基于TGAM的專注力訓練小車設計

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，對學習生活帶來很大影響，而科學實驗已經(jīng)證明通過腦電生物反饋訓練的方式可以進行專注力訓練，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練工具，接收自主設計的腦電波耳機傳輸?shù)膶Ｗ⒍葦?shù)值從而進行速度匹配，只有專注度達到一定閾值，小車才會移動，專注度數(shù)值越高小車移動速度越快，通過生物醫(yī)學反饋的方式來讓用戶在訓練過程中保持專注的狀態(tài)，養(yǎng)成保持較好專注力的習慣，從而達到專注力訓練的作用。

1 原理方案

■1.1 整體方案

系統(tǒng)基于TGAM芯片，根據(jù)自行設計的腦電采集放大器，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)轉換送入后級處理器進行小波變換提取所需要的生物節(jié)律信號。計算提取信號能量值的大小并劃分成三個等級的數(shù)值，再將三個不同等級數(shù)值對應到不同的控制指令，下發(fā)到小車上控制小車的運行速度，以達到實現(xiàn)注意力訓練的效果。

■1.2 硬件設計

硬件設計需要將來自干電極的微弱腦電信號經(jīng)過緩沖，放大，采樣以及模數(shù)轉換送入處理器進行信號處理[2]。處理器通過藍牙將數(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

本設計采用單片儀表放大器設計緩沖電路，為實現(xiàn)較高的阻抗匹配，在儀表放大器加入一級緩沖器。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與自穩(wěn)零的乒乓配置，實現(xiàn)很低的噪聲與漂移[3]。將腦電信號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。將緩沖輸出的信號接入儀表放大器AD8221,儀表放大器內部的阻容器件具有很高的對稱度，在頻率為100Hz時可以獲得高于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的噪聲和干擾，會對測量的結果產(chǎn)生重大的影響，采集到的信號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。

為了保證相頻響應特性和幅頻響應特性，本系統(tǒng)設計反向積分型電路來實現(xiàn)高通濾波，電路截止頻率為1Hz。為了隔離掉直流信號，濾除低頻的噪聲，防止直流信號被放大后造成放大器輸出端信號的飽和，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。但在實際應用中，各個導聯(lián)的公用參考端引起的阻抗不一致會把一些共模信號轉變?yōu)椴钅Ｐ盘?。在?jīng)過電路儀表放大之后導致噪聲將腦電信號淹沒。因此需要設計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

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

模數(shù)轉換電路負責將模擬信號轉換為數(shù)字信號，模數(shù)轉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)轉換器ADS8354，ADS8354是雙路差分高速同步采樣模數(shù)轉換器，采樣精度為16 位，信噪比為93dB，且具有可編程的內部基準電壓。腦電信號屬于模擬信號，通過兩路差分高速同步采樣的模數(shù)轉換器后，被轉換為數(shù)字信號，傳給處理器。

1.2.4 小車硬件部分

小車使用Cortex-M3芯片，TGAM對腦電信號進行提取分析,通過藍牙進行數(shù)據(jù)傳輸,主控芯片通過串口接受藍牙模塊傳輸?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)，小車電機接受處理器給出的控制信號，ENx段控制電機啟停，在遇到障礙時可以實現(xiàn)自動轉向功能[4-5]。小車通過調節(jié)PWM數(shù)字脈沖輸入信號的占空比來改變電機轉速。小車加入超聲波傳感器，在前方遇到障礙時會檢測左右方障礙，選擇無障礙方向轉向繼續(xù)前行，保證用戶使用的流暢性。

圖5 小車實物圖

■1.3 算法設計

腦電信號是非平穩(wěn)信號。而傅里葉變換對這類信號的處理效果不好，而且不能很好的刻畫信號時間域上的局部頻率特性，雖然后續(xù)出現(xiàn)的短時傅里葉變換對此缺點進行改進，但短時傅里葉變換的窗是固定的，時間分辨率和和頻率分辨率呈反比關系，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，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 注意力高度集中時專注度與小車速度對應關系

2 性能測試

將統(tǒng)計到的腦電信號通過算法進行計算，并劃分成三個等級對應不同的小車速度。當被測者處于疲勞狀態(tài)(專注度小于30)，小車速度會于約3秒后停止運動;當被測者處于自然狀態(tài)(專注度于30-60之間)，小車速度會于約3s后到達0.5m/s;當被測者處于注意力高度集中狀態(tài)(專注度位于60-100)，小車速度會于約3s后達到0.8m/s。通過調節(jié)PWM脈沖的占空比，使輸出電流發(fā)生變化，進而改變小車電極速度。正常狀態(tài)下小車不會運動，當被測者注意力稍微集中時小車就會開始常速運動，注意力高度集中時小車會全速運動，以此實現(xiàn)專注力訓練效果的實時可見化。

3 結語

將腦電采集技術，腦反饋技術，小波處理技術以及無線通信技術整合于一體，實現(xiàn)了腦電對小車的更高精度控制，實現(xiàn)注意力訓練效果。

首先使用先進的頭戴式腦電采集設備收集大腦信號，采集到的信號經(jīng)由緩沖放大電路，濾波電路，數(shù)模轉換器等，得到較為理想的無損腦電波信號，再使用不同于簡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，并且提供了一個可以調變的時頻窗口，對于人體生物信號一樣的不對稱，不規(guī)則的突變信號能有更好的處理和采集。此外小車作為實現(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練，使用者將通過注意力的集中程度來控制小車的運行速度，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行雙人或多人的賽車比賽能在更大程度上幫助實現(xiàn)注意力訓練。該產(chǎn)品無論是在醫(yī)學靈越還是教育領域都能做出不同程度的貢獻。