有可相对滑槽上下滑移的滑块，以带动滑动臂上下滑移。
本发明还提供了一种多动症儿童用脑电采集方法，包括以下步骤：
(1)装置初始化，并确认耳夹信号和前额信号接收正常；
(2)通过耳夹电极和前额电极初步采集皮肤表面电压，并计算信噪值，然后判断信噪值是否小于设定的信噪值阈值，是否转下一步，否则返回步骤(1)，判断耳夹信号和前额信号是否接收正常；
(3)通过前额电极进行眨眼检测，并计算眨眼强度，然后判断眨眼强度是否在取值范围内，是则转下一步，否则重新计算眨眼强度；
(4)通过耳夹电极和前额电极采集表面肌肉电压，计算原始脑电数据：Delta波、Theta波、Alpha波、低频Beta波、中频Beta波以及高频Beta波；
(5)计算初始专注度指数、初始放松度指数以及两者之间的相关系数，然后判断相关系数是否在取值范围内，是则转下一步，否则返回步骤(4)；
(6)通过眨眼强度对初始专注度指数、初始放松度指数进行优化，得到优化后的专注度指数和放松度指数；
(7)处理模块将优化后的专注度指数和放松度指数作为最终的专注度指数和放松度指数，通过无线通信模块上传。
进一步地，步骤(2)中，信噪值的计算方法为：
Figure BDA0003196504130000021
其中，X为信噪值，Ti为时间跨度，x(N-i)为Ti时间下的区间函数。
进一步地，步骤(3)中，通过前额电极采集到角膜和视网膜之间的电位差，读取峰电压Up、持续时间Td以及峰值速度Vmax三个特征值，通过三者之间的关系，计算得到眨眼强度Blink值；所述Blink值的计算方法为：
Figure BDA0003196504130000031
其中，Blink值的取值范围为0-200。
进一步地，步骤(4)中，通过耳夹电极和前额电极采集表面肌肉电压，通过放大电压，计算得到原始脑电数据；原始脑电数据与表面肌肉电压之间的关系为：
Figure BDA0003196504130000032
其中，Rawdate表示原始脑电数据，U表示采集到的电压值；
对专注度指数A产生主要影响的脑波类型为低频Beta波和高频Beta波，对放松度指数B产生主要影响的脑波类型为Delta波、Theta波和Alpha波；
步骤(5)中，初始专注度指数A1的计算方法为：
A1＝-7.4e--6d+9.2log(f)-4.6log(707+d)
其中，e表示自然对数函数的底数，其值为：
Figure BDA0003196504130000033
d表示低频Beta波，f表示高频Beta波；
初始放松度指数B1的计算方法为：
Figure BDA0003196504130000034
其中，a表示Delta波，b表示Theta波，c表示Alpha波。
进一步地，步骤(5)中，初始专注度指数与初始放松度指数之间相关系数的计算方法为：
Figure BDA0003196504130000035
其中，r表示相关系数，Ai、Bi分别表示i时刻专注度指数、放松度指数的数据值，n表示采集总时间，
Figure BDA0003196504130000036
分别表示专注度指数、放松度指数的均值。
进一步地，步骤(6)中，对初始专注度指数、初始放松度指数进行优化的方法为：
Figure BDA0003196504130000041
Figure BDA0003196504130000042
其中，A1、B1分别表示初始专注度指数、初始放松度指数，A2、B2分别表示优化后的专注度指数、放松度指数，Blink表示眨眼强度。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：提供了一种多动症儿童用脑电采集装置及方法，该装置只保留脑电采集的核心功能，且用干电极替代专业的设备的湿电极，在佩戴的时候只需将前额电极和耳夹电极与相应的皮肤位置接触即可采集到相应的脑波数据，结构简单，易于实现和维护。此外，本发明加入了眨眼检测，能够解决传统方法采集脑波数据不准确的问题，在使用者使用设备时，能够通过眨眼检测先初步分析使用者是否进入了专注状态，进入专注状态后再采集相应的脑波数据，使数据采集更加准确。
附图说明
图1是本发明实施例的装置处于收合状态的结构示意图。
图2是本发明实施例的装置处于工作状态的结构示意图。
图3是本发明实施例中脑电采集装置的实现原理框图。
图4是本发明实施例的方法实现流程图。
图5是本发明实施例中脑波分类示意图。
图中：1-头带，2-可收合旋转件，3-滑动臂，4-前额电极，5-耳夹电极，6-滑槽，7-滑块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1-3所示，本实施例提供了一种多动症儿童用脑电采集装置，包括头戴式结构和脑电采集装置，所述头戴式结构包括头带1、可收合旋转件2和两个滑动臂3，所述可收合旋转件2与头带1转动连接，所述两个滑动臂3分别设于头带1左右两侧，并与头带1左右两侧部滑动连接，所述脑电采集装置包括处理模块、无线通信模块、前额电极4和两个耳夹电极5，所述处理模块、无线通信模块安装于头带上，所述前额电极安装于可收合旋转件上，以在可收合旋转件向前旋出时与人体前额接触，所述两个耳夹电极分别安装于两个滑动臂下端，以与人体耳垂接触，所述前额电极、耳夹电极分别与处理模块连接，以采集脑电数据，所述处理模块与无线通信模块连接，以与上位机通信。
在本实施例中，所述可收合旋转件2为与头带形状相适应的弯曲型结构，所述可收合旋转件2位于头带1下侧，且其左右两端分别与头带1左右两下侧部转动连接。所述脑电采集装置包括一个前额电极，所述前额电极安装于可收合旋转件的内侧，从而可以在可收合旋转件向前旋出时与人体前额紧密接触。
在本实施例中，所述头带1左右两侧部分别设有具有滑槽6的滑动型腔，所述滑动臂3穿设于滑动型腔内，所述滑动臂3上连接有可相对滑槽上下滑移的滑块7，以带动滑动臂上下滑移。
在本实施例中，无线通信模块采用蓝牙模块。
如图4所示，本实施例还提供了基于上述装置的多动症儿童用脑电采集方法，包括以下步骤：
(1)装置初始化，并确认耳夹信号和前额信号接收正常。
(2)通过耳夹电极和前额电极初步采集皮肤表面电压，并计算信噪值，然后判断信噪值是否小于设定的信噪值阈值，是否转下一步，否则返回步骤(1)，判断耳夹信号和前额信号是否接收正常。
其中，信噪值的计算方法为：
Figure BDA0003196504130000051
其中，X为信噪值，Ti为时间跨度，x(N-i)为Ti时间下的区间函数。
(3)通过前额电极进行眨眼检测，并计算眨眼强度，然后判断眨眼强度是否在取值范围内，是则转下一步，否则重新计算眨眼强度。
具体地，通过前额电极采集到角膜和视网膜之间的电位差，读取峰电压Up、持续时间Td以及峰值速度Vmax三个特征值，通过三者之间的关系，计算得到眨眼强度Blink值；所述Blink值的计算方法为：
Figure BDA0003196504130000061
其中，Blink值的取值范围为0-200。
脑电数据分析，就是对前额电极和耳夹电极采集到的表面肌电通过放大电压得到原始脑电数据(Delta波、Theta波、Alpha波、低频Beta波、中频Beta波以及高频Beta波)，然后通过计算分析得到“专注度指数”和“放松度指数”。
(4)通过耳夹电极和前额电极采集表面肌肉电压，计算原始脑电数据：Delta波、Theta波、Alpha波、低频Beta波、中频Beta波以及高频Beta波。
具体地，通过耳夹电极和前额电极采集表面肌肉电压，通过放大电压，计算得到原始脑电数据；原始脑电数据与表面肌肉电压之间的关系为：
Figure BDA0003196504130000062
其中，Rawdate表示原始脑电数据，U表示采集到的电压值。
图5示出了本领域公知的不同脑波类型的频率范围及对应的精神状态。对专注度指数A产生主要影响的脑波类型为低频Beta波和高频Beta波，对放松度指数B产生主要影响的脑波类型为Delta波、Theta波和Alpha波。
这里需要说明的是，在现有技术中，都是采用一个耳夹电极。而在本发明中，采用两个耳夹电极，通过两个耳夹电极采集的数据进行互相印证，如果两个耳夹电极采集的数据之间的偏差在设定范围内，则认为数据采集正常且可信，通过取平均值等数学方法对两个耳夹电极采集的数据进行处理，得到所需电压数据。但如果两个耳夹电极采集的数据之间的偏差超过设定范围，则认为数据采集异常，剔除采集的数据，重新进行数据采集。
(5)计算初始专注度指数、初始放松度指数以及两者之间的相关系数，然后判断相关系数是否在取值范围内，是则转下一步，否则返回步骤(4)。
其中，初始专注度指数A1的计算方法为：
A1＝-7.4e--6d+9.2log(f)-4.6log(707+d)
其中，e表示自然对数函数的底数，其值为：
Figure BDA0003196504130000071
d表示低频Beta波，f表示高频Beta波。
初始放松度指数B1的计算方法为：
Figure BDA0003196504130000072
其中，a表示Delta波，b表示Theta波，c表示Alpha波。
初始专注度指数与初始放松度指数之间相关系数的计算方法为：
Figure BDA0003196504130000073
其中，r表示相关系数，Ai、Bi分别表示i时刻专注度指数、放松度指数的数据值，n表示采集总时间，
Figure BDA0003196504130000074
分别表示专注度指数、放松度指数的均值。
(6)通过眨眼强度对初始专注度指数、初始放松度指数进行优化，得到优化后的专注度指数和放松度指数。
具体地，对初始专注度指数、初始放松度指数进行优化的方法为：
Figure BDA0003196504130000075
Figure BDA0003196504130000076
其中，A1、B1分别表示初始专注度指数、初始放松度指数，A2、B2分别表示优化后的专注度指数、放松度指数，Blink表示眨眼强度。
(7)处理模块将优化后的专注度指数和放松度指数作为最终的专注度指数和放松度指数，通过无线通信模块上传。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种多动症儿童用脑电采集装置，其特征在于，包括头戴式结构和脑电采集装置，所述头戴式结构包括头带、可收合旋转件和两个滑动臂，所述可收合旋转件与头带转动连接，所述两个滑动臂分别设于头带左右两侧，并与头带左右两侧部滑动连接，所述脑电采集装置包括处理模块、无线通信模块、前额电极和两个耳夹电极，所述处理模块、无线通信模块安装于头带上，所述前额电极安装于可收合旋转件上，以在可收合旋转件向前旋出时与人体前额接触，所述两个耳夹电极分别安装于两个滑动臂下端，以与人体耳部接触，所述前额电极、耳夹电极分别与处理模块连接，以采集脑电数据，所述处理模块与无线通信模块连接，以与上位机通信。
2.根据权利要求1所述的一种多动症儿童用脑电采集装置，其特征在于，所述可收合旋转件为与头带形状相适应的弯曲型结构，所述可收合旋转件位于头带下侧，且其左右两端分别与头带左右两下侧部转动连接。
3.根据权利要求2所述的一种多动症儿童用脑电采集装置，其特征在于，所述脑电采集装置包括一个所述前额电极，所述前额电极安装于所述可收合旋转件的内侧。
4.根据权利要求1所述的一种多动症儿童用脑电采集装置，其特征在于，所述头带左右两侧部分别设有具有滑槽的滑动型腔，所述滑动臂穿设于滑动型腔内，所述滑动臂上连接有可相对滑槽上下滑移的滑块，以带动滑动臂上下滑移。
5.一种基于如权利要求1-4任一项所述装置的多动症儿童用脑电采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)装置初始化，并确认耳夹信号和前额信号接收正常；
(2)通过耳夹电极和前额电极初步采集皮肤表面电压，并计算信噪值，然后判断信噪值是否小于设定的信噪值阈值，是否转下一步，否则返回步骤(1)，判断耳夹信号和前额信号是否接收正常；
(3)通过前额电极进行眨眼检测，并计算眨眼强度，然后判断眨眼强度是否在取值范围内，是则转下一步，否则重新计算眨眼强度；
(4)通过耳夹电极和前额电极采集表面肌肉电压，计算原始脑电数据：Delta波、Theta波、Alpha波、低频Beta波、中频Beta波以及高频Beta波；
(5)计算初始专注度指数、初始放松度指数以及两者之间的相关系数，然后判断相关系数是否在取值范围内，是则转下一步，否则返回步骤(4)；
(6)通过眨眼强度对初始专注度指数、初始放松度指数进行优化，得到优化后的专注度指数和放松度指数；
(7)处理模块将优化后的专注度指数和放松度指数作为最终的专注度指数和放松度指数，通过无线通信模块上传。
6.根据权利要求5所述的一种多动症儿童用脑电采集方法，其特征在于，步骤(2)中，信噪值的计算方法为：
Figure FDA0003196504120000021
其中，X为信噪值，Ti为时间跨度，x(N-i)为Ti时间下的区间函数。
7.根据权利要求5所述的一种多动症儿童用脑电采集方法，其特征在于，步骤(3)中，通过前额电极采集到角膜和视网膜之间的电位差，读取峰电压Up、持续时间Td以及峰值速度Vmax三个特征值，通过三者之间的关系，计算得到眨眼强度Blink值；所述Blink值的计算方法为：
Figure FDA0003196504120000022
其中，Blink值的取值范围为0-200。
8.根据权利要求5所述的一种多动症儿童用脑电采集方法，其特征在于，步骤(4)中，通过耳夹电极和前额电极采集表面肌肉电压，通过放大电压，计算得到原始脑电数据；原始脑电数据与表面肌肉电压之间的关系为：
Figure FDA0003196504120000024
其中，Rawdate表示原始脑电数据，U表示采集到的电压值；
对专注度指数A产生主要影响的脑波类型为低频Beta波和高频Beta波，对放松度指数B产生主要影响的脑波类型为Delta波、Theta波和Alpha波；
步骤(5)中，初始专注度指数A1的计算方法为：
A1＝-7.4e--6d+9.2log(f)-4.6log(707+d)
其中，e表示自然对数函数的底数，其值为：
Figure FDA0003196504120000023
d表示低频Beta波，f表示高频Beta波；
初始放松度指数B1的计算方法为：
Figure FDA0003196504120000031
其中，a表示Delta波，b表示Theta波，c表示Alpha波。
9.根据权利要求8所述的一种多动症儿童用脑电采集方法，其特征在于，步骤(5)中，初始专注度指数与初始放松度指数之间相关系数的计算方法为：
Figure FDA0003196504120000032
其中，r表示相关系数，Ai、Bi分别表示i时刻专注度指数、放松度指数的数据值，n表示采集总时间，
Figure FDA0003196504120000033
分别表示专注度指数、放松度指数的均值。
10.根据权利要求1所述的一种多动症儿童用脑电采集方法，其特征在于，步骤(6)中，对初始专注度指数、初始放松度指数进行优化的方法为：
Figure FDA0003196504120000034
Figure FDA0003196504120000035
其中，A1、B1分别表示初始专注度指数、初始放松度指数，A2、B2分别表示优化后的专注度指数、放松度指数，Blink表示眨眼强度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023190592A1 (ja) * 2022-03-31 2023-10-05 Ｖｉｅ Ｓｔｙｌｅ株式会社 ヘッドセット

Cited By (1)

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WO2023190592A1 (ja) * 2022-03-31 2023-10-05 Ｖｉｅ Ｓｔｙｌｅ株式会社 ヘッドセット

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